航空发动机滑油泵气塞的预防措施

李国权，黄 健

（1.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015；2.西北工业大学能源与动力学院，西安 710072）

1 引言

当滑油泵入口管路存在空气时，滑油泵可能发生气塞并导致不供油，进而造成航空发动机起动失败。滑油泵产生气塞的原因是在泵的入口有空气且难以排出，泵出口阻力大，端面或径向间隙过大而导致泵的效率低等。为此，在发动机滑油系统设计中，深入系统地了解滑油泵气塞形成的原理及其预防措施是十分必要的。

2 滑油泵气塞形成的原理

航空发动机滑油泵的功能简单地说就是将滑油从油箱（或油池）抽出并送到各润滑点（或油箱）。航空发动机的滑油泵一般都是容积式的，常用的有齿轮泵和转子泵。容积式泵的特点是在泵前抽真空，在泵后将流体强制送出，当进口条件相同时，泵出口性能（流量）基本保持不变，泵后压力取决于泵后阻力。滑油泵的性能，不但与滑油泵本身有关，还与其所处的系统有关。因此，需将滑油泵放在系统中来研究。滑油泵及其所处系统的简化模型如图1所示。当泵转动时，泵进口的滑油或空气被抽出至出口，在泵前形成负压，油箱（或油池）内的滑油在压力作用下，被送至泵的入口处，再经泵挤压至出口，完成泵送过程。

但在发动机起动过程中（尤其是首次上台运转，滑油泵内间隙中无滑油或滑油很少），由于油箱液位较泵入口低，泵进口管路中存在空气，也就是说，泵在起动过程中的工作介质是空气（图1），当泵起动后，泵前空气被泵从入口送到出口，P2升高，P1降低，前者推动泵出口的气体由当量喷嘴排出（设流量为Q1），后者使P0与P1之间形成压差，使油池的油位沿管路上升补充入口管路被排出的部分体积（设补充流量为Q2），而P2与P1之间也形成压差，使泵后空气通过油泵间隙（径向间隙、端面间隙、啮合间隙）向泵前泄漏（设泄漏流量为Q3）,设泵的理论流量为Q，则

当泵后阻力小于P2时，P2就推动泵出口的空气排出，Q1≠0,Q2≠0，泵前管路内的空气被不断排出，直至全部排出，这样就完成了起动且未发生气塞。

当泵后阻力大于P2时，P2就无法推动泵出口的空气排出，Q1=0,此时有

也即泵的排量等于泵的泄漏量，泵的效率为0，空气在泵内循环，气塞形成。

从以上气塞形成的原理可作如下分析。

滑油泵的气塞形成与泵的泄漏流量Q3关系很大，而该泄漏都是通过泵的间隙（端面、径向、啮合间隙）形成，通常可归结为缝隙流动。对该缝隙流动，吉林工程技术师范学院的陈英等人以齿轮泵为研究对象，对端面、径向、啮合间隙进行了深入研究，建立了齿轮泵的内泄漏模型，根据他们所建立的模型，对于端面泄漏量，与泵前、后压差成正比，与流动介质的的动力黏度成反比，与端面间隙的3次方成正比，与转速的平方成反比；而齿轮的径向间隙泄漏量则与压差、径向间隙、齿宽、齿顶线速度有关，其中，压差、径向间隙、齿宽越大，泄漏量越大；线速度越大，泄漏量越小。当泵在进行滑油泵送时，由于泵内介质为滑油，滑油的黏度较大，泄漏量Q3相对较小，泵送过程可以正常进行；而当在起动初期，滑油泵泵送的是空气，空气黏度小，相对转速较低，这些条件使泄漏量Q3相对较大，容易形成气塞。

滑油泵气塞的原理，还可通过数值模拟的方法加以证明。在本文第3节中，通过对某齿轮泵性能进行数值模拟，可以更清楚地看出，在特定条件下，滑油泵的出口流量为0，证明了气塞的存在。

3 滑油泵气塞的数值模拟

3.1 计算方法

计算使用商业软件fluent，控制方程采用3维非定常N-S方程，湍流模型采用标准S-A一方程，壁面附近用标准壁面函数，基本方程求解用基于密度的求解方法，求解器用有限体积法。计算网格采用3棱柱非结构网格，根据齿轮泵的工作特点，泵体计算网格采用动网格技术来处理计算域随时间变化问题，齿轮转速通过自定义文件给定，泵体网格质量通过2个齿轮的啮合过程不断重构保证。

在给定进口总温、进口总压、进口速度方向与出口反压的边界条件下，通过改变出口反压计算得到整个特性线。计算收敛条件为：进口和出口流量随时间步呈现有规律的周期性变化。某点的收敛曲线如图2所示。

在计算中，假定泵入口气体为可压缩的理想气体。

3.2 计算对象

计算以某一普通齿轮泵为对象，计算模型外形如图3所示，齿轮泵主要参数见表1。

表1 简化齿轮泵主要参数

3.3 计算结果及分析

在计算中，设定流出控制体的流量为负值，流入控制体的流量为正值。在模拟出气塞现象之后，分析齿宽和转速对齿轮泵气塞特性的影响。

不同齿宽的齿轮泵的气塞特性如图4所示，2条气塞特性线分别是在2500 r/min转速下模型1和模型2的计算结果。从图中可见，对于不同齿宽的齿轮泵，随着出口压力的提高，出口截面的气体流量逐渐减小，直至最后均出现倒流。当齿宽d=50 mm、流量为0时，出口压力为113～114 kPa；当齿宽d=20 mm、流量为0时，出口压力约为111 kPa。数据表明，随着齿宽的增大，齿轮泵气塞点的背压变大。这说明在其他条件相同时，齿宽越大，越不易发生气塞。这是因为泵的泄漏是通过端面、径向和啮合间隙而产生的，齿宽越大，泄漏量占整个性能的比例越小，越不容易发生气塞。

不同转速对齿轮泵气塞特性的影响如图5所示。采用模型2进行计算，转速分别为2500、3500 r/min。结果表明，对于同一个齿轮泵，当转速提高时，气塞点的背压显著增大，这说明转速越高，越不容易发生气塞。

4 滑油泵气塞的影响因素分析

通过对滑油泵气塞的形成原理进行分析不难发现，气塞形成的影响因素可从泵前、泵后及泵本身3方面总结：

（1）泵前管路中有空气（形成气塞的必要条件），且阻力较大；

（2）泵后阻力大，如泵后有单向活门、油滤、散热器等附件或泵后管路过长等；

（3）油泵间隙（径向、端面、啮合间隙）较大，使泵的泄漏量Q3相对较大。

在航空发动机滑油系统中，气塞通常发生在供油系统中，这是因为滑油箱位置通常比滑油泵的低，入口管路中存在空气，即使滑油箱位置比滑油泵的高，为防止滑油箱中滑油的流出，吸油管通常也是向上弯曲，也即吸油管内在起动时肯定存在空气，该部分空气越多，管路阻力越大，形成气塞的可能性越大；另外，在供油泵出口，通常有供油滤、单向活门等阻力元件，对于反向循环的滑油系统，还有阻力较大的散热器存在，因此在供油路设计时，必须考虑气塞的问题。对于回油系统，在反向循环的回油系统中，尽管入口管内同样存在空气，但一般回油泵出口阻力都很小，气塞不易形成，在正向循环的回油系统中，由于回油泵后有散热器存在，就不能不考虑此问题，某型发动机就设置了喷油杆，采取了由增压泵向各级回油泵出口少量喷油的方法，如图6所示。

5 结论

综上所述，在发动机滑油系统设计中，通常可采取以下措施来防止气塞的发生。

采用液位高于供油泵入口的高位油箱，可以保证滑油充满滑油泵入口管，从而从根本上杜绝气塞的发生。但是，在使用高位油箱时，需设计阀门以防止不工作时油箱内滑油流出。该措施一般用于地面燃气轮机滑油系统设计。

对于滑油供油泵出口至喷嘴的流路中有单向活门等阻力元件的情况，可以采用泵出口放气的措施，预防当泵进口有空气发生气塞的可能性。另外，对于起动次数较少的地面设备(燃气轮机、试验器等)，还可以通过在泵后人工放气来解决在起动过程中的气塞问题。

在起动前向泵内灌油和在起动初期向油泵入口喷油，使油泵间隙充满滑油，增大泵内空气泄漏阻力，从而减少空气泄漏量。

在某些燃气轮机的设计中，由于有辅助泵的存在，可以采用在在起动初期利用辅助泵向供油泵入口喷油的方法解决气塞问题。由于滑油黏度较大，当滑油充满油泵的内部泄漏间隙时，通过这些间隙回流的气体大大减少，从而消除气塞。

[1]蒲志理.航空油泵设计[M].北京：国防工业出版社，1983.

[2]陈英.外啮合齿轮泵内泄漏理论模型的建立及参数优化[J].机床与液压，2007,35(10):108-110.