潤滑系統調壓差活門技術研究與應用

趙宏達，毛福榮，谷 俊

（中國航發沈陽發動機研究所航空發動機動力傳輸航空科技重點實驗室,沈陽110015）

0 引言

調壓差活門為中國航發沈陽發動機研究所胡興海等研制，并已被授權為實用新型專利，是某型航空發動機滑油供油系統重要部件[1]，安裝于滑油泵組上，用于控制滑油系統的供油量，關系著航空發動機潤滑系統的供油能力和工作穩定性[2]。

當前，國外軍用航空發動機（例如美國GE公司的F110軍用發動機及俄羅斯АЛ-31Ф發動機）的滑油供油系統均采用定壓活門來控制滑油系統流量，只有中國自主研制的第3代戰斗機滑油供油系統采用調壓差活門控制滑油系統循環量[3]，與定壓供油方式相比，該控制方式更為先進，各潤滑點滑油供給量較合理，解決了高壓軸承腔滑油供給困難的技術問題。但調壓差活門為國產航空動力潤滑系統首次設計并使用，在試驗研究、驗證等方面相對欠缺。

在發動機實際工作中，由于調壓差活門打開壓力設置不合理，導致滑油供油壓力過高或偏低，造成飛機報降轉信號情況時有發生[4]。另外，在滑油系統設計時，由于缺乏調壓差活門的流量特性相關數據而將其簡化或忽略，從而影響計算結果的準確性和真實性。本文通過試驗研究調壓差活門的開閉特性、溢流特性、響應特性等，從而掌握調壓差活門的工作特性，為滑油系統設計及外場維護時更好地使用調壓差活門提供重要參考依據。

1 調壓差活門工作原理

調壓差活門安裝于滑油泵組上，滑油泵組增壓級出口多余的滑油通過調壓差活門溢流至滑油泵組的總回油出口，其功能原理如圖1所示。

調壓差活門主要由活門殼體、滑閥、彈簧、導桿、引導螺塞及調節螺釘構成，結構如圖2所示。

調壓差活門感受供油管路壓力和中軸承腔壓力，在彈簧力、供油路壓力、中軸承腔壓力的共同作用下滑閥可以前后移動，使溢流孔的開度大小發生變化，保證各噴嘴前后的壓差穩定在規定范圍內，滑閥的受力如圖3所示。

對滑閥進行受力分析，在發動機穩態下調壓差活門開啟狀態時，滑閥受平衡力為

式中：Fhg、Fzz、Ft分別為滑閥所受供油壓力、中腔壓力及彈簧的作用力；S1、S2為滑閥受力面積，根據滑閥技術圖樣可知，S1=S2；Phg為供油壓力；Pzz為中腔壓力；K為彈簧剛度；X為彈簧壓縮量[5]。

因此滑閥開啟時受力為

式中：Pm為供油壓力與中腔壓力之差簡稱滑油供油壓差。

2 調壓差活門試驗

為了摸清調壓差活門的工作規律及溢流特性，制定了試驗方案，并建立試驗器，分別進行了打開壓力試驗、溢流特性試驗和動態響應試驗等。

2.1 調壓差活門打開壓力試驗

調壓差活門試驗原理及設備[6]如圖4～6所示。

在如圖5、6所示的試驗器上進行試驗，調整供油路電機調速旋鈕，供油路流量為74～82 L，供油壓力為230～320 kPa。然后調節供油壓差路閥門，使得供油壓差路滑油壓力從0開始逐漸升高，注意觀察溢流管的溢流量[7]。

測得滑油供油壓差為252 kPa時，溢流口溢流，活門打開。

當活門剛打開時，存在以下受力平衡K·X=Pm·S1，將K、S1、打開壓力Pm帶入公式，可得彈簧的初始壓縮量X0＝15 mm，對尺寸鏈進行計算可得，當活門打開壓力為252 kPa時，調整螺釘露出引導螺塞13 mm，如圖7所示。此數據可指導調壓差活門生產時，對初始打開壓力的設定。

2.2 調壓差活門溢流特性試驗

在如圖5、6所示的試驗設備上進行調壓差活門溢流特性試驗，調節調壓差活門入口流量為74～82 L/min，入口壓力為300 kPa，調節供油壓差路閥門，對不同供油壓差下活門的溢流量進行測量。當滑油溫度為72.7℃、入口流量為79.8 L/min、開啟壓力為252 kPa時，溢流量見表1。

表1 調壓差活門溢流特性

對調壓差活門流量特性試驗數據進行處理后繪制出調壓差活門溢流特性曲線，如圖8所示。

從圖中可見，調壓差活門開始溢流時，隨著滑油供油壓差的增大，溢流量緩慢增加，但當供油壓差增大至260～265 kPa時，曲線出現拐點，此后，隨著供油壓差繼續增大，溢流量增加較快，與供油壓差基本呈線性關系[8]。

由如圖9所示的調壓差活門結構可知，進油口處密封結構為圓錐面對尖邊形式，在發動機停車狀態、活門未打開前，滑油無法通過該密封結構進入溢流口，起到防止滑油系統虹吸的作用[9]；當活門剛打開時，滑油通過滑閥與殼體之間的間隙進入溢流口，如圖10（a）所示；隨著供油壓差的增大，活門開度逐漸增大，但由于滑油溢流路仍為滑閥與殼體之間的間隙（介于圖 10（a）、（b）之間的狀態），溢流量增加緩慢；隨著活門開度繼續增大,溢流路變化為殼體上的溢流孔（如圖10（c）所示狀態），隨著供油壓差進一步增大，溢流孔節流面積線性增加，溢流流量也線性增加，根據薄壁小孔流量公式[9]

溢流量與孔面積成正比，試驗結果與理論曲線變化趨勢基本一致。

對調壓差活門進行尺寸鏈計算，當滑閥從關閉狀態開啟至溢流孔溢流時，滑閥需移動0.8 mm，相應的彈簧壓縮量增加0.8 mm，此時相應的供油壓差Pm需增大13.4 kPa，從 252 kPa增大至265.4 kPa，計算值（拐點）與試驗結果265 kPa基本一致。

2.3 調壓差活門動態響應試驗

為了摸清調壓差活門對滑油系統滑油壓力調節的響應品質，進行調壓差活門響應特性試驗[11]。

試驗器由定量泵（定轉速）、進口調壓開關K1、油濾、溫度計、激勵開關K2和其它傳感器組成，試驗原理如圖11所示。

試驗前通過調整K1使供油壓差（YC表示數）達到260 kPa，然后迅速扳動K2開關，通過示波器觀察調壓差活門流量和壓差響應。

當滑油溫度為85℃、滑油供油壓差從260 kPa突增至270 kPa時，調壓差活門的溢流量由12.8 L/min增加至15.6 L/min，響應時間為384 ms；當滑油溫度為85℃、滑油供油壓差從260 kPa突降至250 kPa時，調壓差活門的溢流量突減響應時間為178 ms。

從試驗結果可知，調壓差活門所在的液壓系統響應時間不超過384 ms，去除試驗系統中其它反應較慢部件的影響，調壓差活門本身的響應速度應低于示波器示數響應時間，針對機械系統而言，該活門調節時間較短，響應快，對正常的壓力變化能及時響應，可滿足發動機的正常使用[12]。

3 調壓差活門試驗結果應用

3.1 流量特性在仿真中應用

將試驗得到的調壓差活門溢流特性曲線應用到Flowmaster仿真計算中[13]。將試驗所得的溢流特性數據輸入Flowmaster數據庫管理系統中，得到性能數據曲線[14]，然后將調壓差活門特征中Pressure v Flow Rate參數設定為新定義的性能曲線，這樣即得到自定義調壓差活門元件。調壓差活門元件在Flowmaster中的應用如圖12所示，用于仿真計算滑油系統供油流量和供油壓力。

將自定義的調壓差活門元件應用于某新型發動機滑油系統的供油流量和供油壓力仿真分析中，最終得到計算結果比以往分析更接近于真實值，滑油系統仿真模型如圖13所示[15]。

3.2 打開壓力試驗在生產中應用

根據試驗所得的活門打開壓力及計算所得的調整螺釘外露高度，指導調壓差活門生產廠家對活門初始打開壓力的設定，并按照打開壓力試驗方法進行打開壓力的校核，將調壓差活門的打開壓力設置在合理范圍內，使滑油系統的供油壓力、流量滿足發動機工作需求。

4 結論

（1）首次建立了針對調壓差活門試驗的試驗系統，為后續其它型號的調壓差活門試驗奠定了基礎。

（2）得到了活門打開壓力值，可指導后續生產時對活門打開壓力合理地設定，使發動機潤滑系統各噴嘴的滑油壓力及流量滿足發動機使用需求，減少了發動機使用的故障。

（3）根據調壓差活門的溢流特性曲線，在后續發動機潤滑系統設計中可對活門打開壓力進行合理設定，使滑油系統壓力、流量等滿足發動機需求。

（4）將根據活門流量特性曲線建立的調壓差活門數字仿真模型應用到航空發動機滑油系統壓力、流量設計計算中，提高了滑油系統供油流量和壓力仿真計算的準確性和真實性，從而縮短型號研制周期，減小試驗工作量，降低研制成本。

（5）根據調壓差活門動態響應時間可為滑油壓力波動的分析提供數據支持。

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