航空發(fā)動機主軸軸承潤滑與冷卻技術研究

王振嶺，葛泉江，林國昌

（1.海軍駐沈陽導彈專業(yè)軍事代表室，沈陽110015；2.中國人民解放軍駐哈軸集團公司軍事代表室，哈爾濱150036；3.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發(fā)動機主軸軸承一般為超輕或特輕型單列向心滾動軸承，轉速或DN值較高，發(fā)熱量較大，為了確保滾動軸承能在較長時間內可靠工作，必須對其進行合理地潤滑（以油潤滑為主）與冷卻。

潤滑與冷卻是2個相互聯(lián)系的不同概念。潤滑可使具有相對運動（包括滾動和滑動）的2個接觸固體表面之間形成薄膜，能防止表面磨損并減小摩擦系數(shù)、減少發(fā)熱量，是延長軸承壽命的必要保障措施。冷卻可以確保軸承在較低溫度條件下工作，控制軸承溫度場狀態(tài)，防止軸承卡死，同樣起到使軸承壽命延長和可靠性提高的作用。對于轉速較低、發(fā)熱量較少的軸承，可以只進行潤滑不進行冷卻；對于轉速較高、發(fā)熱量或外端傳入熱量較多的軸承，在進行潤滑的同時還要進行冷卻。所以，潤滑是確保軸承可靠工作的必要條件，冷卻則是延長軸承壽命和提高軸承可靠性的重要手段。

本文從航空發(fā)動機主軸軸承潤滑油的選用、供油方式、供油壓力和潤滑油流量的確定、噴嘴及潤滑結構設計等方面來研究潤滑與冷卻的技術問題。

1 潤滑油的選用

航空發(fā)動機使用的滑油分為2大類：石油基潤滑油（簡稱礦物油）和合成基潤滑油（簡稱合成油）。礦物油是以碳氫化合物為主要成分的具有多種不同化學結構的烴類混合物，為早期的發(fā)動機和活塞式發(fā)動機使用。合成油的基礎油是單一的純物質或同系混合物，其分子結構遠比礦物油中的烴類具有更大程度的適應性，所以具有特殊的使用功能，其氧化安定型、耐熱安定性及抗結焦沉積性等均遠好于一般礦物油的。隨著發(fā)動機技術的發(fā)展，合成油得到了越來越廣泛地應用。

在98.9℃時，合成油的運動黏度分為3、4、5、7.5 mm2/s等。合成油按使用溫度分為Ⅰ型油（-54～165℃，國內已發(fā)展了改良Ⅰ型油，-54～177℃；Ⅰ1/2～Ⅱ型油，-50～205℃）；Ⅱ型油（-40～220℃）；Ⅲ型油（-18～260℃）（國內正研制Ⅱ1/2～Ⅲ型油，-40～260℃）；Ⅳ型油（16～315℃）。

發(fā)動機選用哪種型號的潤滑油主要根據(jù)正常潤滑工作狀態(tài)渦輪支點軸承可控制的溫度上限確定。滑油黏度越大，軸承的壽命越長，但高速運轉時發(fā)熱量也越大、冷卻效果也越差；此外，潤滑油自身的各種性能與軸承工作條件也存在是否更加匹配的問題，所以主軸軸承轉速、載荷等其他工作條件也是潤滑油選用時要考慮的重要因素。

2 供油方式和壓力的確定

航空發(fā)動機主軸軸承的潤滑方式主要有噴射供油、環(huán)下供油、噴管供油和葉輪供油等。常用的供油方式是噴射和環(huán)下供油。

噴射供油是將滑油噴嘴對準軸承套圈（或擋邊）與保持架內徑（如圖1所示）或外徑表面之間的徑向間隙，以一定的噴射速度向軸承內腔噴油。噴射供油效率較低，對軸承內圈潤滑冷卻不利，但實施結構簡單，在早期的發(fā)動機和俄羅斯發(fā)動機中應用較為普遍；環(huán)下供油效率較高，對軸承各件潤滑冷卻均勻，但實施結構較復雜，在近期美、英發(fā)動機中應用更為普遍。由于二者特點不同，孰優(yōu)孰劣都是相對的，使用哪種供油方式要根據(jù)發(fā)動機實際情況確定。一般而言，前者主要適用于轉速較低、主軸傳入熱量較少的軸承；后者主要適用于轉速較高、主軸傳入熱量較多且軸承腔空間較充裕的軸承。在結構空間允許的情況下優(yōu)先采用環(huán)下潤滑，當DN≥2.5×106時，必須采用環(huán)下潤滑。

噴射供油需要克服轉動套圈和保持架、滾動體旋轉時帶起的渦流油氣團阻力才能將滑油供入軸承內腔，所以其供油壓力不能低于一定數(shù)值。隨著轉速的提高，供油壓力也應相應增大。軸承DN＝106mm·（r/min）時，最小供油壓力約為0.25 MPa，對應的滑油噴射速度約為18 m/s。

環(huán)下供油是指滑油由噴嘴噴出，由集油套收集（有時還需輸油槽輸送），通過軸承內圈上的徑向孔，靠離心力甩入軸承內腔。環(huán)下供油是靠離心力將滑油甩入軸承內腔的，只要軸承轉速不低于某一數(shù)值（DN＝0.3×106mm·（r/min）），進入集油套的滑油就能全部進入軸承內腔。環(huán)下供油對供油壓力沒有明確要求，但對集油套和軸承內圈供油孔的尺寸和數(shù)量有一定要求。通常情況下，軸承內圈供油孔截面面積之和不小于噴嘴噴孔面積的5倍；集油套供油孔截面面積之和不小于噴嘴噴孔面積的6～8倍。如圖2所示。

噴管供油是指滑油先經(jīng)噴嘴噴射到集油套等再通過細小的管子流入軸承，或直接通過細小的管子流入軸承。噴管供油僅適用于對轉速較低的主軸軸承或附件傳動軸承供油，對滑油壓力要求不高，只要保證流量即可，如圖3所示。葉輪供油是指滑油由噴嘴沿與主軸垂直的平面噴出，被與主軸同心的徑向葉輪收油裝置收集，再沿軸向輸送到軸承內圈環(huán)下進入軸承內腔。葉輪供油是將噴射和環(huán)下供油相結合的供油方式，滑油以一定速度和角度從噴嘴中噴出射入收油環(huán)葉輪之間的縫隙，葉輪沿收縮方向轉動將滑油收入葉根部位，再由軸向油槽將滑油輸入到軸承一端，滑油從開槽的軸承內圈被甩入軸承內腔。其優(yōu)點是能對軸承腔空間不夠充裕的軸承進行環(huán)下供油，并能減小軸承內圈尺寸，但其對葉輪的葉片葉型設計要求較高，一般供油效率較低。葉輪供油的供油壓力和噴嘴設計要求與噴射供油的相同，其收油裝置的流道和供油孔設計要求與環(huán)下供油設計相近，如圖4所示。

3 滑油流量的確定

航空發(fā)動機主軸軸承的工作特點是轉速高、DN值大、載荷多變和溫度環(huán)境復雜，所以各支點軸承發(fā)熱量普遍較多，應使用潤滑油對軸承進行冷卻和調節(jié)軸承溫度場。

確定滑油流量時，首先假定軸承自身發(fā)熱量全部被滑油帶走。軸承發(fā)熱量可采用軸承熱分析軟件計算，也可按式（1）估算，軸承發(fā)熱量引起滑油溫度升高值按式（2）計算

式中：Q1為軸承發(fā)熱量，W；D為軸承內徑，mm；N為軸承內圈轉速，r/min；C為軸承額定動負荷，N；η為滑油動力黏度，Pa·s；F為軸承當量負荷，N；ΔT為溫度升高值，℃；ρ為滑油密度，kg/L；Q為滑油流量，L/min；CP為滑油定壓比熱容，J/(kg·℃)。

計算時，首先根據(jù)軸承尺寸、轉速、承載能力、滑油黏度和假定的流量、當量負荷用式（1）估算Q1，再用式（2）計算ΔT。將ΔT與預期的滑油溫度升高值對比；重新假定滑油流量，計算Q1和ΔT。如此循環(huán)迭代計算，直至前后2次計算的ΔT差值滿足精度要求。

由于預期的滑油溫度升高值通常為1個區(qū)間值（如20～30℃），一般只需要迭代2～3次就可以確定滑油流量。由于軸承所在支點位置不同，則外端傳入的熱量就不同，從發(fā)動機進氣端到排氣端各支點軸承所需的滑油流量應在上述計算數(shù)據(jù)的基礎上分別乘以1～5倍的系數(shù)，具體系數(shù)取值應根據(jù)使用經(jīng)驗和試車效果確定。此外，如果軸承內、外圈溫度差較大，需要對溫度較高的套圈進行單獨冷卻，這部分滑油流量不在上述計算的流量之內，其數(shù)值主要根據(jù)試車效果確定。

4 噴嘴和潤滑冷卻結構設計

4.1 噴射供油

噴嘴流量確定后，噴孔直徑為

式中：d為噴孔直徑，cm；γ為滑油密度，g/cm3；Δp為供油壓力，N/cm2；μ為流量系數(shù)，一般μ=0.60～0.73。

每個噴孔直徑不應小于0.8 mm，但也不宜過大。當需要大流量時，可設置多個噴孔。為保證滑油噴出后不發(fā)散，噴孔長徑比不小于3，噴孔柱面粗糙度不大于，出口邊緣應保持銳邊。

航空發(fā)動機主軸冷端軸承可在一側設置1個噴嘴，熱端軸承應在兩側分別設置1個或多個噴嘴。在結構空間允許時，噴孔軸線應對準軸承套圈（擋邊）與保持架內徑或外徑表面的間隙中間，且與套圈軸線成5°～10°的夾角。單噴嘴應安裝在相對垂直中心線與轉子旋轉相反方向一側30°～45°的位置。

4.2 環(huán)下供油

環(huán)下供油結構包括噴嘴、集油套、輸油槽及軸承內圈上的徑向孔，其結構設計的目標是使收油效率最高。

對于設置在軸端的軸承，當集油套空間允許時，盡量將噴嘴置入集油套腔內，并在噴嘴內部流道內設置控制滑油流量的節(jié)流孔，而將噴孔設計成較大截面的卸壓孔，以便降低滑油噴射速度，避免滑油反射飛濺。這樣可使收油效率達到100%。如果1個噴嘴同時給多個軸承供油，由內部流道內的節(jié)流孔控制總滑油流量，各軸承流量的分配比例通過改變卸壓噴孔的大小調整。

對于設置在軸中間的軸承，或雖設置在軸端但集油套空間較小時，軸承的環(huán)下供油往往借助集油套實現(xiàn)，此時的噴嘴設計方法與噴射供油的噴嘴設計方法相似，但對噴孔要求不嚴。流量較大時噴嘴應設計成沿圓弧分布的多噴孔，以減小滑油損失。噴嘴噴孔應對準集油套與主軸的間隙中間，并與主軸中心線成10°～15°的夾角，以防止滑油反射出集油套間隙。噴嘴位置應使噴孔與集油套端面距離保持在10 mm左右。

集油套的設計應主要考慮：（1）擋油是防止滑油在工作狀態(tài)下沿軸向溢出；（2）分油能精準地將各軸承所需的滑油分配給各軸承；（3）排油能及時地將分配給各軸承的滑油全部供到軸承內腔；（4）與主軸同步旋轉，與主軸剛性連接在一起；（5）內部應設置油泥沉淀區(qū)和集油錐角；（6）輸油槽的通道截面應設計成圓弧型，滑油通道應暢通、光滑、無節(jié)流，表面粗糙度應不大于

軸承內圈徑向孔可設置在內圈滾道與擋邊的拐角處，也可設置在擋邊引導面上，或者2處同時開孔。軸承轉速較高時，內圈滾道與擋邊的拐角處必須設置油孔；軸承轉速較低時，可以只在擋邊引導面上開孔；內外圈同時旋轉的軸間軸承采用環(huán)下供油時，最好在上述2處同時開孔，開孔數(shù)量比例根據(jù)套圈相對轉向確定，同向旋轉可按1∶1，反向旋轉可按2∶1。內圈油孔大小和數(shù)量根據(jù)滑油流量和內圈轉速確定。

4.3 葉輪供油

根據(jù)滑油流量要求和轉子轉速、轉向，初步設計葉輪式徑向收油裝置的葉片葉型、傾斜與扭轉角度、尺寸大小（內徑、外徑）、葉片數(shù)量、工作面粗糙度等葉輪結構和軸向輸油槽、輸出縫隙和軸承內圈油槽的結構，再結合Fluent軟件平臺建立可行的葉輪式徑向收油裝置分析模型，施加相應的初始條件和邊界條件，形成CFD計算模型，分別計算在各種條件下的葉輪收油效率、軸向油槽輸油效率、輸出縫隙和軸承油槽的阻力等性能參數(shù)，并綜合上述因素進行耦合分析及優(yōu)化設計。如果計算結果不夠理想，調整上述設計參數(shù)重新計算，直至設計參數(shù)滿足供油效率的理論要求。

采用葉輪供油方式時，對噴嘴的噴射速度、油流發(fā)散角度等都有一定要求，該種噴嘴與噴射供油的設計相同。

葉輪式徑向收油裝置設計加工完畢后，還應進行供油效率試驗。如果試驗結果合理，則確定設計方案；如果試驗結果與理論分析相差較大，則要調整設計結構和參數(shù)。

4.4 噴流供油

噴流供油對滑油壓力和流速都沒有嚴格要求，也不受噴射方向和發(fā)散度的限制，所以，該方式設計簡單，只需根據(jù)滑油流量要求確定噴管的直徑和數(shù)量，再根據(jù)供油位置確定噴管位置和長度、走向等。

5 結束語

綜上所述，潤滑油的選用是主軸軸承潤滑冷卻技術設計的基礎，主要根據(jù)軸承工作溫度范圍確定；供油方式的選用和潤滑冷卻結構設計是確保主軸軸承溫度場變化趨于穩(wěn)定的基礎，其設計主要根據(jù)發(fā)動機總體結構設計需求和軸承工作條件確定；滑油流量和供油壓力與軸承溫度環(huán)境、供油方式有關，是控制軸承溫度上限的有效手段，同時也要考慮潤滑系統(tǒng)供油能力和軸承DN值的影響；噴嘴設計主要根據(jù)滑油流量和供油方式進行。航空發(fā)動機主軸軸承潤滑冷卻技術設計的上述問題，是主軸軸承系統(tǒng)設計中必須注意的幾個相互依存的技術環(huán)節(jié)，是確保主軸軸承合理應用的必要技術手段，也是保證主軸軸承最大限度地發(fā)揮作用的必要條件。

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