航空發動機滑油噴嘴尺寸敏感性仿真分析

劉晨昊 ，焦自濤 ，信 琦

（1.中國航發沈陽發動機研究所，2.中國航發航空發動機動力傳輸重點實驗室：沈陽 110015）

0 引言

滑油系統是航空發動機的重要組成部分，其功能是向發動機的機械傳動部件如軸承和齒輪提供潤滑，并帶走工作產生的熱量和雜質。潤滑油具有循環使用的特點，滑油系統的正常運行直接關系著發動機能否健康工作[1-3]。一般通過系統油供油壓力和溫度等參數來判斷其工作是否正常。某型航空發動機滑油系統為全流量供油系統[4-6]，系統不設置調壓活門等裝置對滑油進行溢流，滑油的流量和系統的供油壓力隨發動機的高壓轉速升高而升高[7-8]。系統的供油壓力不僅由供油泵的性能、滑油溫度水平、軸承腔反壓決定，滑油系統各個噴嘴的尺寸大小也直接影響其供油壓力[9-10]。在發動機生產加工中，廠家根據給定的壓力、溫度和流量要求加工噴嘴的孔徑，上述要求均給定了一定范圍，因此實際加工出的噴嘴孔徑不完全一致。其會直接影響滑油系統正常工作壓力范圍。

近年，國內外對航空發動機滑油系統開展了系統級的仿真分析[11-12]。Glahn 等[13]利用PDPA 與數值模擬的方法開展航空發動機軸承室內油滴流動仿真研究；Flouros等[14]開展了發動機通風及回油管路兩相流數值模擬。而對滑油系統壓力評估的方式主要為運用流體仿真計算軟件對系統的壓力和流量分配進行仿真計算。FLOWMASTER 是應用比較廣泛的熱流體系統仿真軟件，以其高效的計算效率、精確的求解能力、便捷快速的建模方法而廣泛應用[15]。李靜等[16]利用FLOWMASTER 軟件對航空發動機內部的供油潤滑冷卻系統的流量分配和壓力分布問題進行計算；楊純輝等[17]對4G6 發動機潤滑系統基本結構建立了潤滑系統1 維仿真計算分析模型；蘇媛媛等[18]對某型發動機的供油系統進行了計算，評估了系統壓力和各處噴嘴流量分配。重點對系統中調壓活門和調壓差活門的溢流特性、壓力與流量的關系進行仿真分析。

本文通過仿真軟件，在供油泵的性能、滑油溫度等參數相同的情況下，針對不同的噴嘴尺寸公差，評估全流量滑油系統的供油壓力變化大小。分析了滑油系統噴嘴尺寸對滑油系統供油壓力敏感性特征，用于評估噴嘴的尺寸大小和公差范圍的合理性，以及對滑油系統供油壓力的影響范圍。完善影響滑油供油系統性能影響因素的分析工作。

1 滑油系統介紹

某型航空發動機滑油系統采用正向循環式系統[10]，系統未設置調壓活門，滑油泵泵出的滑油全流量供給到各個潤滑部位。供油系統分3 路，滑油泵從滑油箱內泵油，泵出的滑油分別供至前軸承腔、后軸承腔、附件機匣；回油系統分3 路，每一路設置1 級回油泵，分別將供至前軸承腔、后軸承腔、附件機匣中的滑油抽回，最后匯成1 路通向燃滑油散熱器最終回到滑油箱。滑油系統原理如圖1所示[2]。

圖1 潤滑系統原理

滑油系統的潤滑部位包括發動機主軸承、中央傳動齒輪、中央傳動小軸承、附件機匣和轉接齒輪箱。上述潤滑部位共有噴嘴16 處，加工完后需進行噴嘴流量檢查試驗。

2 噴嘴流量檢查方法

根據《某型發動機噴嘴流量檢查說明書》，上述噴嘴在加工完后需進行噴嘴流量檢查試驗，按照規定的溫度、壓力要求實測噴嘴的流量，必要時調整噴嘴的孔徑以滿足流量要求。發動機各處噴嘴（節流嘴）的流量要求見表1，噴嘴滑油型號、溫度、壓力參數見表2。

表1 噴嘴流量要求 L/min

表2 噴嘴滑油型號、溫度、壓力 kPa

由于在進行流量檢查試驗時系統的溫度、壓力和流量均有公差，因此存在與系統供油參數匹配噴嘴的特定公差要求。而噴嘴的尺寸影響了系統的整體壓力水平。通過計算在流量試驗要求的上限或下限條件下進行流量試驗時噴嘴極限尺寸，并對系統的壓力進行評估。

3 噴嘴尺寸敏感性計算分析

3.1 仿真計算方法

根據流體的流動特性，在噴嘴流量檢查試驗時，壓力越高、溫度越低、所要求的流量越大，得到的噴嘴孔徑越大；相反試驗時，壓力越低、溫度越高、所要求的流量越小，得到的噴嘴孔徑越小。因此運用FLOWMASTER 軟件對噴嘴流量試驗的噴嘴模型進行搭建，通過給定最高壓力、最低介質溫度和最小流量，仿真計算得到噴嘴最大孔徑。通過給定最低壓力、最高介質溫度和最大流量，仿真計算得到噴嘴最小孔徑。

并分別以最大和最小孔徑模型搭建系統的仿真模型，評估給定狀態下系統的最低和最高壓力水平。以得到噴嘴尺寸對系統壓力的敏感性特征。

3.2 帶噴嘴的部件模型搭建

3.2.1 模型搭建

運用FLOWMASTER 軟件搭建了某型發動機所有帶噴嘴的部件的模型，共計16 個，噴嘴仿真模型如圖2～9所示。

圖2 噴嘴1仿真模型

圖3 噴嘴2仿真模型

圖4 噴嘴3仿真模型

圖5 噴嘴4～6仿真模型

圖6 噴嘴7～11仿真模型

圖7 噴嘴12仿真模型

圖8 噴嘴13仿真模型

圖9 噴嘴14～16仿真模型

3.2.2 邊界條件

計算用最大、最小孔徑計算邊界條件見表3、4，為了與真實情況更接近，在仿真過程中選用的介質參數與實際流量檢查用油保持一致。

表3 最大孔徑計算邊界條件

表4 最小孔徑計算邊界條件

3.2.3 噴嘴尺寸計算結果

計算得到最大噴嘴尺寸見表5，最小噴嘴尺寸見表6。

表5 最大孔徑仿真結果

表6 最小孔徑仿真計算結果

3.2.4 孔徑計算結果與試驗結果對比

為了驗證仿真模型的準確性，選擇發動機所有噴嘴出廠試驗的實際數據與計算結果進行了對比，計算結果與發動機實測值如圖10 所示。噴嘴的結構尺寸在合理的數量級范圍，計算模型可用于進行系統計算分析。

圖10 計算結果與發動機實測值

3.3 系統壓力敏感性計算

3.3.1 系統模型建立

根據第3.2 節的計算模型，按照某型航空發動機的實際結構形式，利用管路、油濾等模型將所有噴嘴連接，搭建了整個供油系統的計算模型，系統仿真模型如圖11所示。

圖11 系統仿真模型

3.3.2 計算結果

在系統模型中分別設定各處噴嘴尺寸為3.2.3 節計算的最大孔徑和最小孔徑，分別計算了地面慢車、巡航和地面最大3 個狀態的系統壓力，3 個狀態下的計算邊界參數見表7，最大孔徑和最小孔徑系統壓力水平計算結果如圖12所示。

表7 系統計算邊界參數

圖12 系統壓力計算結果

從圖中可見，在地面慢車狀態最大孔徑下系統壓力為185 kPa，最小孔徑下系統壓力為242 kPa，壓力變化值為57 kPa；地面最大狀態最大孔徑下系統壓力為378 kPa，最小孔徑下系統壓力為508 kPa，壓力變化值為130 kPa。

由于滑油系統的供油壓力還受到滑油泵組的效率和發動機高壓轉速的影響，只計算了噴嘴孔徑對系統壓力的影響，故在本次計算中給定了相同的滑油泵參數，不考慮發動機高壓轉速、滑油泵效率之間的差異影響。

4 結論

（1）某型發動機噴嘴流量檢查試驗的公差對噴嘴尺寸影響范圍為0.06～0.15 mm。

（2）噴嘴尺寸對供油系統壓力影響的敏感性隨發動機的狀態升高表現得更明顯。在相同的地面慢車狀態下，某型發動機噴嘴的公差導致滑油系統壓力的差異約為57 kPa，在地面最大狀態噴嘴的公差導致滑油系統壓力的差異約為130 kPa。

（3）通過FLOWMASTER 軟件對滑油系統噴嘴進行了仿真計算，得到了不同孔徑下的噴嘴模型對系統壓力的敏感性特征最大為130kPa，即極限噴嘴尺寸狀態下不同批次發動機滑油系統的試車參數差異最大可達130 kPa。

（4）噴嘴的公差尺寸對系統壓力的影響范圍跨度較大，在進行流量試驗時建議縮小壓力、溫度和流量的公差范圍，減小噴嘴尺寸的差異，以減小噴嘴孔徑對系統壓力的影響。