某航空發動機軸承環下供油結構的潤滑油收集率試驗

黎建濤，劉鵬，雷浩偉，徐金超，張言偉

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.空軍裝備部駐洛陽地區第二軍事代表室，河南 洛陽 471000)

航空發動機的供油系統為支承轉子的軸承和提取功率的齒輪等供應適量潤滑油，減少各部件間的摩擦和磨損并及時帶走產生的熱量[1]。目前航空發動機主軸軸承的潤滑方式主要有環下潤滑和噴射潤滑，環下潤滑比噴射潤滑更適合高轉速和工作時產生較多熱量的軸承，廣泛使用于高dn 值的航空發動機主軸軸承潤滑中[2]。

環下供油指潤滑油由噴嘴噴出，用集油套(或集油螺母)收集，通過軸承內圈的徑向孔，靠離心力甩入軸承內腔[3-5]。受供油結構和空間的限制，環下供油噴出的潤滑油不會完全供給軸承，總有一部分因飛濺、反射而流失[6-8]，將進入軸承內圈的油量與總供油量的百分比稱為潤滑油收集率。

本文研究的軸承環下供油結構受發動機結構的影響，潤滑油入射點無法位于集油槽內側，造成潤滑油收集率下降，軸承的潤滑和冷卻效果不良，進而影響軸承的使用壽命。因此，需要對該環下供油結構潤滑油收集率進行分析，為軸承在航空發動機的供油結構優化設計提供試驗依據。

1 試驗

1.1 試驗設備

根據試驗軸承結構尺寸及轉速、載荷、潤滑等試驗條件，使用自研的航空發動機軸承試驗機進行潤滑油收集率試驗。該試驗機專用于中小型航空發動機軸承試驗，最高轉速可達50 000 r/min，適用于內徑為10～60 mm 的球軸承和滾子軸承，先后完成的發動機主軸及其軸承試驗累計數萬小時，設備性能穩定、可靠。

1.2 試驗方案

潤滑油收集率試驗工裝結構如圖1所示，采用簡支梁結構，試驗軸承放置在右支點，通過密封套將試驗軸承油腔與陪試軸承油腔隔開，驅動電動機通過柔性聯軸器與試驗主軸連接，提供試驗所需轉速。

1—柔性聯軸器；2—左襯套；3—左支點陪試軸承；4—徑向加載陪試軸承；5—徑向加載活塞；6—徑向加載陪試軸承襯套；7—密封套；8—右襯套；9—試驗軸承；10—集油螺母；11—噴油體；12—收油腔1；13—收油口1；14—收油口2；15—收油腔2。

試驗過程中高溫潤滑油經噴油體噴出，飛濺至集油螺母的集油槽內，在試驗軸承高速運轉過程中，潤滑油在離心力的作用下，通過集油螺母油孔及內圈油孔進入軸承內部，實現對軸承的潤滑。油嘴孔徑、環下供油結構間的相互位置等均與航空發動機一致。集油螺母及軸承內圈結構分別如圖2、圖3所示。

圖2 集油螺母結構

圖3 軸承內圈結構

收油腔分為2個獨立腔體，經供油體噴射的潤滑油一部分因飛濺、反射而流失，流失的潤滑油進入收油腔1，通過收油口1 收集未進入軸承的潤滑油，記為Q1；另一部分潤滑油經集油螺母，從環下進入軸承，從軸承兩側匯集到收油腔2，通過收油口2 收集進入軸承的潤滑油，記為Q2。該環下供油結構潤滑油收集率η為

試驗潤滑油通過實驗室專用量筒測量，為保證測試精度，試驗時待每個狀態穩定后再進行潤滑油收集，每次收集時間為1 min，每個狀態下收集3次取平均值。

1.3 試驗條件

航空發動機軸承環下供油結構比較復雜，影響潤滑油收集率的因素較多，影響較大的因素為轉速n、供油壓力p、噴油位置等。噴油位置示意圖如圖4 所示，由噴射角度θ 及噴射距離L確定。

圖4 噴油位置示意圖

本文主要研究該航空發動機典型工況下的供油壓力、轉速、噴射角度、噴射距離對環下供油結構潤滑油收集率的影響，試驗條件見表1，其中轉速為客戶要求的。試驗過程中供油溫度為(90±2) ℃。

表1 試驗條件

2 試驗結果及分析

2.1 轉速、供油壓力對潤滑油收集率的影響

試驗過程中，噴射角度(32°)及噴射距離(11.2 mm)保持不變，不同轉速及供油壓力下潤滑油收集率如圖5 所示： 1)同一供油壓力下，轉速越高收集率越低，這是由于隨著轉速的升高，噴射出來的潤滑油與高速旋轉的主軸碰撞，撞出的潤滑油增多，進入集油螺母內的相應減少；軸承高速旋轉時本身形成的氣簾對潤滑油的進入產生阻擋作用，轉速越高，阻擋作用越大，從而導致進入軸承的潤滑油越少。2)同一轉速下，供油壓力越低收集率越低，這是因為隨著供油壓力的降低，潤滑油總流量減少，流速降低，導致潤滑油與高速旋轉的主軸碰撞時能量變弱，因飛濺進入集油螺母的油量比試驗主軸碰撞、甩飛而流失的油量少得多，造成潤滑油收集率降低。

圖5 不同轉速及供油壓力下潤滑油收集率

2.2 噴射角度對潤滑油收集率的影響

潤滑油噴射距離(11.2 mm)及供油壓力(400 kPa)保持不變，噴射角度為32°和21°時不同轉速下的潤滑油收集率如圖6 所示：噴射角度32°時的收集率明顯低于21°時的，原因為噴射角度21°時的潤滑油入射點與集油螺母之間的距離比32°時減小約4 mm，飛濺進入集油螺母集油槽內的潤滑油增多，更多的潤滑油因離心力被甩入軸承腔內，因而潤滑油收集率比32°時的高。

圖6 不同噴射角度下潤滑油收集率

2.3 噴射距離對潤滑油收集率的影響

噴射角度(32°)及供油壓力(400 kPa)保持不變，噴射距離分別為9.1，11.2，12.7 mm 時不同轉速下的潤滑油收集率如圖7所示：隨著噴射距離的增加，收集率明顯降低，這是由于隨著噴射距離的增加，潤滑油入射點外移，與集油螺母的距離增大，因濺射進入集油槽內的潤滑油量減少，造成潤滑油收集率降低。因此相同轉速及供油壓力條件下，潤滑油入射點距集油螺母越近，潤滑油收集率越高。

圖7 不同噴射距離下潤滑油收集率

3 結論

在航空發動機軸承試驗機上對該環下供油結構潤滑油收集率進行研究，分析不同轉速、供油壓力、噴射角度、噴射距離對潤滑油收集率的影響，得出以下結論：

1)該環下供油結構潤滑油收集率隨試驗轉速的升高而減小，隨供油壓力的降低而降低。

2)該環下供油結構潤滑油收集率隨噴射距離的增加明顯降低；噴射角度21°時的潤滑油收集率比32°時明顯增大，兩者均與潤滑油入射點距集油螺母的距離有關，說明潤滑油入射點是影響潤滑油收集率的重要因素，在設計環下供油結構時應重點考慮。()()