徑向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)及收油效率設(shè)計(jì)分析

（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002）

近年來隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的DN值越來越高，軸承各運(yùn)動(dòng)副之間因摩擦產(chǎn)生更多的熱量，這就要求軸承潤滑系統(tǒng)具有更高的潤滑效率。環(huán)下潤滑比噴射潤滑更加適合高轉(zhuǎn)速、工作時(shí)產(chǎn)生較多熱量的軸承[1]，在高DN值的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承潤滑中被廣泛使用。

所謂環(huán)下潤滑就是滑油經(jīng)軸承內(nèi)圈上的徑向孔、槽進(jìn)入軸承，即從軸承內(nèi)環(huán)下部向軸承供油，環(huán)下供油根據(jù)不同的收油方式可分為徑向環(huán)下潤滑及軸向環(huán)下潤滑，本文針對(duì)徑向環(huán)下潤滑方式開展分析研究，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 徑向收油原理圖

1.結(jié)構(gòu)形式及對(duì)收油效率影響分析

1.1 結(jié)構(gòu)形式

軸承徑向環(huán)下潤滑原理如圖1所示，收油環(huán)將從噴嘴噴出的滑油通過收油窗收集到儲(chǔ)油腔，大部分潤滑油流過內(nèi)圈下的軸向輸油槽并帶走熱量，少部分潤滑油通過軸承內(nèi)圈的徑向輸油孔供給滾動(dòng)接觸部位，并對(duì)保持架供油，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的冷卻和潤滑[2]。

1.2 收油效率影響分析

徑向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)確認(rèn)的發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N、軸承初始選型（轉(zhuǎn)子軸外徑R0），當(dāng)軸承內(nèi)徑、轉(zhuǎn)速確定情況下，軸承所需滑油流量Q可以根據(jù)軸承產(chǎn)生的熱量計(jì)算可得[3]。

輸油通道中的滑油在離心力作用下，滑油貼著輸油槽外壁面流動(dòng)，僅占據(jù)輸油槽的極少部分，考慮加工公差、安全裕度及加工工藝，一般取收油環(huán)輸油槽外徑R1= R0+0.5mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般轉(zhuǎn)子軸類零件壁厚不小于1.5mm，故取收油環(huán)收油槽內(nèi)徑R2=R1+1.5mm=R0+2mm。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承潤滑滑油流量是在指定供油壓力（一般為0.5MPa）條件下的測定量，故滑油流量確定之后，可以確定所有噴嘴口流通面積之和.A為確定值（D為滑油噴嘴口直徑，A為噴嘴口數(shù)量）。

每個(gè)滑油噴嘴在兩個(gè)收油環(huán)收油口之間噴射的距離為：

而在收油環(huán)區(qū)域內(nèi)允許的最大油路長度為：

為保證收油效率，避免滑油噴射過長超出收油環(huán)收油槽外徑，需要L1＜L2。如果L1＞L2，則需要增加滑油噴嘴或收油口的數(shù)量，以降低單個(gè)噴嘴在兩個(gè)收油口之間的射流長度，或增大收油環(huán)收油槽外徑R3，但在工程設(shè)計(jì)中，與軸承內(nèi)環(huán)直接接觸的零件直徑不會(huì)高于軸承內(nèi)環(huán)外徑，以避免阻塞軸承潤滑滑油的流出，故收油環(huán)收油槽最大值即為軸承內(nèi)環(huán)外徑值。

為避免油路撞擊收油環(huán)內(nèi)壁面，同時(shí)取得最大的油路長度，噴油嘴噴油的最佳角度α=sin-1（R2/R4）；當(dāng)角度大于最佳角度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)射流偏離收油槽內(nèi)環(huán)，在收油區(qū)域內(nèi)的有效滑油射流長度減小，當(dāng)角度小于最佳角度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)射流在中間區(qū)域撞擊收油槽內(nèi)環(huán)，產(chǎn)生濺射。

由以上分析可知，在工程應(yīng)用中，控制收油環(huán)收油效率的因素主要集中在滑油噴嘴數(shù)量、收油口數(shù)量、滑油噴嘴口所處直徑這三個(gè)因素。

2.控制參數(shù)分析

2.1 滑油噴嘴口位置對(duì)收油效率的影響

控制其余參數(shù)一致，僅調(diào)整轉(zhuǎn)速及供油流量，分析在20000r/min 2.0L/min、28000r/min 2.0L/min和28000r/min 2.6L/min工況條件下徑向收油環(huán)收油效率隨供油噴嘴口所處直徑的變化關(guān)系，由圖2可見收油效率隨供油噴嘴口所處直徑的增大而減小。圖3為28000/min 2.0L/min工況下供油噴嘴口所處直徑R4=49mm和R4=57mm結(jié)構(gòu)中滑油射流沖擊收油葉片前的滑油分布整體圖，供油噴嘴口所處直徑越大，滑油射流到達(dá)收油葉片處經(jīng)過的空間距離越長，滑油發(fā)散越大，且徑向收油環(huán)附近的氣流速度均較高，會(huì)影響滑油射流的流動(dòng)，滑油射流在高速氣流作用下飛濺的小液滴數(shù)量增加，因此收油效率會(huì)隨著供油噴嘴與收油葉片間距離的增加而減小。

圖2 不同條件下收油效率隨R4的變化規(guī)律

圖3 不同供油噴嘴位置下的滑油分布

2.2 滑油噴嘴口數(shù)量對(duì)收油效率的影響

在徑向收油環(huán)結(jié)構(gòu)不變的情況下，改變供油噴嘴數(shù)量（滑油總流量不變，即改變不同供油噴嘴滑油流量，由于滑油為不可壓流體，改變每個(gè)供油噴嘴的滑油流量可看作改變每個(gè)供油噴嘴出口的滑油流速）會(huì)影響徑向收油環(huán)的收油效率。

圖4為同滑油流量、不同轉(zhuǎn)速條件的收油效率隨供油噴嘴數(shù)量變化圖，增加供油噴嘴數(shù)量時(shí)，單個(gè)供油噴嘴的滑油流量減小，即其出口滑油流速減小，滑油射流與收油葉片間的反射和飛濺造成的滑油損失量也將減少，有利于徑向收油環(huán)收集滑油，表現(xiàn)為低轉(zhuǎn)速條件下收油效率隨供油噴嘴數(shù)量的增加而增加但單個(gè)噴嘴的滑油流速減小也導(dǎo)致其抵抗風(fēng)阻能力減小，不利于徑向收油環(huán)收集滑油，表現(xiàn)為單供油噴嘴條件下滑油流速高，抵抗風(fēng)阻的能力增強(qiáng)，進(jìn)入徑向收油環(huán)內(nèi)部的滑油量增加，隨著供油噴嘴數(shù)量的增加，滑油流速降低，抵抗風(fēng)阻的能力減小，進(jìn)入徑向收油環(huán)內(nèi)部的滑油量也相應(yīng)的減少，因此收油效率隨供油噴嘴數(shù)量的增加而降低。

圖4 收油效率隨供油噴嘴數(shù)量變化曲線（總流量4.5L/min）

2.3 收油口數(shù)量對(duì)收油效率的影響

在軸承噴嘴及收油環(huán)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)固定的情況下，調(diào)整收油口數(shù)量，分析在30000r/min 2.0L/min、38000r/min 2.0L/min和38000 r/min 2.8L/min工況條件下，徑向收油環(huán)收油效率隨收油口數(shù)量的變化關(guān)系，不同工況條件下收油效率均隨著收油葉片數(shù)量的增加而增加，滑油射流在環(huán)下潤滑油結(jié)構(gòu)中的破碎位置（穿透深度）主要由滑油射流與氣流的動(dòng)量比決定，收油環(huán)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定氣流動(dòng)量，在相同工況條件下滑油射流的破碎位置幾乎不會(huì)有變化。如圖5所示。

圖5 收油效率隨收油口數(shù)量變化曲線

3.結(jié)論

本文提出了一個(gè)比較系統(tǒng)的徑向環(huán)下潤滑工程設(shè)計(jì)方法及步驟，分析了影響收油環(huán)收油效率的主要參數(shù)及其影響規(guī)律。

（1）工程設(shè)計(jì)中，徑向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)基本輪廓尺寸由發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)確定，在此基礎(chǔ)上，影響徑向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)收油效率的主要因素為滑油噴嘴數(shù)量、收油口數(shù)量、滑油噴嘴口所處直徑。

（2）油噴嘴與收油葉片間距離主要影響滑油射流在到達(dá)收油葉片前的流動(dòng)，增加該距離滑油射流動(dòng)量下降且液滴飛濺量增加，收油效率隨供油噴嘴與收油葉片間距離的增加而減小。

（3）供油噴嘴數(shù)量受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、供油流量影響，供油噴嘴數(shù)量對(duì)收油效率的變化規(guī)律需要根據(jù)風(fēng)阻、供油總流量、收油口切割滑油射流頻率等因素綜合考慮。

（4）收油環(huán)收油口數(shù)量主要影響收油口切割滑油射流的時(shí)間間隔，收油環(huán)轉(zhuǎn)速與滑油流量之比在一定范圍內(nèi)時(shí)，收油效率將隨收油葉片數(shù)量的增加而增加。