燃?xì)鉁u輪發(fā)動機高速軸承供油方案研究

李夫慶，周晟鋆

(中國聯(lián)合重型燃?xì)廨啓C技術(shù)有限公司，北京100016)

0 引言

潤滑是用潤滑劑減少摩擦副的摩擦和降低溫度，或改善其它形式的表面破壞的措施。合理地選擇與設(shè)計潤滑方法及潤滑系統(tǒng)和裝置，對降低摩擦阻力，減少表面磨損和維持油溫，使設(shè)備具有良好的潤滑狀況和工作性能，保證設(shè)備高效運轉(zhuǎn)，延長使用壽命，具有十分重要的意義［1］。

隨著燃?xì)鉁u輪發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展，作為關(guān)鍵部件的滾動軸承將處于高速、 高溫和重載等更為嚴(yán)苛的工作環(huán)境下，對其工作性能的要求日益提高。隨著燃?xì)鉁u輪發(fā)動機軸承DN 值不斷提高，DN 值越大軸承內(nèi)部的發(fā)熱量也因而大幅增加，若滑油供給量不足則無法及時的將軸承發(fā)熱量發(fā)散，這將導(dǎo)致軸承溫度升高，軸承內(nèi)、外圈溫差變化并影響工作的有效，嚴(yán)重時甚至可能導(dǎo)致軸承失效［2］。軸承供油方式的正確選擇是確保軸承安全可靠工作的基礎(chǔ)。

以往多數(shù)研究多以某一種軸承供油方式進(jìn)行研究，如噴射供油的軸承內(nèi)氣液兩相流動、噴射破壁；環(huán)下供油滑油通道、油體積分?jǐn)?shù)分布等問題進(jìn)行研究［3-5］。較少對比總結(jié)各種軸承供油方式的應(yīng)用對比。

本文介紹了燃?xì)鉁u輪發(fā)動機滾動軸承潤滑的常見結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)用要求，詳細(xì)說明了噴射供油、噴管供油和環(huán)下供油方案的原理和設(shè)計要素。列明了噴射供油、 噴管供油和環(huán)下供油的應(yīng)用條件和應(yīng)用場景。

1 噴射供油

噴射供油，是指將供油噴嘴靠近軸承端面，對準(zhǔn)軸承套圈和保持架內(nèi)徑或外徑之間的徑向間隙，以一定的噴射速度向軸承滾動體噴油［4］。在噴射供油結(jié)構(gòu)中，噴嘴的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、位置、噴射速度、供油壓力和供油量等因素對保證軸承安全可靠運轉(zhuǎn)均非常重要。常見的噴嘴供油結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。

圖1 軸承噴射供油示意圖

噴射供油具有結(jié)構(gòu)簡單，易于控制的優(yōu)點，是滾動燃?xì)鉁u輪發(fā)動機滾動軸承常見的潤滑方式之一。

噴射供油雖結(jié)構(gòu)簡單，但其供油效率低，需克服軸承腔內(nèi)渦流油氣團(tuán)阻力才可將滑油供入軸承內(nèi)部，因而無法對軸承內(nèi)圈進(jìn)行充分的潤滑和冷卻。但通過提高滑油噴射速度和增加噴嘴數(shù)量的方式可以改善軸承的潤滑和冷卻。研究表明［6］，噴射潤滑適用于 DN≤2.5 × 106的軸承潤滑，這是因為當(dāng) DN ＞2.5 × 106時，在離心力的作用下，僅少量滑油能夠進(jìn)入軸承內(nèi)部，因此減弱了對軸承的內(nèi)環(huán)、滾動體、滾子端面和擋邊處的潤滑，此外，軸承轉(zhuǎn)速的提高還將產(chǎn)生大量的攪拌熱，造成軸承工作溫度的升高［7］。此外，僅提高滑油量也不足以滿足軸承潤滑和冷卻的需求，提高滑油流量同樣會因滑油強烈的攪動而產(chǎn)生更多的攪拌熱。噴射供油軸承內(nèi)部油氣兩相呈現(xiàn)不均勻分布，滑油多集中于外環(huán)附近，且沿旋轉(zhuǎn)方向逐漸減少；油體積分?jǐn)?shù)較大時內(nèi)外環(huán)溫度較低，由于熱傳導(dǎo)作用，油體積分?jǐn)?shù)最大處與外環(huán)溫度最低處并不重合。

噴射供油較普遍采用，但對高DN 值的軸承，特別是對工作環(huán)境惡劣的軸承內(nèi)環(huán)不能進(jìn)行充分潤滑和冷卻。一般在噴嘴位置、噴射速度、供油壓力合理及回油通暢的前提下，噴射供油適用于DN 值小于2.5 × 106的軸承供油。在早期的發(fā)動機及一些預(yù)研試驗件中，因軸承轉(zhuǎn)速較低，軸承DN 值多低于2.5 ×106，噴射供油應(yīng)用較為普遍。在筆者設(shè)計的試驗件中，后軸承DN 值較小，約1.8 × 106采用了噴射供油方案。

2 噴管供油

噴管供油，是指將滑油先經(jīng)過噴嘴噴射到集油環(huán)等零件上，再通過細(xì)小的供油管路流入軸承，也有采用管子直接流入軸承的形式［6］。圖 2 所示，為一種滑油先通過噴嘴噴射到集油環(huán)，再通過管路流入軸承的噴管供油結(jié)構(gòu)。

圖2 噴管供油示意圖

噴管供油由于滑油離開噴嘴進(jìn)入供油噴管后，壓力急劇下降，同時因供油噴管跟隨外軸高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下滑油附著在供油噴管管壁，導(dǎo)致滑油流動性較差。

噴管供油在設(shè)計中應(yīng)考慮以下主要問題：(1)適當(dāng)加大噴嘴噴射流量；(2)適當(dāng)加大供油噴管通流面積，避免節(jié)流；(3)因供油噴管隨外軸高速旋轉(zhuǎn)，可能帶來大量的攪動熱量，需要采用高溫耐熱合金；(4)注意供油噴管材料線膨脹系數(shù)與外軸、 軸承座材料線膨脹系數(shù)的匹配，避免材料變形導(dǎo)致供油噴管變形。同時，可以采用噴油流量標(biāo)定試驗，即對不同壓力、不同流量噴嘴供油下，收集供油噴管出油流量，以確定最佳的噴嘴供油壓力和流量。

噴管供油適用于轉(zhuǎn)速較低的軸承，噴管供油對滑油壓力要求不高，因此需要適當(dāng)加大噴嘴噴射流量。噴管供油主要用于軸間軸承潤滑。由于軸間軸承內(nèi)、外圈同時旋轉(zhuǎn)，無法安裝噴嘴，所以噴管供油滿足了軸間供油的結(jié)構(gòu)要求。渦噴7 發(fā)動機低壓壓氣機后支點是中介軸承，其軸承布局結(jié)構(gòu)與圖2 相近。渦噴7 該軸承采用了噴管供油，主要考慮了該軸承處于內(nèi)軸與外軸之間。

3 環(huán)下供油

環(huán)下供油，是指將滑油通過噴嘴噴射進(jìn)入收油裝置，滑油在離心力作用下通過滑油通道進(jìn)入軸承滾道。在DN 值較大，環(huán)下供油可以使軸承潤滑冷卻效果得到極大改善，而且進(jìn)入軸承滾道的滑油很容易將保持架上磨下的粉末沖走，進(jìn)而延長軸承壽命。在環(huán)下供油潤滑中，軸承內(nèi)部油氣分布較噴射供油更為均勻，環(huán)下孔處的油體積分?jǐn)?shù)為軸承內(nèi)部周向油體積分?jǐn)?shù)的極大值，在轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時，該現(xiàn)象將得到保持。

在啟動過程中因轉(zhuǎn)速較低，離心力不足以使滑油通道中的滑油甩入滾道，因此在啟動及轉(zhuǎn)速較低的工作條件下，環(huán)下供油對軸承的潤滑和冷卻效果不佳。

因環(huán)下供油屬于開式供油，斷油后供油通道中殘留的滑油在離心力作用下甩入軸承滾道，這樣使得環(huán)下供油軸承具有一定的抗斷油能力。

3.1 環(huán)下供油

如圖3 所示，環(huán)下供油結(jié)構(gòu)包括供油噴嘴、收油裝置、滑油通道以及甩油環(huán)等零件和特征。收油裝置從滑油噴嘴處接收滑油并進(jìn)入滑油通道，滑油通道由轉(zhuǎn)子零件組成?；驮陔x心力的作用下經(jīng)過軸承內(nèi)圈供油孔，進(jìn)入軸承并對軸承滾動體進(jìn)行潤滑。

圖3 環(huán)下供油示意圖

進(jìn)入軸承的滑油量與噴嘴噴出的滑油量之比，稱為環(huán)下供油系統(tǒng)的集油效率，影響集油效率的因素包括：(1)噴射角度、噴嘴數(shù)量、噴嘴周向安裝位置、噴嘴與收油裝置之間的距離，等噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與噴嘴安裝結(jié)構(gòu)參數(shù)；(2)供油壓力；(3)滑油通道各主要特征截面通流面積；(4)收油裝置結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，前三項因素對集油效率的影響較大［3］。

滑油通道由收油裝置與轉(zhuǎn)軸、軸承內(nèi)圈構(gòu)成，在設(shè)計與加工制造中主要考慮：(1)收油裝置與轉(zhuǎn)軸剛性連接，確保連接結(jié)構(gòu)安全可靠；(2)具備防止滑油在工作狀態(tài)下沿軸向溢出的作用；(3)滑油通道截面應(yīng)設(shè)計成圓弧形，確保滑油通道暢通；(4)沿滑油運動方向應(yīng)設(shè)計成帶錐度的，以保證滑油加速流動；(5)需保證無節(jié)流現(xiàn)象，通道壁面光滑，無尖邊，一般要求機加工粗糙度不小于Ra0.8。

當(dāng)收油裝置與轉(zhuǎn)軸之間的空間允許時，盡量將噴嘴布置在收油裝置內(nèi)，其收油效率最高，可達(dá)100%。但該采用該結(jié)構(gòu)形式時，需在噴嘴流路內(nèi)設(shè)置控制滑油流量的節(jié)流孔，同時將噴嘴出口孔設(shè)計成截面較大的截面結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到降低噴嘴出口滑油噴射速度，避免滑油飛濺的目的。當(dāng)收油裝置與轉(zhuǎn)軸之間的空間較小，不具備將噴嘴布置在該空間內(nèi)的條件時，將噴嘴布置在距收油裝置端面一定距離的位置，噴嘴出口孔軸線應(yīng)對準(zhǔn)收油裝置與轉(zhuǎn)軸之間的間隙。試驗表明，當(dāng)噴嘴出口孔與收油裝置端面距離分別為 1 mm，4 mm，8 mm，11 mm 時，以 11 mm 集油效率最高［2］。

燃?xì)鉁u輪發(fā)動機軸承腔或附件機匣均為采用干軸承腔原理為設(shè)計準(zhǔn)則，一般需布置甩油環(huán)。甩油環(huán)能夠有效的防止滑油飛濺擴散，提高了滑油收集效率。此外，要求甩油環(huán)與轉(zhuǎn)軸剛性連接，確保連接結(jié)構(gòu)安全可靠。

環(huán)下供油適用于高DN 值軸承供油，一般在軸承DN 值大于 2.5 × 106時應(yīng)采用環(huán)下供油。CFM56 發(fā)動機止推軸承DN 值約2.5 × 106，其止推軸承的潤滑和冷卻采用了環(huán)下供油方案。在筆者設(shè)計的試驗件中，前軸承DN 值較大約2.6 × 106也采用了環(huán)下供油方案。

3.2 徑向收油環(huán)下供油

徑向收油環(huán)下供油是一種環(huán)下供油的特殊結(jié)構(gòu)形式。圖4 是典型徑向收油環(huán)下供油示意圖，圖中收油裝置也稱為收油葉輪，由葉輪和槽道組成；葉輪上的槽道和轉(zhuǎn)軸組成滑油通道。葉輪隨轉(zhuǎn)軸一起做高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)滑油由噴油嘴噴入到葉輪中時，一部分滑油隨著葉輪葉片的旋轉(zhuǎn)被收至滑油通道，通過軸承內(nèi)環(huán)孔進(jìn)入軸承滾道進(jìn)行潤滑。

圖4 徑向收油環(huán)下供油示意圖

由于結(jié)構(gòu)及工作環(huán)境的限制，徑向收油環(huán)下供油不可能將噴嘴噴出的潤滑油全部收入并送至軸承滾道，噴嘴噴射速度、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、葉輪葉型、槽道螺旋角是影響徑向收油環(huán)下供油收油效率的主要因素。(1)噴嘴噴射速度的增大，單位時間內(nèi)的供油流量增大，但收油效率反而下降；(2)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的增加，收油效率增加，但當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定值后，收油效率開始降低；(3)采用平緩的葉輪葉型并增大葉片傾角，收油效率增加；槽道螺旋角的增大可以明顯提高收油效率。

徑向收油環(huán)環(huán)下供油應(yīng)收油葉輪設(shè)計及制造難度較大，在成熟發(fā)動機中應(yīng)用較少，多用于預(yù)研試驗件中。

4 結(jié)束語

軸承供油方式的選取和潤滑冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計是確保軸承安全可靠運行的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的供油方案，是在軸承一側(cè)或兩側(cè)向軸承滾動體和內(nèi)圈縫隙供油。此供油方式的問題在于部分滑油被反射或飛濺，僅部分滑油能夠有效進(jìn)入軸承，且在軸承DN 值較大時，滑油在離心力的作用下難以進(jìn)入軸承內(nèi)部，因而影響潤滑和冷卻效果。較之于傳統(tǒng)的軸承單側(cè)或雙側(cè)縫隙供油方案，環(huán)下供油能夠有效的將潤滑油送入軸承內(nèi)部，充分潤滑軸承滾動體，帶走軸承熱量，可靠回油，保證軸承腔不積油。現(xiàn)階段，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速不斷增大，軸承DN 值不斷增大，環(huán)下供油技術(shù)因其良好的潤滑和冷卻效果，引起了較高重視，正逐步應(yīng)用于先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機軸承的潤滑冷卻設(shè)計。

(1)在軸承DN 值較低時，噴射供油可以實現(xiàn)軸承的有效潤滑和冷卻，因噴射供油結(jié)構(gòu)簡單，在低DN 值時可以作為優(yōu)選的供油方式。

(2)噴管供油常用于轉(zhuǎn)速較低的軸間軸承潤滑和冷卻。

(3)環(huán)下供油作為一種軸承潤滑冷卻方案，實現(xiàn)高DN 值、高負(fù)荷軸承的使用要求，提高滑油的潤滑冷卻效率。滑油可以直接進(jìn)入有效潤滑區(qū)域，供油效率高，潤滑、冷卻效果好。