徑向環下潤滑結構及收油效率設計分析

（中國航發湖南動力機械研究所，中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

近年來隨著航空發動機主軸軸承的DN值越來越高，軸承各運動副之間因摩擦產生更多的熱量，這就要求軸承潤滑系統具有更高的潤滑效率。環下潤滑比噴射潤滑更加適合高轉速、工作時產生較多熱量的軸承[1]，在高DN值的航空發動機主軸軸承潤滑中被廣泛使用。

所謂環下潤滑就是滑油經軸承內圈上的徑向孔、槽進入軸承，即從軸承內環下部向軸承供油，環下供油根據不同的收油方式可分為徑向環下潤滑及軸向環下潤滑，本文針對徑向環下潤滑方式開展分析研究，結構如圖1所示。

圖1 徑向收油原理圖

1.結構形式及對收油效率影響分析

1.1 結構形式

軸承徑向環下潤滑原理如圖1所示，收油環將從噴嘴噴出的滑油通過收油窗收集到儲油腔，大部分潤滑油流過內圈下的軸向輸油槽并帶走熱量，少部分潤滑油通過軸承內圈的徑向輸油孔供給滾動接觸部位，并對保持架供油，從而實現對軸承的冷卻和潤滑[2]。

1.2 收油效率影響分析

徑向環下潤滑結構設計時，已經確認的發動機主要參數：轉子轉速N、軸承初始選型（轉子軸外徑R0），當軸承內徑、轉速確定情況下，軸承所需滑油流量Q可以根據軸承產生的熱量計算可得[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，僅占據輸油槽的極少部分，考慮加工公差、安全裕度及加工工藝，一般取收油環輸油槽外徑R1= R0+0.5mm。根據結構設計經驗，一般轉子軸類零件壁厚不小于1.5mm，故取收油環收油槽內徑R2=R1+1.5mm=R0+2mm。

航空發動機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為噴嘴口數量）。

每個滑油噴嘴在兩個收油環收油口之間噴射的距離為：

而在收油環區域內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量，以降低單個噴嘴在兩個收油口之間的射流長度，或增大收油環收油槽外徑R3，但在工程設計中，與軸承內環直接接觸的零件直徑不會高于軸承內環外徑，以避免阻塞軸承潤滑滑油的流出，故收油環收油槽最大值即為軸承內環外徑值。

為避免油路撞擊收油環內壁面，同時取得最大的油路長度，噴油嘴噴油的最佳角度α=sin-1（R2/R4）；當角度大于最佳角度時，會出現射流偏離收油槽內環，在收油區域內的有效滑油射流長度減小，當角度小于最佳角度時，會出現射流在中間區域撞擊收油槽內環，產生濺射。

由以上分析可知，在工程應用中，控制收油環收油效率的因素主要集中在滑油噴嘴數量、收油口數量、滑油噴嘴口所處直徑這三個因素。

2.控制參數分析

2.1 滑油噴嘴口位置對收油效率的影響

控制其余參數一致，僅調整轉速及供油流量，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收油效率隨供油噴嘴口所處直徑的變化關系，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結構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，滑油射流到達收油葉片處經過的空間距離越長，滑油發散越大，且徑向收油環附近的氣流速度均較高，會影響滑油射流的流動，滑油射流在高速氣流作用下飛濺的小液滴數量增加，因此收油效率會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 滑油噴嘴口數量對收油效率的影響

在徑向收油環結構不變的情況下，改變供油噴嘴數量（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，改變每個供油噴嘴的滑油流量可看作改變每個供油噴嘴出口的滑油流速）會影響徑向收油環的收油效率。

圖4為同滑油流量、不同轉速條件的收油效率隨供油噴嘴數量變化圖，增加供油噴嘴數量時，單個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，有利于徑向收油環收集滑油，表現為低轉速條件下收油效率隨供油噴嘴數量的增加而增加但單個噴嘴的滑油流速減小也導致其抵抗風阻能力減小，不利于徑向收油環收集滑油，表現為單供油噴嘴條件下滑油流速高，抵抗風阻的能力增強，進入徑向收油環內部的滑油量增加，隨著供油噴嘴數量的增加，滑油流速降低，抵抗風阻的能力減小，進入徑向收油環內部的滑油量也相應的減少，因此收油效率隨供油噴嘴數量的增加而降低。

圖4 收油效率隨供油噴嘴數量變化曲線（總流量4.5L/min）

2.3 收油口數量對收油效率的影響

在軸承噴嘴及收油環其他結構參數固定的情況下，調整收油口數量，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，徑向收油環收油效率隨收油口數量的變化關系，不同工況條件下收油效率均隨著收油葉片數量的增加而增加，滑油射流在環下潤滑油結構中的破碎位置（穿透深度）主要由滑油射流與氣流的動量比決定，收油環轉速決定氣流動量，在相同工況條件下滑油射流的破碎位置幾乎不會有變化。如圖5所示。

圖5 收油效率隨收油口數量變化曲線

3.結論

本文提出了一個比較系統的徑向環下潤滑工程設計方法及步驟，分析了影響收油環收油效率的主要參數及其影響規律。

（1）工程設計中，徑向環下潤滑結構基本輪廓尺寸由發動機方案設計確定，在此基礎上，影響徑向環下潤滑結構收油效率的主要因素為滑油噴嘴數量、收油口數量、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收油葉片前的流動，增加該距離滑油射流動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）供油噴嘴數量受發動機轉速、供油流量影響，供油噴嘴數量對收油效率的變化規律需要根據風阻、供油總流量、收油口切割滑油射流頻率等因素綜合考慮。

（4）收油環收油口數量主要影響收油口切割滑油射流的時間間隔，收油環轉速與滑油流量之比在一定范圍內時，收油效率將隨收油葉片數量的增加而增加。