某型齒輪箱試驗臺多路潤滑系統流量仿真分析

李嘉東，馮 金，劉曉凡，覃 琨

(中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 201108)

0 引言

齒輪傳動渦扇發動機(Geared Turbofan Engine，GTF)具有載荷大、轉速高、壽命長的特點，其最主要的技術瓶頸就是風扇驅動齒輪箱(Fan Drive Gear System，FDGS)，只有突破了齒輪設計技術，我國自主研制的GTF構型渦扇發動機才有可能獲得成功。潤滑系統是風扇驅動齒輪箱中重要的一部分，直接影響齒輪箱的穩定性、可靠性。潤滑油不但能夠減少零件的摩擦和磨損，防止零件遭到銹蝕，還能夠起到對系統降溫散熱的作用，散出的熱即為功率損失所產生的[1]。本文對某型齒輪箱試驗臺多路潤滑系統流量進行仿真分析。

1 齒輪箱試驗臺多路潤滑系統

1.1 齒輪箱試驗臺精確供油要求

齒輪箱潤滑系統的參數包含溫度、壓力、流量等，這些參數互相關聯而有些很難直接測得。GTF齒輪箱的傳動結構比較復雜，發熱元件多，若是不能合理地設計潤滑系統，會使齒輪、軸承這些關鍵零件達不到預期冷卻效果，熱量不能散發，從而導致齒輪箱出現嚴重損傷，極大減少齒輪箱的使用壽命[2]。隨著飛機發動機行業迅速發展，對齒輪箱潤滑系統的可靠性產生了更高的需求，為此要精確地控制壓力和流量等潤滑系統參數從而避免由潤滑導致的齒輪箱失效的可能性。滑油噴嘴流量Q的計算公式為:

(1)

其中：A為噴嘴孔的面積;Cd為流量系數，由實驗確定;m為系數，m=D2/d2，D為孔口直徑，d為連接噴嘴的管的直徑;Δp為噴嘴油腔與軸承壓力差;ρ為滑油密度。

1.2 液壓加載功率封閉試驗臺原理

齒輪箱試驗臺普遍分為功率流開放試驗臺[3]以及功率流封閉試驗臺兩種。功率封閉試驗臺在傳遞功率過程中能量損失較小，適用于傳遞功率大的風扇驅動齒輪箱。功率封閉試驗臺根據加載方式可區分為機械功率封閉、電功率封閉和液壓功率封閉三種形式，而液壓功率封閉具有結構簡單、布置靈活、通用性強等優點[4]，適用于轉速高、傳遞功率大、結構緊湊的風扇驅動齒輪箱。

圖1為液壓加載功率封閉試驗臺原理框圖。傳動箱、齒輪箱、陪試箱、加載器構成一個功率封閉的傳動系統，驅動裝置在驅動整個系統達到工作轉速之后只需滿足對試驗中摩擦、攪油等引起的功率損耗完成補償即可，進行試驗產生的功率損耗較小[5]。試驗臺有兩個油站，公共設備油站用于傳動箱、陪試箱的供油，而被測設備油站則獨立負責齒輪箱的滑油提供。為了滿足被測設備多路變壓力滑油的需求，在被測油站系統中需添加分油裝置。

圖1 液壓加載功率封閉試驗臺原理框圖

1.3 變壓力分油系統原理和結構

齒輪箱供、回油油路原理見圖2。被測設備油站泵出的滑油通過總供油管流入分油裝置，經過分油及節流后再經由各支路銅管從各噴嘴噴出；滑油潤滑過各齒輪及軸承之后，因重力作用而流入油箱底部回油槽，最后經總回油管泵回到被測設備油站中。

圖2 齒輪箱供、回油油路原理

分油裝置三維模型見圖3。分油裝置通過螺栓固定于功率封閉試驗臺上，供油總管通過法蘭與分油裝置進油口相連，分油裝置出油口通過管接頭及銅管與試驗箱滑油噴嘴相連接。分油裝置中為了便于分別測量軸承供油與齒輪供油的壓力及溫度，設計有兩條主供油路，此外還包含多條支路，每條支路都設計有用于安裝節流閥的孔，根據齒輪箱試驗需求可決定是否安裝節流元件以控制各支路的滑油流量及流速。

圖3 分油裝置三維模型

2 Flowmaster仿真模型設計

Flowmaster流體計算軟件應用了節點壓力的網絡算法，其基本思想是將系統各結構分解成元件，使用對應示意圖在軟件中表示，并連接成網絡系統進行計算[6]。

Flowmaster軟件最大的特點就是它可以對不同情況的流體網絡系統建立較精確的模型，并基于流線的連續性原理進行分析計算。這種方法可以取代一些試驗調試工作，減少研發費用以及研發周期，并且能得出較詳細的潤滑系統信息，為設計潤滑系統提供理論上的支持。

2.1 齒輪箱滑油需求量計算

為了開展被測設備滑油系統的Flowmaster軟件模擬，需要先得到齒輪箱內部各處滑油需求量作為設計輸入。試驗箱功率損失分為兩個部分：齒輪功率損失及軸承功率損失，可以分別按照Anderson-Loewenthal公式和Harris公式進行計算。根據齒輪箱功率損失可計算得出齒輪箱內部各處滑油需求量[7]，計算公式如下：

W=60×106×Qf×s/(Cp×ρ×Δt).

(2)

其中：W為滑油需求量，L/min；Qf為發熱量，kW；Cp為滑油定壓比熱容，J/(kg·℃)；ρ為滑油密度，kg/m3；Δt為滑油溫升，℃；s為安全裕度系數。

2.2 齒輪箱潤滑系統Flowmaster建模

以齒輪箱潤滑系統的分油裝置進油口至齒輪箱噴嘴出口這一部分作為Flowmaster建模對象，根據系統實際用到的供油元件的結構及參數建立熱交換穩態流動Flowmaster模型進行計算求解，分析不同尺寸的節流元件對壓降、噴嘴流量及流速的影響。

Flowmaster建模時采用了如下簡化：①管網系統不考慮重力損失；②忽略角度小于20°的彎管和折管元件，其余所有的彎頭均按90°處理；③忽略管接頭對管路的影響；④金屬管道和銅管的絕對粗糙度均按0.025 mm進行計算。

最終建立的齒輪箱供油系統Flowmaster模型如圖4所示。模型中包含管、三通、彎頭、突縮、突擴等元件，此外還包含滑油噴嘴以及節流元件用以調節系統流量完成最終管路網絡設計。

圖4 齒輪箱供油系統的Flowmaster仿真模型

對齒輪箱油路系統模擬時，滑油噴嘴直徑不小于0.8 mm，以保證其在工作過程中不易被臟物堵塞。根據模擬結果需在分油器上齒輪嚙入側供油路安裝節流閥以控制油路流量，節流閥在Flowmaster模型中可以使用兩個突變元件加一段圓截面不可壓縮管道組合表示，效果如圖5所示。

圖5 Flowmaster節流元件模型

Flowmaster模型中的噴嘴模型根據公式(1)建立，噴嘴實際流量通常小于理論值，為此根據試驗情況設定流量系數Cd，流量系數隨雷諾數變化。

3 仿真結果分析

試驗使用滑油為美孚公司的Mobil Jet Oil Ⅱ滑油，Flowmaster建模時，由于缺少Mobile Jet Oil II航空潤滑油的物理性質，在模擬時參考了同一標準的航空潤滑油BPTO 2197的物理性質。滑油供油溫度取(70±2 )℃，供油壓力取(0.32±0.02) MPa(表壓)，環境壓力取大氣壓0.1 MPa。以圖4模型中粗線框選中節流元件所在的4條支路為例，計算了不同節流結構(孔徑在1 mm～4 mm之間及孔長在2 mm～14 mm之間)和不同噴嘴孔徑(0.8 mm～2 mm)下的噴嘴流量及流速大小，判斷不同的節流結構尺寸對噴嘴流量和流速的影響，得出節流元件尺寸的合理設計取值范圍，作為節流元件以及分油裝置結構設計的參考。

3.1 節流內孔尺寸對節流元件壓降的影響

圖6為節流元件孔徑一定情況下(Φ2 mm)節流元件壓降隨節流內孔長度的變化。從圖6中可以看出：節流孔徑及噴嘴孔徑一定時，節流元件壓降隨節流內孔長度增大呈緩慢線性增長趨勢。

圖7為節流元件孔長一定情況下(10 mm)節流元件壓降隨節流內孔孔徑大小的變化。從圖7中可以看出：節流元件壓降隨節流孔徑增大而減小；節流孔徑在Φ1 mm～Φ3 mm范圍內時，節流元件壓降最高由0.3 MPa急劇降低至0.05 MPa以下，這就說明節流孔在此取值范圍內時具有較明顯的調節流量作用。

圖6 節流元件壓降隨節流內孔長度的變化 內孔孔徑的變化 圖7節流元件壓降隨節流(節流孔徑Φ2 mm) (節流孔長10 mm)

對比圖6與圖7可以看出，節流孔徑對節流元件壓降的影響遠大于節流孔長度對節流元件壓降的影響。此外，從圖3(b)可以看出，節流孔長度受節流元件總長限制，調節作用有局限性。故建議在設計節流元件時，先根據分油裝置尺寸選定節流孔長度尺寸，再根據Flowmaster仿真結果推算出滿足設計流量及流速要求的節流孔徑。

3.2 節流孔徑對噴嘴流量和流速的影響

圖8為節流元件孔長一定情況下(10 mm)噴嘴流量隨節流內孔孔徑大小的變化。圖9為節流元件孔長一定情況下(10 mm)噴嘴流速隨節流內孔孔徑大小的變化。

滑油噴嘴壓力差計算公式為：

Δp=Δp總供油-Δp管路-Δp節流.

(3)

其中：Δp總供油為連接分油器的總供油管處表壓；Δp管路為分油器支路至噴嘴之間管路中除去節流元件后其余管路的壓降損失；Δp節流為節流元件的壓降損失。

將公式(3)代入公式(1)得到：

(4)

公式(4)中，由于齒輪箱試驗臺供油系統中管路流阻很小，Δp管路幾乎可忽略不計，并且Δp總供油為一定的，所以噴嘴流量隨節流壓降Δp節流減小而增大，符合圖8、圖9的變化趨勢。

滑油噴嘴流速為：

(5)

由公式(5)可看出，齒輪箱滑油噴嘴流速與其流量呈線性關系，因而噴嘴流速與噴嘴流量變化相吻合，在噴嘴孔徑及節流孔長度一定時隨節流內孔孔徑增大而增大。航空發動機設計時齒輪嚙合噴嘴的流速通常應不低于10 m/s，根據此規則可在設計節流元件時得出節流孔徑最小許用值。

圖8 噴嘴流量隨節流內孔孔徑的變化 內孔孔徑的變化 圖9 噴嘴流速隨節流(節流孔長10 mm) (節流孔長10 mm)

4 結論

(1) 節流孔徑及噴嘴孔徑一定時，節流元件壓降隨節流內孔長度增大呈緩慢線性增長趨勢。節流元件孔長一定情況下(10 mm)，節流元件壓降隨節流孔徑增大而減小，節流孔徑在Φ1 mm～Φ3 mm范圍內時，節流元件壓降急劇增大，節流效果遠高于節流孔長度對節流元件壓降的影響。

(2) 節流孔長度受節流元件總長限制，調節作用有局限性。故建議在設計節流元件時，先根據分油裝置尺寸選定節流孔長度尺寸，再根據Flowmaster仿真結果推算出滿足設計流量及流速要求的節流孔徑以及噴嘴孔徑，實現對齒輪箱的精準供油。

(3) 在噴嘴孔徑及節流孔長度一定時，噴嘴流速與噴嘴流量隨節流孔徑增大而增大，設計油路結構時可以根據Flowmaster模擬結果，參照滑油噴嘴的最低噴油速度要求限定節流孔徑最小值。