燃氣渦輪發動機高速軸承供油方案研究

李夫慶，周晟鋆

(中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司，北京100016)

0 引言

潤滑是用潤滑劑減少摩擦副的摩擦和降低溫度，或改善其它形式的表面破壞的措施。合理地選擇與設計潤滑方法及潤滑系統和裝置，對降低摩擦阻力，減少表面磨損和維持油溫，使設備具有良好的潤滑狀況和工作性能，保證設備高效運轉，延長使用壽命，具有十分重要的意義［1］。

隨著燃氣渦輪發動機技術的不斷發展，作為關鍵部件的滾動軸承將處于高速、 高溫和重載等更為嚴苛的工作環境下，對其工作性能的要求日益提高。隨著燃氣渦輪發動機軸承DN 值不斷提高，DN 值越大軸承內部的發熱量也因而大幅增加，若滑油供給量不足則無法及時的將軸承發熱量發散，這將導致軸承溫度升高，軸承內、外圈溫差變化并影響工作的有效，嚴重時甚至可能導致軸承失效［2］。軸承供油方式的正確選擇是確保軸承安全可靠工作的基礎。

以往多數研究多以某一種軸承供油方式進行研究，如噴射供油的軸承內氣液兩相流動、噴射破壁；環下供油滑油通道、油體積分數分布等問題進行研究［3-5］。較少對比總結各種軸承供油方式的應用對比。

本文介紹了燃氣渦輪發動機滾動軸承潤滑的常見結構形式和應用要求，詳細說明了噴射供油、噴管供油和環下供油方案的原理和設計要素。列明了噴射供油、 噴管供油和環下供油的應用條件和應用場景。

1 噴射供油

噴射供油，是指將供油噴嘴靠近軸承端面，對準軸承套圈和保持架內徑或外徑之間的徑向間隙，以一定的噴射速度向軸承滾動體噴油［4］。在噴射供油結構中，噴嘴的結構、數量、位置、噴射速度、供油壓力和供油量等因素對保證軸承安全可靠運轉均非常重要。常見的噴嘴供油結構形式如圖1 所示。

圖1 軸承噴射供油示意圖

噴射供油具有結構簡單，易于控制的優點，是滾動燃氣渦輪發動機滾動軸承常見的潤滑方式之一。

噴射供油雖結構簡單，但其供油效率低，需克服軸承腔內渦流油氣團阻力才可將滑油供入軸承內部，因而無法對軸承內圈進行充分的潤滑和冷卻。但通過提高滑油噴射速度和增加噴嘴數量的方式可以改善軸承的潤滑和冷卻。研究表明［6］，噴射潤滑適用于 DN≤2.5 × 106的軸承潤滑，這是因為當 DN ＞2.5 × 106時，在離心力的作用下，僅少量滑油能夠進入軸承內部，因此減弱了對軸承的內環、滾動體、滾子端面和擋邊處的潤滑，此外，軸承轉速的提高還將產生大量的攪拌熱，造成軸承工作溫度的升高［7］。此外，僅提高滑油量也不足以滿足軸承潤滑和冷卻的需求，提高滑油流量同樣會因滑油強烈的攪動而產生更多的攪拌熱。噴射供油軸承內部油氣兩相呈現不均勻分布，滑油多集中于外環附近，且沿旋轉方向逐漸減少；油體積分數較大時內外環溫度較低，由于熱傳導作用，油體積分數最大處與外環溫度最低處并不重合。

噴射供油較普遍采用，但對高DN 值的軸承，特別是對工作環境惡劣的軸承內環不能進行充分潤滑和冷卻。一般在噴嘴位置、噴射速度、供油壓力合理及回油通暢的前提下，噴射供油適用于DN 值小于2.5 × 106的軸承供油。在早期的發動機及一些預研試驗件中，因軸承轉速較低，軸承DN 值多低于2.5 ×106，噴射供油應用較為普遍。在筆者設計的試驗件中，后軸承DN 值較小，約1.8 × 106采用了噴射供油方案。

2 噴管供油

噴管供油，是指將滑油先經過噴嘴噴射到集油環等零件上，再通過細小的供油管路流入軸承，也有采用管子直接流入軸承的形式［6］。圖 2 所示，為一種滑油先通過噴嘴噴射到集油環，再通過管路流入軸承的噴管供油結構。

圖2 噴管供油示意圖

噴管供油由于滑油離開噴嘴進入供油噴管后，壓力急劇下降，同時因供油噴管跟隨外軸高速旋轉，在離心力的作用下滑油附著在供油噴管管壁，導致滑油流動性較差。

噴管供油在設計中應考慮以下主要問題：(1)適當加大噴嘴噴射流量；(2)適當加大供油噴管通流面積，避免節流；(3)因供油噴管隨外軸高速旋轉，可能帶來大量的攪動熱量，需要采用高溫耐熱合金；(4)注意供油噴管材料線膨脹系數與外軸、 軸承座材料線膨脹系數的匹配，避免材料變形導致供油噴管變形。同時，可以采用噴油流量標定試驗，即對不同壓力、不同流量噴嘴供油下，收集供油噴管出油流量，以確定最佳的噴嘴供油壓力和流量。

噴管供油適用于轉速較低的軸承，噴管供油對滑油壓力要求不高，因此需要適當加大噴嘴噴射流量。噴管供油主要用于軸間軸承潤滑。由于軸間軸承內、外圈同時旋轉，無法安裝噴嘴，所以噴管供油滿足了軸間供油的結構要求。渦噴7 發動機低壓壓氣機后支點是中介軸承，其軸承布局結構與圖2 相近。渦噴7 該軸承采用了噴管供油，主要考慮了該軸承處于內軸與外軸之間。

3 環下供油

環下供油，是指將滑油通過噴嘴噴射進入收油裝置，滑油在離心力作用下通過滑油通道進入軸承滾道。在DN 值較大，環下供油可以使軸承潤滑冷卻效果得到極大改善，而且進入軸承滾道的滑油很容易將保持架上磨下的粉末沖走，進而延長軸承壽命。在環下供油潤滑中，軸承內部油氣分布較噴射供油更為均勻，環下孔處的油體積分數為軸承內部周向油體積分數的極大值，在轉速達到一定值時，該現象將得到保持。

在啟動過程中因轉速較低，離心力不足以使滑油通道中的滑油甩入滾道，因此在啟動及轉速較低的工作條件下，環下供油對軸承的潤滑和冷卻效果不佳。

因環下供油屬于開式供油，斷油后供油通道中殘留的滑油在離心力作用下甩入軸承滾道，這樣使得環下供油軸承具有一定的抗斷油能力。

3.1 環下供油

如圖3 所示，環下供油結構包括供油噴嘴、收油裝置、滑油通道以及甩油環等零件和特征。收油裝置從滑油噴嘴處接收滑油并進入滑油通道，滑油通道由轉子零件組成。滑油在離心力的作用下經過軸承內圈供油孔，進入軸承并對軸承滾動體進行潤滑。

圖3 環下供油示意圖

進入軸承的滑油量與噴嘴噴出的滑油量之比，稱為環下供油系統的集油效率，影響集油效率的因素包括：(1)噴射角度、噴嘴數量、噴嘴周向安裝位置、噴嘴與收油裝置之間的距離，等噴嘴結構參數與噴嘴安裝結構參數；(2)供油壓力；(3)滑油通道各主要特征截面通流面積；(4)收油裝置結構等結構參數。其中，前三項因素對集油效率的影響較大［3］。

滑油通道由收油裝置與轉軸、軸承內圈構成，在設計與加工制造中主要考慮：(1)收油裝置與轉軸剛性連接，確保連接結構安全可靠；(2)具備防止滑油在工作狀態下沿軸向溢出的作用；(3)滑油通道截面應設計成圓弧形，確?；屯ǖ罆惩ǎ?4)沿滑油運動方向應設計成帶錐度的，以保證滑油加速流動；(5)需保證無節流現象，通道壁面光滑，無尖邊，一般要求機加工粗糙度不小于Ra0.8。

當收油裝置與轉軸之間的空間允許時，盡量將噴嘴布置在收油裝置內，其收油效率最高，可達100%。但該采用該結構形式時，需在噴嘴流路內設置控制滑油流量的節流孔，同時將噴嘴出口孔設計成截面較大的截面結構，從而達到降低噴嘴出口滑油噴射速度，避免滑油飛濺的目的。當收油裝置與轉軸之間的空間較小，不具備將噴嘴布置在該空間內的條件時，將噴嘴布置在距收油裝置端面一定距離的位置，噴嘴出口孔軸線應對準收油裝置與轉軸之間的間隙。試驗表明，當噴嘴出口孔與收油裝置端面距離分別為 1 mm，4 mm，8 mm，11 mm 時，以 11 mm 集油效率最高［2］。

燃氣渦輪發動機軸承腔或附件機匣均為采用干軸承腔原理為設計準則，一般需布置甩油環。甩油環能夠有效的防止滑油飛濺擴散，提高了滑油收集效率。此外，要求甩油環與轉軸剛性連接，確保連接結構安全可靠。

環下供油適用于高DN 值軸承供油，一般在軸承DN 值大于 2.5 × 106時應采用環下供油。CFM56 發動機止推軸承DN 值約2.5 × 106，其止推軸承的潤滑和冷卻采用了環下供油方案。在筆者設計的試驗件中，前軸承DN 值較大約2.6 × 106也采用了環下供油方案。

3.2 徑向收油環下供油

徑向收油環下供油是一種環下供油的特殊結構形式。圖4 是典型徑向收油環下供油示意圖，圖中收油裝置也稱為收油葉輪，由葉輪和槽道組成；葉輪上的槽道和轉軸組成滑油通道。葉輪隨轉軸一起做高速旋轉，當滑油由噴油嘴噴入到葉輪中時，一部分滑油隨著葉輪葉片的旋轉被收至滑油通道，通過軸承內環孔進入軸承滾道進行潤滑。

圖4 徑向收油環下供油示意圖

由于結構及工作環境的限制，徑向收油環下供油不可能將噴嘴噴出的潤滑油全部收入并送至軸承滾道，噴嘴噴射速度、轉軸轉速、葉輪葉型、槽道螺旋角是影響徑向收油環下供油收油效率的主要因素。(1)噴嘴噴射速度的增大，單位時間內的供油流量增大，但收油效率反而下降；(2)轉軸轉速的增加，收油效率增加，但當轉速增加到一定值后，收油效率開始降低；(3)采用平緩的葉輪葉型并增大葉片傾角，收油效率增加；槽道螺旋角的增大可以明顯提高收油效率。

徑向收油環環下供油應收油葉輪設計及制造難度較大，在成熟發動機中應用較少，多用于預研試驗件中。

4 結束語

軸承供油方式的選取和潤滑冷卻結構設計是確保軸承安全可靠運行的基礎。

傳統的供油方案，是在軸承一側或兩側向軸承滾動體和內圈縫隙供油。此供油方式的問題在于部分滑油被反射或飛濺，僅部分滑油能夠有效進入軸承，且在軸承DN 值較大時，滑油在離心力的作用下難以進入軸承內部，因而影響潤滑和冷卻效果。較之于傳統的軸承單側或雙側縫隙供油方案，環下供油能夠有效的將潤滑油送入軸承內部，充分潤滑軸承滾動體，帶走軸承熱量，可靠回油，保證軸承腔不積油?，F階段，隨著發動機轉速不斷增大，軸承DN 值不斷增大，環下供油技術因其良好的潤滑和冷卻效果，引起了較高重視，正逐步應用于先進燃氣渦輪發動機軸承的潤滑冷卻設計。

(1)在軸承DN 值較低時，噴射供油可以實現軸承的有效潤滑和冷卻，因噴射供油結構簡單，在低DN 值時可以作為優選的供油方式。

(2)噴管供油常用于轉速較低的軸間軸承潤滑和冷卻。

(3)環下供油作為一種軸承潤滑冷卻方案，實現高DN 值、高負荷軸承的使用要求，提高滑油的潤滑冷卻效率。滑油可以直接進入有效潤滑區域，供油效率高，潤滑、冷卻效果好。