航空發動機中介軸承流場與潤滑影響因素分析

公平，陳雪騎，于慶杰，王雙

(1.中國航發哈爾濱軸承有限公司 研發中心，哈爾濱 150025；2.北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京 100191)

隨著航空發動機大推重比、高可靠性、高耐久性、低耗油率和低成本的發展，作為航空發動機關鍵部件的主軸軸承的工作條件也變得越來越苛刻[1-2]。主軸軸承在高速、高溫和受力復雜的條件下運轉，其質量和性能直接影響發動機的性能、壽命和可靠性。目前航空發動機主軸軸承主要采用環下供油孔輸油的潤滑方式，與傳統噴油潤滑方式相比更能實現高效潤滑，提高軸承的潤滑效率[3]。因此，有必要對航空發動機主軸軸承環下供油流道中潤滑油的流動特性進行分析。

中介軸承是一類特殊的內外圈同轉或反轉的航空發動機主軸軸承，目前關于中介軸承環下潤滑的研究較少：文獻[4]研究了中介軸承潤滑系統中導流板孔數、回油槽數、回油孔數對潤滑狀態的影響，結果表明導流板孔數的增加使導流板孔、回油槽及回油孔處的潤滑油流量增大，而回油槽數、回油孔數和直徑的增加只增加各自所在處的潤滑油流量；文獻[5]提出了葉扇/環下油孔組合新結構能提高軸承潤滑性能；文獻[6]研究發現安裝外圈進油擋板有利于增加軸承腔的供油量和腔內潤滑油的儲存量；文獻[7]提出環下供油孔流通狀態時序分析方法，結果表明所提出的潤滑油流動分析法更符合工程實際應用。但上述研究未從中介軸承設計角度詳細分析潤滑油在軸承引導間隙處的流動特性以及引導間隙對軸承潤滑的影響。

本文以某航空發動機4#中介軸承為研究對象，采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)有限元技術分析潤滑油在軸承內部各間隙的流動特性以及工作狀態下流體域內潤滑油的壓力分布。

1 中介軸承潤滑結構

目前航空發動機中介軸承常見的一種潤滑結構是軸承輸油孔位于滾子下方，潤滑油從輸油孔噴出后先潤滑滾子下表面，然后通過擋邊間隙、兜孔間隙潤滑滾子端面及外表面，如圖1所示。

圖1 輸油孔位于擋邊上的潤滑結構Fig.1 Lubrication structure with oil delivery hole on rib

2 流體域模型的建立

2.1 模型簡化

中介軸承固體域模型的局部示意圖如圖2所示，固體域的空腔內形成了流體域。

圖2 中介軸承固體域模型的局部示意圖Fig.2 Local diagram of solid domain model of intermediate bearing

中介軸承內的主要潤滑結構設計(如兜孔間隙、引導間隙、輸油孔直徑等)直接影響中介軸承流體域內潤滑油的流場分布及油膜的形成質量，因此，在模型簡化時需保留上述關鍵間隙，并且在局部加密流體網格，以保證計算結果符合實際工況。

在上述原則基礎上，為在有限元網格劃分時減少單元數量和優化網格質量，可以對流體域模型進行簡化。

2.1.1 非關鍵壁面簡化

工作狀態下潤滑油潤滑中介軸承時并非充滿整個流體域，在離心力的作用下流體域內會出現空腔，這些空腔下方壁面的形狀不會影響潤滑油流場的分布，可適當簡化該區域的壁面形狀，簡化前后中介軸承截面如圖3所示。

圖3 模型簡化前后中介軸承截面示意圖Fig.3 Cross section diagram of intermediate bearing before and after model simplification

2.1.2 倒角結構簡化

保持架內外徑倒角及內外圈安裝倒角尺寸較小，在有限元仿真過程中對計算結果影響較小，在簡化過程中可去掉，中介軸承流體域簡化模型如圖4所示。

圖4 中介軸承流體域簡化模型示意圖Fig.4 Diagram of simplified fluid domain model for intermediate bearing

2.2 流體域有限元網格劃分

中介軸承流體域有限元網格劃分示意圖如圖5所示，共包括413 116個2D單元，7 190 874個3D單元和2 111 634個節點，其中3D單元以四面體非結構網格為主，只在壁面處使用六面體結構網格以提高對流體壁面邊界層流動計算的精度。

圖5 中介軸承流體域有限元網格劃分(整體結構)Fig.5 Finite element meshing for fluid domain of intermediate bearing (integral structure)

2.3 計算邊界條件

假設軸承套圈同向旋轉，外圈絕對轉速ne=14 000 r/min，內圈絕對轉速ni=3 000 r/min，保持架絕對轉速nc=9 076 r/min，不考慮滾子自轉，即滾子與保持架之間保持相對靜止，僅作公轉運動。

其中，進口邊界條件為流體靜壓與大氣壓相同，即潤滑油僅在離心力作用下潤滑軸承，進口處沒有供油壓力和流量限制，潤滑油從內圈無安裝結構一側流出。仿真計算為穩態計算，僅考慮某一時刻軸承內潤滑油的流場分布。實際工作環境下潤滑油不會充滿整個流體域，中介軸承內同時有潤滑油和空氣兩相流體，需要采取多相流體模型計算分析。

采用合成潤滑油冷卻、潤滑中介軸承，流體域內剩余部分為空氣，為簡化分析，現假設流體域內部流體溫度保持均勻一致，均為190 ℃，可查得該溫度下潤滑油、空氣的物理性質見表1[8]。

表1 兩相流各組分物理性質Tab.1 Physical properties of each component of two-phase flow

3 軸承內潤滑油流場及分布

有限元仿真結果表明在離心力的作用下，潤滑油經輸油孔噴到滾子下表面后分成3條流路分別潤滑軸承的不同零件，最終在軸承外圈內表面匯集并排出軸承。軸承內潤滑油流動方向如圖6所示：流路A的潤滑油流經兜孔周向間隙，潤滑滾子圓柱面和保持架過梁；流路B的潤滑油流經兜孔軸向間隙，潤滑滾子端面和保持架側梁；流路C的潤滑油首先流經保持架與內圈引導間隙，形成油膜托起保持架，然后在離心力的作用下沿著保持架側梁外側被甩離保持架。潤滑油實際流動情況如圖7所示。

圖6 軸承內潤滑油流動方向示意圖Fig.6 Flow direction diagram of lubricating oil in bearing

圖7 潤滑油流動仿真結果Fig.7 Lubricating oil flow simulation results

由圖7可知各條流路以及外圈內表面潤滑油匯集區的分布情況，其中，由于潤滑油噴出后先擊中滾子下表面，所以圖7中可以看到滾子下表面潤滑油分布較多，潤滑較好，而引導間隙進油量較小，未能形成完整的油膜。

流路A和流路B在兜孔的周向間隙和軸向間隙內流動時主要為徑向流動，與自身受到的離心力處于同一平面內，這兩條流路中潤滑油流動的主要驅動力為潤滑油受到的離心力；而流路C中潤滑油在引導間隙內流動時主要為軸向流動，流動平面與受到的離心力方向垂直，運動的主要驅動力為間隙進出口的靜壓力差。

流路A和流路B均為徑向流動，圖8中僅以流路B替代徑向流動，在引導間隙的入口N點處，潤滑油分B，C兩條流路。流路B由于運動方向與原流路以及離心力方向平行，在離心力的驅動以及原流路的慣性作用下，原流路的大部分流體將會進入軸向間隙，形成流路B；而流路C運動方向與原流路以及離心力方向垂直，驅動力只有引導間隙進出口N點與M點的靜壓力差，所以，只有少量潤滑油會進入引導間隙。

圖8 潤滑油流動截面示意圖Fig.8 Flow section diagram of lubricating oil

根據上述分析可知，大部分潤滑油向徑向流動，并在離心力和慣性驅動下在軸向間隙內流動，其流量的大小主要受輸油孔噴油流量、總壓、兜孔的軸向和周向間隙以及離心力大小的影響；軸向流動的流量主要受引導間隙進出口N點與M點之間靜壓差的影響，而M點與外界大氣連通，靜壓保持一定，所以潤滑引導間隙的潤滑油流量主要受N點靜壓的影響，而在一定的靜壓下進口面積越大進入引導間隙的潤滑油越多。

4 輸油孔直徑對軸承總輸油量的影響

增加輸油孔數量可線性增加總輸油量，并且使軸承各零件的潤滑更均勻。

在保持輸油孔數量不變的條件下，可通過施加上文提到的計算邊界條件得到不同輸油孔直徑對軸承總輸油量的影響(表2)。輸油孔直徑由1.00 mm變為1.25 mm時，總輸油量增大了46.75%，輸油孔直徑由1.00 mm變為1.50 mm時，總輸油量增大了85.06%，所以，增加輸油孔直徑對總輸油量的增加效果較為明顯。

表2 輸油孔直徑對軸承總輸油量的影響Tab.2 Influence of diameter of oil delivery holes on total oil delivery of bearing

5 保持架潤滑效果的影響因素

由于保持架可能會與內圈引導面、滾子之間發生碰撞，造成軸承零件的磨損，從而降低軸承壽命，因此重點分析潤滑油對保持架的潤滑效果及其影響因素。

5.1 潤滑效果評估參數

保持架潤滑效果分為引導間隙油膜質量和保持架浮動穩定性2個方面。

5.1.1 引導間隙油膜質量

電地暖以其節能、環保、舒適、健康等特點，迅速進入采暖市場，取得了人們的認可。電地暖以其優于水地暖的多項優勢，占據了大部分地暖市場的份額，再加上天燃氣的不斷漲價，電地暖作為節能舒適的采暖方式取代傳統采暖的趨勢已經不可逆轉。

引導間隙油膜質量是衡量工作狀態下引導間隙油膜托舉保持架的能力。衡量指標有：油膜上下表面總壓差、引導間隙絕對進油量、引導間隙相對進油量和引導間隙總油氣比等。

較高的油膜上下表面總壓差表明油膜可以有效托起保持架，阻止保持架與內圈引導面之間發生碰撞。

引導間隙絕對進油量表示進入引導間隙的潤滑油流量，該值越大表明引導間隙內潤滑油流量越高，對保持架的潤滑效果越好；引導間隙相對進油量表示進入引導間隙內潤滑油流量占總輸油量的比例，較高的相對進油量表明軸承內流場更有利于對保持架的潤滑。

由于仿真計算只考慮了穩態情況下軸承引導間隙總壓的分布情況，而實際工作環境下隨著保持架位置的移動會壓縮其間的油氣混合物，該油氣混合物中的空氣部分則會在保持架的壓縮移動過程中擠壓變形，無法起到托起保持架的作用。因而除了引導間隙總壓分布外，引導間隙總油氣比也會影響保持架的潤滑效果，引導間隙總油氣比較高表明引導間隙內油氣混合物抗壓能力較強，對保持架有較好的托舉作用。

5.1.2 保持架浮動穩定性

保持架浮動穩定性是保持架發生微小位移時受到油膜回復力的大小。實際工作環境下，由于引導間隙內油膜的上表面存在壓力梯度，當保持架與滾子碰撞發生微小位移時，在壓力梯度的作用下會產生與位移方向相反的回復力，所以，油膜上表面壓力梯度越高，則回復力越大，保持架的穩定性越好。

5.2 當量輸油量

(1)

式中：Vr為單個輸油孔的實際輸油量；V0為原設計點的單個輸油孔輸油量。

不同當量輸油量下軸承引導間隙油膜總壓分布的示意圖如圖9所示，圖中的徑向距離為保持架距套圈引導面的距離，引導間隙內油膜上下表面之間的總壓差均為2.5 MPa，油膜形成質量較好。當量輸油量較高時，油膜上表面位置的總壓梯度相對較大，表明保持架發生微小位移時，在油膜壓差作用下會有較大的油壓使保持架復位，從而保證保持架有較好的穩定性。

圖9 不同當量輸油量下軸承引導間隙油膜總壓的徑向分布Fig.9 Radial distribution of total pressure of oil film in guiding clearance of bearing under different equivalent oil delivery

不同當量輸油量對保持架潤滑的影響見表3，由表可知，隨著當量輸油量的增加，引導間隙進油量、油膜上表面壓力梯度以及引導間隙總油氣比迅速提高，表明增大當量輸油量改善了引導間隙油膜質量，增加了保持架運動的穩定性。而引導間隙相對進油量的提高則說明輸油孔噴油量提高改變了軸承內潤滑油的流動形式，更有利于保持架的潤滑，原因為輸油孔噴油量較高時，潤滑油無法直接通過徑向流路，而是在徑向流路入口位置附近停滯，流速放緩，使靜壓升高，從而進入引導間隙內潤滑油的流量增加。

表3 不同當量輸油量對保持架潤滑的影響Tab.3 Influence of different equivalent oil on cage lubrication

不同當量輸油量下油氣比分布如圖10所示，由圖可知，當量輸油量較小時潤滑油主要附著于滾子表面，并在離心力的作用下快速進入軸向間隙；而當量輸油量較大時潤滑油已經充滿整個徑向流路，由于徑向流路流通能力有限，從而導致潤滑油在入口位置停滯，流速放緩和靜壓升高。

圖10 不同當量輸油量下油氣比分布Fig.10 Distribution of gas-oil ratio under different equivalent oil delivery

5.3 引導間隙對潤滑的影響

引導間隙分別為0.2，0.4 mm時，不同當量輸油量對引導間隙潤滑油總壓分布的影響如圖11所示，由圖可知，當引導間隙由0.2 mm變為0.4 mm后，油膜上下表面的總壓差由2.5 MPa變為0.5 MPa，油膜形成質量較差，無法有效阻止保持架與內圈的直接碰撞，有可能引起保持架與內圈的磨損。

圖11 引導間隙對其間油膜總壓分布的影響Fig.11 Influence of guiding clearance on total pressure distribution of oil film

此外，可以利用邊界條件計算得到引導間隙對潤滑油參數的影響,結果見表4，引導間隙的大小對進入軸承內的潤滑油流量幾乎沒有影響，但引導間隙過大導致保持架與引導面之間的空間變大，使油氣比大幅降低，不僅會導致油膜上下表面總壓差較低(降低80.0%)，也會導致油膜內空氣含量較高(引導間隙總油氣比下降71.7%)，從而無法保證對保持架的潤滑效果。

表4 引導間隙對潤滑油參數的影響Tab.4 Influence of guiding clearance on parameters of lubricating oil

6 結論

針對航空發動機中介軸承保持架潤滑效果評估的問題，利用有限元分析技術開展了軸承油氣兩相流動分析，重點分析了軸承內潤滑油分布特性及不同因素對保持架潤滑效果的影響，得到以下結論:

1)軸承保持架潤滑效果對單個輸油孔的輸油量較為敏感。增大單孔噴油量可以增加引導間隙內潤滑油，改善軸承內潤滑油流場，有利于對保持架的潤滑，增大單孔噴油量可以通過增加輸油孔直徑實現。

2)引導間隙的大小對進入到軸承內的潤滑油流量幾乎沒有影響，但是引導間隙過大無法保證對保持架的潤滑效果。