航空發動機及附件油封設備的設計技術研究

吳金鐘 艾延廷 陳英濤 田 晶

1.沈陽航空航天大學航空發動機學院 遼寧沈陽 110136；2.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 遼寧沈陽 110046；3.遼寧省航空推進系統重點實驗室 遼寧沈陽 110136

發動機的油封是指將油封油液注入并充滿發動機燃油系統，從而防止系統部件表面產生銹蝕導致系統故障。而發動機油封設備是實現發動機及附件油封、保證發動機系統正常工作的重要地面設備[1]。如某民用航空發動機的使用說明書和維護工藝規程規定：“發動機在系統燃油放盡超過48小時、使用壽命耗盡，需要返廠翻修等情況下，必須對燃油系統內部進行裝機油封[3]”。因此，發動機的油封是保證發動機正常工作的重要環節。本文主要是為解決對航空發動機及附件油封問題，提出了一種地面油封設備的設計技術。研制一種具有結構緊湊、操作簡單、可移動便捷性等新型油封設備，具有一定的實際應用意義。

1 多功能油封設備總體設計方案

1.1 油封設備的基本工作原理

油封設備由除油系統、增壓系統、油封油脫水系統、控制系統組成[6]，基本的工作示意如圖1所示。首先通過充氣導管將氮氣瓶與充氣接頭連接并向油封裝置供氣，氮氣經過減壓后進入燃油系統各子系統以除盡發動機內燃油，然后將脫水后的油封油增壓后通過外部導管輸入發動機燃油系統，從而進行發動機內部油封。

圖1 油封設備工作示意圖

1.2 油封設備的設計要求

(1)考慮到將油箱和控制設備整合在一個箱體內，箱體可能會過于龐大，因此，將設備分為可移動式工作臺和電氣控制箱。

(2)設備載體采用全金屬結構框架支撐的箱體，其中前后兩側的門可以自由開關，方便設備維護。箱體內部裝有油封油箱、管路連接系統、電源系統及電氣控制系統等。

(3)采用集成油路技術。將復雜的管路設計成油路集成塊，將電磁閥、溢流閥均安裝在油路集成塊上，減小油封裝置的體積和重量。

(4)按照工作壓力范圍和消耗油量合理制定液壓平臺油箱體積，齒輪泵流量和電機的功率以滿足最小體積設計。

1.3 油封設備的技術要求

(1)設備外形尺寸(不大于)：長×寬×高=800×600×1000(mm)；

(2)重量：小于200kg；

(3)工作油濾精度5μm；

(4)滑油清潔度優于GJB420A-96 7級；

(5)工作油壓力調節范圍：0～2.5MPa；

(6)工作油流量調節范圍：0～15L/min；

(7)非工作狀態時為-55℃～+70℃，工作狀態時為-40℃～+55℃；

(8)安全活門工作壓力為2.5MPa；

(9)可靠性：MTBF≥1000小時，符合GJB 450的規定；

(10)安全性：符合GJB 900的規定。

2 油封設備機械的系統設計

油封裝置主要包括工作平臺、電動機、油泵、溢流閥、氮氣減壓器、加熱和溫控裝置、電器控制元和相關管路。這里只重點介紹機架結構設計及強度校核仿真。

2.1 機架結構設計

油封裝置的機架起著關鍵作用，油封裝置的機架選用了304不銹鋼，同時油封裝置的機架通過鈑金件的沖壓和鍛造形成，相互之間通過焊接而成，結構要求較簡單，生產周期較短。需要分析機架結構的載荷情況，包括機架本身的重量、裝配組合體的設備重量及設備運轉時的動載荷情況等。

2.2 機架結構的仿真校核計算

發動機附件常常需要臨時放置在漏油板上進行檢查和試驗，為校核漏油板是否能夠安全可靠工作，需要對漏油板等關鍵部位進行結構強度分析和校核。根據前述的附件的質量一般不大于30Kg，有限元靜力學分析時按總載荷294N的載荷均布施加在漏油板上，在機架底板處施加位移約束，材料采用304不銹鋼。進行有限元計算獲得的計算顯示為整個漏油板最大應力為86.5MPa，根據304的室溫下屈服應力為205MPa。附件放置在漏油板上，一般過載程度也較小，其安全系數可取1.5(機械設計手冊建議值)。因此，可以計算得到其設計許用應力：

(1)

因此，漏油板安全判定準則為：

σmax<[σ]

(2)

根據計算的最大應力為86.5MPa，小于許用應力136.7MPa，說明漏油板結構滿足強度要求。

3 油封設備油路系統設計

3.1 油路系統的工作原理

油封裝置的油路系統主要包括油液供應系統、油液調節系統、管路等。在油封之前需要提前運轉油封裝置，使油封滑油處于預工作狀態，當需要對發動機或發動機附件進行油封時，在油封電氣系統控制下，低壓電磁閥和低壓溢流閥以及循環電磁閥關閉，高壓電磁閥和油封電磁閥同時打開。油箱內的油封滑油首先通過增壓泵進行增壓，然后將所需的油封滑油經油濾、油封電磁閥、單向活門進入發動機的燃滑油系以及需要油封的附件，多余的滑油經高壓電磁閥和高壓溢流閥流回至油箱循環使用。當出現某種原因例如滑油濾堵塞、電磁閥故障等導致液壓泵后的共有壓力突增，超過設定閾值時，油封電氣系統會將安全溢流閥打開，液壓泵后的油封滑油會經安全溢流閥回流至滑油箱，起到保護作用。

3.2 油路系統仿真計算

根據3.1節所介紹的油封裝置工作原理，應用Amesim液壓系統仿真軟件對供油系統的兩種工況進行仿真，其中包括穩態仿真和非穩態仿真。

3.2.1 參數仿真的選取

根據前面的設計參數選取適合的仿真參數：

(1)油箱：已知整個回路的額定壓力為0.5MPa，暫取工作壓力為0.3MPa，工作溫度為55℃。

(2)齒輪泵：額定轉速為1440r/min，額定排量為18.7mL/min。

(3)安全溢流閥：工作壓力設置為1.2MPa，在油封電磁閥未打開時，可防止回油壓力過高；在油封電磁閥打開時，可防止因局部零部件故障時造成的系統供油壓力過大的問題。

(4)低壓溢流閥以及低壓電磁閥：低壓電磁閥是一個開關閥，當壓力到達低壓溢流閥工作壓力后，低壓回路開始工作。

3.2.2 穩態工況仿真

根據油封裝置油路系統的原理，設計穩態工況下的仿真回路如圖2所示，該圖未設計氮氣除油的仿真，因此在供油仿真設計中將氮氣除油及開啟油封裝置預熱的時間統一設置為10s。

圖2 穩態回路仿真

此時電機轉速恒定，前10s僅有回油路工作，壓力較低，10s后開啟油封電磁閥，由于存在油濾以及出口給發動機供油存在節流作用，會使得系統壓力上升。從泵后壓力圖3中可以看出，供油時的壓力為1.1MPa時，未到達溢流閥的工作壓力，因此溢流閥的流量始終為0，如圖4所示。此時低壓回油路并未開始工作，這是由于回油時系統壓力并未到達使低壓溢流閥開啟的工作壓力，只有循環回油路工作，因此，泵的流量Q=回油流量Q2=循環回油量Q4=循環電磁閥后回油量Q5。

圖3 液壓泵后壓力

圖4 通過安全溢流的閥流量

3.2.3 非穩態工況仿真

在油封裝置實際工作時，由于加熱不均勻，滑油部分結焦或雜質過多導致油濾堵塞，此時安全溢流閥會打開泄壓。為了仿真這個工況，在油濾前添加一個節流閥，減小出口節流閥開度來模擬油濾的堵塞。在14s時將油濾前節流閥開度降低50%，即開度信號從0.1降到0.05。持續2s之后即到16s時，恢復初始開度，即從0.05恢復到0.1。

從泵后壓力圖5看出，在14s時節流閥開度降低，壓力上升到1.2MPa以上，此時再從溢流閥流量圖6可以看出通過溢流閥的流量，到16s以后，節流閥恢復到初始開度，壓力隨之降低到1.2MPa以下，此時溢流閥流量變為0，如圖7所示。在14s時溢流閥流量由0瞬時上升時，供油流量也隨之下降，但高壓回油流量也隨溢流閥流量上升，如圖8所示。此時溢流閥流量增量加高壓回油路流量的增量等于供油路流量的減小，即泵后供油流量變化量ΔQ1=通過安全溢流閥流量ΔQ3+通過高壓溢流閥流量ΔQ8。

圖5 液壓泵后壓力

圖6 供油流量

圖7 通過安全溢流閥流量

圖8 通過高壓溢流閥流量

4 結論

本文根據發動機的油封原理及實際工程需要，提出一種結構緊湊、操作簡單、可便捷移動的新型油封設備的總體設計方案，包括總體設計要求和技術要求。重點對油封裝置的油路系統進行研究，并通過仿真計算，驗證了油封設計方案的可行性。可以得出：本文設計的可便攜移動的油封裝置能夠根據航空發動機所處的飛機裝機狀態，靈活實現在地面或飛機上對發動機及其附件進行內部油封，滿足了航空發動機對油封裝置設備的可移動性、輕便性、操作簡便和效率高等需求。