航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑供油系統(tǒng)仿真研究

李 昂，張 帥，石 宏，張維亮

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng)110136)

發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成系統(tǒng)之一，其性能會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生直接的影響?；拖到y(tǒng)的性能指標(biāo)主要包括流量、壓力與溫度，這些參數(shù)之間不是孤立存在的而是相互關(guān)聯(lián)的。在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，由于技術(shù)條件的限制，這些參數(shù)能夠直接測(cè)量得到的極少，這就制約了對(duì)其性能的研究。

本文通過(guò)對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑供油系統(tǒng)研究，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑供油系統(tǒng)各部件的計(jì)算模型，經(jīng)過(guò)編程迭代計(jì)算，重點(diǎn)對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油供油系統(tǒng)地面最大狀態(tài)進(jìn)行仿真研究。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)滑油供油系統(tǒng)的組成

圖1 滑油供油系統(tǒng)示意圖

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油供油系統(tǒng)主要由滑油箱、滑油泵、調(diào)壓活門(mén)、滑油濾、管道、滑油噴嘴等部件組成。圖1所示為滑油供油系統(tǒng)示意圖?；蛷幕拖涑鰜?lái)分為兩路，一路通向傳動(dòng)裝置和前軸承腔，另一路通向中軸承腔與后軸承腔。油箱油面位于滑油增壓泵進(jìn)口之上，造成泵進(jìn)口有一個(gè)正壓頭，從而保持泵的良好充填性?；捅贸２捎谬X輪泵，用于對(duì)滑油的輸送和回收。調(diào)壓活門(mén)使供至發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)各噴嘴的滑油在規(guī)定范圍內(nèi)。

2 潤(rùn)滑供油系統(tǒng)主要部件計(jì)算模型

2.1 滑油泵［1］

(1)滑油泵滑油流量計(jì)算可采用下面公式:q=2πdmb

從而，理論流量為:

式中:q—排油量，mm/r;d—齒輪的節(jié)圓直徑，d=mz，mm;m—模數(shù);b—齒輪的高度，mm;n—齒輪泵的轉(zhuǎn)速，r/min;z—齒輪的齒數(shù)。

(2)齒輪泵實(shí)際供油量和容積效率

由于齒輪泵出口壓力較高，進(jìn)口壓力較低，造成齒輪內(nèi)部的液體通過(guò)齒輪內(nèi)部各部件間的間隙項(xiàng)進(jìn)口泄露。所以，齒輪實(shí)際供油量要小于齒輪理論供油量。除此之外，由于不確定因素，例如，齒輪泵進(jìn)口壓力很低還將造成液體的填充不足，影響實(shí)際供油量。通常用容積效率ηV表示他們之間的關(guān)系:

式中:QL—實(shí)際供油量

ΔQ—供油量損失

因此，實(shí)際供油量為:

泵的容積效率為0.70—0.95?；捅昧髁壳€如圖2所示。

2.2 調(diào)壓活門(mén)

計(jì)算調(diào)壓活門(mén)的流量特性，利用流量公式［2－3］:

ΔP—泵調(diào)節(jié)壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)出口壓力差;

CD—管道阻尼系數(shù);

A—由活門(mén)開(kāi)度決定的流通面積。

調(diào)壓活門(mén)的特性如圖3所示。

2.3 滑油噴嘴

噴嘴流量的計(jì)算公式為［4］:

式中:m—系數(shù)，m=D2/d2

其中D—孔口直徑;d—連接噴嘴的管的直徑;A—噴嘴孔的面積;Cd—流量系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定;Δp—噴嘴油腔與軸承壓力差;ρ—滑油密度。

圖2 滑油泵理論流量曲線

圖3 調(diào)壓活門(mén)性能曲線

2.4 管路的壓力損失

根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況不同，液體流動(dòng)過(guò)程中的粘性摩擦損失有兩種形式;沿程損失、局部損失。管路的壓力損失，是由沿程損失和局部損失疊加而成的，其壓力損失公式為［5］:

式中:

ρ—滑油密度;

l—管路的長(zhǎng)度;

d—管路的直徑;

ξ—局部阻力系數(shù);

Q—管路的滑油流量;

因?yàn)檠爻虛p失系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re有關(guān)，而雷諾數(shù)Re又與管內(nèi)流速(即流量)有關(guān)，由于無(wú)法直接得到滑油流量Q值，所以選擇用逐漸接近法計(jì)算滑油流量 Q［6］。

逐漸接近法步驟:

(1)由于壓力損失對(duì)比整個(gè)增壓系統(tǒng)壓力較小，故先不計(jì)壓力損失，計(jì)算出滑油流量Q。

(2)根據(jù)算得的Q與管路結(jié)構(gòu)，計(jì)算出管中雷諾數(shù)Re。

(3)再根據(jù)Re值計(jì)算出沿程損失系數(shù)λ值。

(4)再根據(jù)λ值計(jì)算Q值。進(jìn)而得到管路的壓力損失。

就這樣完成一次接近算法，如此反復(fù)2－3次就可以計(jì)算出較精確的管路的壓力損失。

3 供油系統(tǒng)的計(jì)算與分析［7－9］

計(jì)算中把整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)看成一個(gè)流體網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中滑油泵出口的流量與各軸承腔中分配的流量總和應(yīng)該是守恒的，其中各噴嘴的流量由循環(huán)迭代計(jì)算得出。

計(jì)算主要步驟:

(1)根據(jù)初始條件，輸入各計(jì)算參數(shù)。

(2)計(jì)算出在給定參數(shù)條件下，滑油泵的滑油流量。

(3)由管路的結(jié)構(gòu)，計(jì)算出由滑油泵出口到各個(gè)滑油噴嘴的壓力損失。

(4)給出一個(gè)泵的最小出口壓力作為泵的出口壓力。

(5)根據(jù)調(diào)壓活門(mén)的流量特性，計(jì)算出調(diào)壓活門(mén)的回油量。

(6)根據(jù)噴嘴的結(jié)構(gòu)特性，計(jì)算出各軸承腔內(nèi)滑油流量。

(7)將調(diào)壓活門(mén)和各軸承腔內(nèi)的滑油流量相加與滑油泵的流量比較，如果在誤差范圍內(nèi)則完成計(jì)算，否則調(diào)整泵后壓力，繼續(xù)計(jì)算，直至計(jì)算結(jié)果在誤差范圍內(nèi)。圖4為計(jì)算流程圖。

圖4 計(jì)算流程圖

輸入各初始參數(shù)，由計(jì)算模型計(jì)算得出發(fā)動(dòng)機(jī)滑油供油系統(tǒng)在不同溫度、不同轉(zhuǎn)速下流量分配及壓力分布情況。表1所示為發(fā)動(dòng)機(jī)地面最大狀態(tài)下滑油流量分配的計(jì)算結(jié)果，與設(shè)計(jì)參數(shù)值比較，誤差在合理范圍內(nèi)，誤差的產(chǎn)生可能由于計(jì)算中對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做的一些簡(jiǎn)化而造成。由此證明計(jì)算模型能夠用來(lái)分析和研究滑油供油系統(tǒng)的性能，為滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供參考。

表1 地面最大狀態(tài)下滑油流量計(jì)算結(jié)果(t=60℃)

圖5、圖6為不同溫度不同轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)增壓級(jí)流量、壓力隨轉(zhuǎn)速變化的計(jì)算結(jié)果，可以看出滑油泵出口流量隨滑油泵轉(zhuǎn)速的增加而增大［10］?；蜏囟壬?，滑油流量增大，隨著轉(zhuǎn)速的增加，滑油增大量也隨之增加?；捅贸隹趬毫﹄S滑油泵轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨著溫度的升高，泵后壓力略微下降。

圖5 流量轉(zhuǎn)速曲線

圖6 壓力轉(zhuǎn)速曲線

圖7、圖8所示為滑油流量、壓力隨溫度變化的計(jì)算結(jié)果。由結(jié)果中可以看出在滑油泵轉(zhuǎn)速較低時(shí)泵后壓力隨滑油溫度的升高而降低，在高轉(zhuǎn)速時(shí)這種變化甚微。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，滑油溫度升高，滑油流量增加，在0度－40度之間時(shí)曲線斜率較大，流量增加趨勢(shì)明顯。這種現(xiàn)象與滑油的理化特性有關(guān)，滑油的運(yùn)動(dòng)粘度在低溫區(qū)時(shí)變化率較大。

圖7 壓力與溫度曲線

圖8 最大狀態(tài)下流量與溫度曲線

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑供油系統(tǒng)進(jìn)行建模計(jì)算，得到不同溫度、不同轉(zhuǎn)速下潤(rùn)滑供油系統(tǒng)的流量分配、壓力分布數(shù)據(jù)。分析了溫度對(duì)潤(rùn)滑供油系統(tǒng)流阻特性的影響，得出隨系統(tǒng)滑油溫度的升高，滑油流量增加，滑油壓力下降，并且這種變化趨勢(shì)在滑油溫度較低時(shí)較為明顯。

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

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