離心式滑油分配器設計方法

李博，郭梅，許振君，梁作斌

(中國航空工業集團公司航空發動機動力傳輸航空科技重點實驗室，遼寧沈陽110015)

離心式滑油分配器設計方法

李博，郭梅，許振君，梁作斌

(中國航空工業集團公司航空發動機動力傳輸航空科技重點實驗室，遼寧沈陽110015)

航空發動機附件機匣包含有大量旋轉部件，且轉速高、溫升大和工況復雜。為保證附件機匣的使用壽命，提高可靠性，必須對旋轉部件進行強制潤滑。但航空發動機附件機匣結構往往設計得非常緊湊，難以實現多點強制潤滑。離心式滑油分配器可實現狹小空間內的多點有效潤滑，同時可簡化附件機匣內部結構設計。根據流體力學原理，推導了離心式滑油分配器設計的相關計算公式，建立了離心式滑油分配器的設計方法。

航空發動機；附件機匣；離心式滑油分配器；潤滑；漸開線花鍵；滾動軸承

1 引言

航空發動機附件機匣用于固定燃滑油附件、控制系統電機、測試傳感器等飛發附件，并將渦輪的軸功傳遞給各個附件，滿足各附件對轉速、轉向和功率的要求[1]。同時，在發動機起動過程中，通過附件機匣將起動功率傳遞給發動機主軸，保證飛行器無論是在空中或是在地面都能正常起動飛行[2]。

附件機匣主要由一系列齒輪、軸承及傳動花鍵組成。為滿足附件傳動系統長時間可靠工作，對高速運轉的軸承、花鍵必須采用適當的方式潤滑冷卻。通常需要在附件機匣內部布置滑油噴嘴進行噴油潤滑，但有時因附件機匣結構緊湊、空間有限，而無法使用噴嘴進行潤滑。

本文介紹的一種結構簡單、使用可靠、安裝于齒輪軸內部的離心式滑油分配器，可在一定場合下替代滑油噴嘴，簡化附件機匣內部結構，減少零組件數量，提高傳動系統的可靠性[3]。該離心式滑油分配器利用齒輪軸高速轉動產生的離心力，通過特定孔型，將潤滑油定量、連續地輸送至潤滑點，對軸承、花鍵進行潤滑冷卻，增加其使用壽命，進而提高整個傳動系統的可靠性。離心式滑油分配器的設計點有分油孔型設計和供油量計算兩個，本文針對這兩個設計點，建立離心式滑油分配器的數學模型和設計方法，以為其結構設計提供理論依據。

2 軸承和花鍵的潤滑

航空發動機附件機匣內軸承采用何種潤滑方式，通常依據軸承的DN(D為軸承內徑(mm)，N為轉速(r/min))值大小來確定。軸承的DN值可反映軸承在運轉過程中的升熱量，為控制軸承溫升，一般對軸承的DN值加以限制。不同潤滑劑和潤滑方式下軸承允許的DN值見表1[4]。

表1 各種潤滑方式下軸承的許用DN值104Table 1 AllowableDN×104among diversified lubricated method

附件機匣內的花鍵一般為漸開線花鍵，設置于齒輪軸軸端驅動飛發附件，或設置于傳動桿端部傳遞渦輪軸功。內外花鍵存在齒側間隙，在運轉過程中會出現微動磨損，并且這種磨損會隨著角偏斜量的增大而加劇。對花鍵齒面進行強制潤滑，可降低磨損程度，提高使用壽命[5]。在航空發動機設計領域，花鍵是否需要強制潤滑，主要依據齒面許用擠壓強度和齒面間相對滑動速度來確定[6]。

對于鋼制、齒面滲碳的漸開線花鍵，相比脂潤滑，采用滴油潤滑可提高齒面擠壓強度50%以上。齒面間的相對滑動速度V主要由角偏斜造成，計算方法為：

式中：Vs為許用滑動速度(mm/s)，Dm為花鍵副的平均直徑(mm)，N為轉速(r/min)，Δ為偏斜角度(rad)。

航空發動機附件機匣內，許用滑動速度通常限制在125 mm/s內，偏斜角度通常不大于0.003 rad，超過這一范圍時必須進行強制潤滑[7]。

3 離心式滑油分配器的設計

3.1 分油孔孔型設計

離心式滑油分配器屬于圓柱形薄壁件，中心為分油孔，通常設置為腰形。分配器通過過盈固定在空心齒輪軸心部隨齒輪軸轉動，根據孔型尺寸自動分配潤滑油油量，其結構形式見圖1。

圖1 離心式滑油分配器Fig.1 The centrifugal oil distributor

圖1所示滑油分配器通過腰型孔(圖2，圖中虛線為潤滑油落點軌跡)定量分配潤滑油，分配器的理論分油效率按式(2)計算?？紤]到齒輪軸轉速、潤滑油物性參數及流體噴射效應等因素的影響，分配器的實際分油效率會降低，式(3)為修正的分油效率計算公式。轉速影響系數Kn、潤滑油粘度影響系數Kμ和流體噴射效應影響系數Ks可通過試驗獲取，實際使用上將其乘積定義為分配影響因子β(取值范圍0.93～0.96)，則實際分油效率的計算公式可改寫為式(4)。通過改變結構尺寸L、D的大小可實現不同的分配效果，滿足不同附件機匣的設計要求。

圖2 滑油分配器分油孔Fig.2 The hole of the centrifugal oil distributor

3.2 供油量計算

進入分配器的潤滑油經分油孔分成兩個或更多部分，其中一部分潤滑油進入甩油腔內，之后潤滑油通過圖1所示的甩油孔在離心力的作用下甩出分配器進入潤滑點。通過甩油孔甩出的潤滑油流量大小，主要取決于轉速、結構尺寸及機匣內壓強，可根據薄壁孔口的恒定自由流模型計算[8]，見圖3。公式(5)是薄壁孔口恒定自由流流量的計算公式。

圖3 薄壁孔口自由出流Fig.3 The flow of fluid from the thin walled hole

式中：Q為流量(cm3/s)；Cd為出流系數，通常為0.60～0.61；A為甩油孔截面積(mm)；Δp為1-1截面與C-C出口截面的壓力差；H為液面高度(mm)；ρ為潤滑油密度(g/cm3)。

這里需要說明的是，薄壁孔口恒定自由流計算模型僅考慮重力作用下的液體流動，而滑油分配器內的潤滑油是在離心力作用下甩出，所以在自由流基礎上需增加一個“離心水頭”的影響效果。根據等角速度旋轉容器中液體平衡模型[5]，離心力作用產生的“離心水頭”按式(6)計算，這樣修正后甩油孔潤滑油流量按式(7)計算。一般情況下進入滑油分配器的潤滑油無法形成穩定油面，所以計算過程中不考慮位置水頭的影響，即認為H=0。

式中：ω為角速度(rad/s)，r為甩油孔距旋轉中心的距離(mm)。

如果進入分配器的滑油總流量為Q總，那么在分配器尺寸設計上必須滿足式(8)。其中η為甩油孔出油效率，表示甩油效果的強弱。為保證潤滑效果，η必須小于1，通常選在0.85～1.00之間，即保證通過甩油孔甩出的潤滑油總是多于進入的潤滑油，這樣可保證分配器內不會有過多積油。積油會造成齒輪軸不平衡響應增大，降低軸承的使用壽命。

式中：Z為甩油孔數量。

3.3 設計案例

圖4是某型航空發動機附件機匣的一處離心式滑油分配器應用示例。如圖所示，噴嘴噴出的壓力油經腰形分油孔分別進入A腔和B腔，進入A腔的潤滑油經甩油孔(7和8)，依靠離心力產生的甩油作用對球軸承進行潤滑[9]，擋油板結構增強了對球軸承的潤滑效果；進入B腔的潤滑油流入滾棒軸承，并形成具有一定液面高度的油池對軸承進行油浴滑。

圖4 軸承潤滑Fig.4 Lubricated bearing

圖5 花鍵潤滑Fig.5 Lubricated multiple spline

圖5是使用離心式滑油分配器對漸開線花鍵進行潤滑的例子[10]。通過噴嘴1潤滑油進入分配器，A-A視圖中虛線為潤滑油落點軌跡，之后潤滑油經8字形分油孔分配后部分通過甩油孔進入傳動軸花鍵進行潤滑。通常受結構限制，花鍵一般采用潤滑脂進行被動潤滑；本例通過分配器，實現了花鍵連接的強制供油潤滑，提高了傳動的可靠性。

4 結束語

離心式滑油分配器可有效解決齒輪箱內狹小空間的多點潤滑問題，簡化機匣內部結構，實現對軸承和花鍵等結構的有效潤滑及冷卻。本文詳細介紹了離心式滑油分配器的設計方法及應用實例，根據這一方法，可設計出更多、形式更靈活的結構，以適用不同機匣的需要。離心式滑油分配器在設計和使用上，還需注意以下三個問題：

(1)分配器與旋轉部件之間通常采用H7/u6、H7/s6的過盈聯結，保證分配器不會軸向移動；

(2)離心式滑油分配器利用離心力的甩油效果實現滑油輸送，所以必須使用在高轉速場合(一般要求轉速不低于6 000 r/min)；

(3)分配器在結構設計上必須保證滑油流動順暢，不存在積油點，實現干油腔設計，即不工作時其內部無存油。

[1]劉長福，鄧明.航空發動機結構分析[M].西安：西北工業大學出版社，2006.

[2]林基恕.航空燃氣渦輪發動機機械系統設計[M].北京：航空工業出版社，2005.

[3]林左鳴.戰斗機發動機的研制現狀和發展趨勢[J].航空發動機，2006，32(1)：6—8.

[4]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[K].3版.北京：機械工業出版社，2004.

[5]Valtierra J R M L，Brown H W，Ku P M.A Critical Survey and Analysis of Aircraft Spline Failures[R].San Antonio：Southwest Research Institute，1975.

[6]Waterhouse R B.Fretting Fatigue[M].London：Applied Science Publishers，1981.

[7]航空發動機設計手冊編委會.航空發動機設計手冊：第12冊——傳動及潤滑系統[K].北京：航空工業出版社，2002.

[8]盛敬超.液壓流體力學[M].北京：機械工業出版社，1980.

[9]賴偉，林國昌，陳聰慧.燃氣輪機滾動軸承故障模式及延壽方法[J].航空發動機，2007，33(1)：37—41.

[10]郭梅，陳聰慧，戰鵬，等.航空發動機中央傳動桿磨損故障分析與研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2013，26 (2)：54—57.

Design Method of Centrifugal Oil Distributor

LI Bo，GUO Mei，XU Zhen-jun，LIANG Zuo-bin
(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Power Transmission of Aero-Engine，Aviation Industry Corporation of china，110015，China)

The accessory casing of aero-engine includes a series of rotating parts which operated in hostile environment featured high speed and temperature.Generally,to guarantee the operating life and reliability, the rotating parts of accessory casing have to possess forced-feed lubrication,but as a result of well-knit construction,it is very difficult to conduct multi-point lubrication.The centrifugal oil distributor is capable of conducting multi-point lubrication,but also simplifying internal construction of gearboxes.Fundamental?ly,the textual content has been concluded and design method of the centrifugal oil distributor was estab?lished based on the theory of hydrodynamics.

aero-engine；accessory casing；centrifugal oil distributor；lubrication；spline；rolling bearing

V233.4

：A

：1672-2620(2014)04-0035-04

2013-12-17；

：2014-05-07

李博(1982-)，男，遼寧沈陽人，工程師，主要從事航空發動機傳動系統設計技術研究工作。