航空发动机润滑供油系统仿真研究

李 昂，张 帅，石 宏，张维亮

(沈阳航空航天大学航空航天工程学部(院)，沈阳110136)

发动机润滑系统作为发动机重要组成系统之一，其性能会对发动机的稳定性和可靠性产生直接的影响。滑油系统的性能指标主要包括流量、压力与温度，这些参数之间不是孤立存在的而是相互关联的。在发动机实际试验时，由于技术条件的限制，这些参数能够直接测量得到的极少，这就制约了对其性能的研究。

本文通过对某型航空发动机润滑供油系统研究，建立了发动机润滑供油系统各部件的计算模型，经过编程迭代计算，重点对某型发动机滑油供油系统地面最大状态进行仿真研究。

1 发动机滑油供油系统的组成

图1 滑油供油系统示意图

某型航空发动机滑油供油系统主要由滑油箱、滑油泵、调压活门、滑油滤、管道、滑油喷嘴等部件组成。图1所示为滑油供油系统示意图。滑油从滑油箱出来分为两路，一路通向传动装置和前轴承腔，另一路通向中轴承腔与后轴承腔。油箱油面位于滑油增压泵进口之上，造成泵进口有一个正压头，从而保持泵的良好充填性。滑油泵常采用齿轮泵，用于对滑油的输送和回收。调压活门使供至发动机润滑系统各喷嘴的滑油在规定范围内。

2 润滑供油系统主要部件计算模型

2.1 滑油泵［1］

(1)滑油泵滑油流量计算可采用下面公式:q=2πdmb

从而，理论流量为:

式中:q—排油量，mm/r;d—齿轮的节圆直径，d=mz，mm;m—模数;b—齿轮的高度，mm;n—齿轮泵的转速，r/min;z—齿轮的齿数。

(2)齿轮泵实际供油量和容积效率

由于齿轮泵出口压力较高，进口压力较低，造成齿轮内部的液体通过齿轮内部各部件间的间隙项进口泄露。所以，齿轮实际供油量要小于齿轮理论供油量。除此之外，由于不确定因素，例如，齿轮泵进口压力很低还将造成液体的填充不足，影响实际供油量。通常用容积效率ηV表示他们之间的关系:

式中:QL—实际供油量

ΔQ—供油量损失

因此，实际供油量为:

泵的容积效率为0.70—0.95。滑油泵流量曲线如图2所示。

2.2 调压活门

计算调压活门的流量特性，利用流量公式［2－3］:

ΔP—泵调节压力与发动机出口压力差;

CD—管道阻尼系数;

A—由活门开度决定的流通面积。

调压活门的特性如图3所示。

2.3 滑油喷嘴

喷嘴流量的计算公式为［4］:

式中:m—系数，m=D2/d2

其中D—孔口直径;d—连接喷嘴的管的直径;A—喷嘴孔的面积;Cd—流量系数，由实验确定;Δp—喷嘴油腔与轴承压力差;ρ—滑油密度。

图2 滑油泵理论流量曲线

图3 调压活门性能曲线

2.4 管路的压力损失

根据相对运动的情况不同，液体流动过程中的粘性摩擦损失有两种形式;沿程损失、局部损失。管路的压力损失，是由沿程损失和局部损失叠加而成的，其压力损失公式为［5］:

式中:

ρ—滑油密度;

l—管路的长度;

d—管路的直径;

ξ—局部阻力系数;

Q—管路的滑油流量;

因为沿程损失系数λ与雷诺数Re有关，而雷诺数Re又与管内流速(即流量)有关，由于无法直接得到滑油流量Q值，所以选择用逐渐接近法计算滑油流量 Q［6］。

逐渐接近法步骤:

(1)由于压力损失对比整个增压系统压力较小，故先不计压力损失，计算出滑油流量Q。

(2)根据算得的Q与管路结构，计算出管中雷诺数Re。

(3)再根据Re值计算出沿程损失系数λ值。

(4)再根据λ值计算Q值。进而得到管路的压力损失。

就这样完成一次接近算法，如此反复2－3次就可以计算出较精确的管路的压力损失。

3 供油系统的计算与分析［7－9］

计算中把整个润滑系统看成一个流体网络，在网络中滑油泵出口的流量与各轴承腔中分配的流量总和应该是守恒的，其中各喷嘴的流量由循环迭代计算得出。

计算主要步骤:

(1)根据初始条件，输入各计算参数。

(2)计算出在给定参数条件下，滑油泵的滑油流量。

(3)由管路的结构，计算出由滑油泵出口到各个滑油喷嘴的压力损失。

(4)给出一个泵的最小出口压力作为泵的出口压力。

(5)根据调压活门的流量特性，计算出调压活门的回油量。

(6)根据喷嘴的结构特性，计算出各轴承腔内滑油流量。

(7)将调压活门和各轴承腔内的滑油流量相加与滑油泵的流量比较，如果在误差范围内则完成计算，否则调整泵后压力，继续计算，直至计算结果在误差范围内。图4为计算流程图。

图4 计算流程图

输入各初始参数，由计算模型计算得出发动机滑油供油系统在不同温度、不同转速下流量分配及压力分布情况。表1所示为发动机地面最大状态下滑油流量分配的计算结果，与设计参数值比较，误差在合理范围内，误差的产生可能由于计算中对系统结构做的一些简化而造成。由此证明计算模型能够用来分析和研究滑油供油系统的性能，为滑油系统的设计与试验提供参考。

表1 地面最大状态下滑油流量计算结果(t=60℃)

图5、图6为不同温度不同转速下，系统增压级流量、压力随转速变化的计算结果，可以看出滑油泵出口流量随滑油泵转速的增加而增大［10］。滑油温度升高，滑油流量增大，随着转速的增加，滑油增大量也随之增加。滑油泵出口压力随滑油泵转速的增加而增大，随着温度的升高，泵后压力略微下降。

图5 流量转速曲线

图6 压力转速曲线

图7、图8所示为滑油流量、压力随温度变化的计算结果。由结果中可以看出在滑油泵转速较低时泵后压力随滑油温度的升高而降低，在高转速时这种变化甚微。当转速一定时，滑油温度升高，滑油流量增加，在0度－40度之间时曲线斜率较大，流量增加趋势明显。这种现象与滑油的理化特性有关，滑油的运动粘度在低温区时变化率较大。

图7 压力与温度曲线

图8 最大状态下流量与温度曲线

4 结论

本文通过对航空发动机润滑供油系统进行建模计算，得到不同温度、不同转速下润滑供油系统的流量分配、压力分布数据。分析了温度对润滑供油系统流阻特性的影响，得出随系统滑油温度的升高，滑油流量增加，滑油压力下降，并且这种变化趋势在滑油温度较低时较为明显。

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