某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油通風(fēng)節(jié)流嘴流量-阻力特性試驗(yàn)研究

田文正，李國(guó)權(quán)，杜紅軍，邢俊

（1.沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015；2.中國(guó)人民解放軍65181部隊(duì)，沈陽(yáng)112611）

1 引言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)后軸承腔在軸間采用了2處篦齒密封，在高壓差狀態(tài)下，該密封的空氣泄漏量較大，常需要對(duì)軸承腔增壓來(lái)減少密封壓差，以減少壓差的方法來(lái)減少軸承腔的通風(fēng)量，為此后軸承腔采用節(jié)流通風(fēng)的設(shè)計(jì)[1]，即：將后軸承腔由密封漏入的氣體通過(guò)渦輪后機(jī)匣的支板引出，并與前、中腔的通風(fēng)管匯合，在匯合前設(shè)置節(jié)流嘴，以便對(duì)后軸承腔增壓，以減少后軸承腔密封的壓差，進(jìn)而達(dá)到減少后腔通風(fēng)量的目的。為此，在發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)試車(chē)前，需確定不同通徑尺寸節(jié)流嘴在不同通風(fēng)量下的阻力特性，以便確定發(fā)動(dòng)機(jī)首次上臺(tái)時(shí)合適的節(jié)流嘴尺寸，并為發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)后的調(diào)試提供試驗(yàn)依據(jù)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的正常工作。合適的節(jié)流嘴尺寸可通過(guò)計(jì)算獲得，但傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)理論僅能計(jì)算純空氣工況條件下的阻力特性，而軸承腔油氣混合條件下的節(jié)流嘴阻力特性需通過(guò)試驗(yàn)獲得。

本文對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)可能使用的8種尺寸的節(jié)流嘴進(jìn)行了流量-阻力特性試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，對(duì)試車(chē)狀態(tài)下軸承腔中的流體介質(zhì)進(jìn)行了模擬，并與常溫及高溫下的干空氣介質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)比較；還根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，給出了估算發(fā)動(dòng)機(jī)通風(fēng)腔節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)下質(zhì)量流量和體積流量的公式，并據(jù)此給出了在工程計(jì)算中初步估算所需節(jié)流嘴通徑的方法。

2 氣流壅塞理論

根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)理論，節(jié)流通風(fēng)系統(tǒng)可近似為1維定常可壓縮的變截面管流。當(dāng)氣流處于臨界和超臨界狀態(tài)時(shí)，節(jié)流管路截面上的氣流Ma=1，通過(guò)節(jié)流管路截面的氣流速度等于聲速，通過(guò)節(jié)流嘴的質(zhì)量流量達(dá)到最大值，此時(shí)的狀態(tài)即為壅塞狀態(tài)。氣流壅塞原理如圖1所示，在圖中，P*為節(jié)流嘴進(jìn)口氣流總壓，T*為總溫，P0為出口的背壓，近似為大氣壓力。不考慮氣體的黏性和與外界的熱交換，節(jié)流管路中的流動(dòng)為理想的絕能等熵流動(dòng)。在這種情況下，流路截面面積變化是引起流動(dòng)參數(shù)變化的主要原因。亞聲速氣流在收縮管路中速度最大只能達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀伲闯隹诮孛嫔系臍饬鱉a最大只能達(dá)到1，此時(shí)流量達(dá)到最大值。根據(jù)空氣系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，選擇合適尺寸的節(jié)流嘴，達(dá)到軸承腔增壓的目的，同時(shí)減少后腔的通風(fēng)量。

根據(jù)壅塞狀態(tài)下氣流的總溫、總壓、通流面積以及氣流的相關(guān)物性即可計(jì)算出相應(yīng)質(zhì)量流量。壅塞狀態(tài)下的質(zhì)量流量為

其中

對(duì)于空氣：

壅塞狀態(tài)下的體積流量可按式（6）進(jìn)行計(jì)算。測(cè)得氣流的溫度即可計(jì)算得到當(dāng)?shù)芈曀?，根?jù)通流面積計(jì)算出相應(yīng)體積流量。

3 試驗(yàn)件及試驗(yàn)設(shè)備

3.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)中的節(jié)流嘴結(jié)構(gòu)形式與驗(yàn)證機(jī)的一致，其直徑分別為6、7、8、9、10、11、12、13mm，共8種試驗(yàn)件。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

為滿足試驗(yàn)要求，對(duì)滑油系統(tǒng)附件試驗(yàn)器進(jìn)行了系統(tǒng)改造，試驗(yàn)方案如圖2所示。該系統(tǒng)包括可加溫空氣系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)以及節(jié)流通風(fēng)管路系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)為全封閉結(jié)構(gòu)，通過(guò)流量計(jì)后的空氣僅有1個(gè)出口，即通風(fēng)腔節(jié)流嘴。

3.2.1 空氣系統(tǒng)

空氣系統(tǒng)流路為：氣源→試驗(yàn)室進(jìn)氣接口→流量計(jì)→空氣加溫器→摻混箱。

空氣由氣源經(jīng)試驗(yàn)室接口管路進(jìn)入系統(tǒng)，為本試驗(yàn)管路系統(tǒng)空氣的惟一來(lái)源；在空氣加溫前設(shè)置2個(gè)渦街流量計(jì)，可以測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)的空氣流量。通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)安裝在渦街流量計(jì)入口前的閥門(mén)，調(diào)節(jié)空氣系統(tǒng)的流量。

空氣加溫器采用1組不銹鋼管作為加熱電阻，空氣流經(jīng)高溫不銹鋼管被加熱，同時(shí)空氣帶走不銹鋼管的熱量，維持其長(zhǎng)時(shí)間的空氣加溫能力。根據(jù)以往使用情況反饋，該加溫器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率可以滿足試驗(yàn)空氣加熱任務(wù)；當(dāng)空氣流量過(guò)低時(shí)，熱量不能及時(shí)散失，不銹鋼管不易熔斷。針對(duì)加溫器的加溫特點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)可以采用先通空氣后加溫的方法，加溫幅度不宜過(guò)大。

3.2.2 滑油系統(tǒng)

滑油系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，耐壓油箱→截止閥→供油泵→摻混箱→回油泵→耐壓油箱。

耐壓油箱是試驗(yàn)用油的儲(chǔ)藏容器，考慮本試驗(yàn)在高壓狀態(tài)下進(jìn)行，對(duì)此采用壓力容器設(shè)計(jì)。

供油泵與回油泵為1電機(jī)帶動(dòng)的泵組。

3.2.3 油氣混合系統(tǒng)

油氣混合系統(tǒng)的主要部件是摻混箱（模擬軸承腔）。摻混箱是空氣與滑油的交匯處，是試驗(yàn)中油霧發(fā)生器，其工作原理如圖3所示，其實(shí)物外形如圖4所示。

油氣混合氣體流路：摻混箱→試驗(yàn)節(jié)流管路→大氣。

耐壓油箱內(nèi)的滑油在滑油泵組增壓泵的壓力作用下，從滑油噴嘴噴入摻混箱，與來(lái)自空氣加溫器的高溫空氣進(jìn)行摻混后形成油氣混合氣體。為了使油霧霧化充分，可以調(diào)節(jié)滑油油路的旁路閥門(mén)以及摻混箱上設(shè)置的氣體分配閥門(mén)，使之符合試驗(yàn)所需油霧的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)記錄旁路壓力表讀數(shù)。在各項(xiàng)試驗(yàn)中均保持該讀數(shù)，這樣可保持每次試驗(yàn)的油霧狀況一致，使試驗(yàn)具有可比性，在摻混箱中未形成的油霧的大顆?；徒?jīng)回油泵抽回至滑油箱。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

共對(duì)8種試驗(yàn)件分別進(jìn)行了3種狀態(tài)下的試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)分別是室溫干空氣、加溫空氣（空氣加溫度至200℃）、油氣摻混混合氣體（空氣加溫至200℃，滑油系統(tǒng)供回油比1∶4）。本次試驗(yàn)所用流量計(jì)因溫度使用限制設(shè)在了空氣加溫器前，所測(cè)流量為未加溫壓縮氣體體積流量，將經(jīng)過(guò)加溫器和摻混箱的過(guò)程近似為1個(gè)加溫過(guò)程，氣體流動(dòng)過(guò)程中略有壓力損失，試驗(yàn)中測(cè)量了摻混箱中的壓力?？衫脷怏w狀態(tài)方程式（7）將未加溫壓縮氣體體積流量換算為摻混箱中的狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的體積流量。根據(jù)式（6）計(jì)算得到各節(jié)流嘴在各狀態(tài)下壅塞流量的體積流量理論值（計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1）。3種試驗(yàn)狀態(tài)下的各節(jié)流嘴特性曲線如圖5～7所示。

分析本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出以下規(guī)律。

（1）在室溫空氣介質(zhì)狀態(tài)下，尺寸較小的φ6、φ7節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)試驗(yàn)測(cè)得流量與理論值相當(dāng)；尺寸較大的φ8～φ 13節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)流量較理論值偏?。徊⑶译S通徑越大，較理論值偏小量越大。

（2）在加溫空氣和油氣摻混2種介質(zhì)狀態(tài)下，尺寸較小的φ6、φ7、φ9節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)試驗(yàn)測(cè)得流量較理論值偏大；φ9～φ11節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)流量與理論值相當(dāng)；尺寸較大的φ12、φ13節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)流量較理論值偏小。

（3）各通徑節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的摻混箱壓力隨節(jié)流嘴通徑的增大而降低。

表1 各通徑節(jié)流嘴不同介質(zhì)壅塞狀態(tài)理論流量

（4）油氣摻混工況下與同等溫度的干空氣工況下各節(jié)流嘴壅塞特性相差不大，可以采用理論公式進(jìn)行節(jié)流嘴壅塞流量的估算。

（5）利用泄漏量軟件可得到發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架狀態(tài)下理論泄漏量，可換算為相應(yīng)狀態(tài)下的體積流量；根據(jù)各節(jié)流嘴壅塞特性曲線，選擇相應(yīng)體積流量下達(dá)到壅塞狀態(tài)的節(jié)流嘴作為發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)首次試車(chē)前選擇安裝的節(jié)流嘴，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)情況調(diào)整更換其它通徑的節(jié)流嘴。

（6）可根據(jù)空氣系統(tǒng)計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)下軸承腔密封壓力、氣流溫度，利用空氣系統(tǒng)泄漏量計(jì)算軟件計(jì)算得理論泄漏量為q，根據(jù)式（8）估算所需節(jié)流嘴的

通徑

例如：某型發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架狀態(tài)下，后軸承腔密封壓力P*，氣流溫度T*，利用泄漏量計(jì)算軟件計(jì)算得理論泄漏量為q。將各參數(shù)代入上式可計(jì)算節(jié)流嘴的通徑。估算結(jié)果與試驗(yàn)所得結(jié)論吻合。

5 結(jié)論

（1）在油氣摻混工況下與同等溫度的干空氣情況下各節(jié)流嘴壅塞特性相差不大，可以采用理論公式進(jìn)行節(jié)流嘴壅塞流量的估算；工程估算時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)質(zhì)量流量可按式（1）進(jìn)行計(jì)算，壅塞狀態(tài)體積流量可按式（6）進(jìn)行計(jì)算。

（2）根據(jù)空氣系統(tǒng)計(jì)算得到的軸承腔封嚴(yán)壓力、氣流溫度以及理論泄漏量，可以采用式（8）估算所需節(jié)流嘴的通徑。

[1] 航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第12分冊(cè)）：傳動(dòng)及潤(rùn)滑系統(tǒng)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.