航空发动机滑油系统的现状与发展

李新 周丽 丁秀萍

摘 要：滑油系统是保证航空发动机机械传动系统正常工作必不可少的部分，随着中国航空发动机技术的发展进步，滑油系统的研究也不断深入，在元部件设计、子系统设计、系统整合和健康监视方面的自行研制上都有了长足的进步。本文对发动机滑油系统的现状进行了分类总结，并阐述了未来先进滑油系统的发展方向。

关键词：滑油系统；在线监视；健康管理；航空发动机

Abstract：Oil system is essential to guarantee the aeroengine mechanical transmission system to work properly. With the development of the aeroengine of China， the research of oil system becomes more effective. The progress in self-developed components design， subsystem design， system integration and health monitoring has been considerable. In this paper the present developing situation and the future trend of aeroengine oil system is conducted.

Key words：oil system；on-line monitoring；health management；aeroengine

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，其工作条件十分苛刻，需要经受高转速、高温、高压的考验。由于轴承转速高，并处于发动机中心，结构紧凑，润滑与隔热、散热条件较差，出现滑转、磨损、积炭和支承座裂纹等故障的几率较高，需要滑油系统润滑和冷却航空发动机各承力和传动部件，所以滑油系统的性能和工作的可靠性直接关系到发动机的工作性能和可靠性[ 1 ]。

长期以来我国航空发动机相关领域的研究主要偏重压气机、燃烧室、涡轮这三大部件，忽视了对滑油系统的研究工作，导致发动机滑油系统的设计难以满足现代高性能航空发动机的需要，已成为限制高性能发动机研制与发展的瓶颈。

近年来，随着中国航空发动机方面的发展，中国学者对滑油系统的研究也越来越深入，从元部件的设计[ 2 ]、子系统设计、系统整合和在线监视等方面进行了深入研究，滑油系统的研制得到了长足的发展。

1 滑油系统的研究现状

1.1 对元部件的研究

航空发动机滑油系统的关键元部件包括供/回油泵、燃滑油散热器、油气分离机构等。

1.1.1供/回油泵

主要功能为发动机轴承和传动部分润滑油的输送和抽回，一般为容积式齿轮泵，目前常采用的为外啮合齿轮泵或内啮合转子泵。

一般的研究方法为理论分析及CFD数值计算，通过已知供、回油系统边界条件来计算泵的性能，主要着眼的问题为齿轮泵的汽蚀现象和高空性能等。

1.1.2燃滑油散热器

主要功能是冷却滑油，使滑油温度保持在正常范围，同时加热燃油。目前普遍采用管壳式散热器。一般的换热性能计算方法有效率-传热单元法、平均温差法、单位温差换热量性能曲线簇法和基于实验数据的改进方法等。

文献[3]采用无量纲关系曲线进行了管壳式燃滑油散热器换热特性的计算，能较好吻合试验数据，为航空发动机管壳式燃滑油散热器的设计及验证提供了新方法。

1.1.3油气分离机构

主要功能是把工作过的滑油中的气体分离出来，降低滑油中的气体含量，保证滑油系统安全可靠地工作，目前常用的为离心式油气分离器。一般的研究方法为特性试验和CFD数值模拟，研究重点为分离机构的油气分离效率和流阻特性。

1.2 对系统的研究

滑油系统按不同分类方法可分为多种类别，适用于不同需求：

1.2.1按滑油循環方式使用分类

可分为开式系统和循环系统，其中循环系统又可分为单回路系统、双回路系统和短循环系统，相较于单回路系统，双回路系统的优点在于大部分滑油在主回路循环，加速滑油预热，减小启动阻力，同时可以提高增压泵前压力，提升系统高空性能，而短循环系统不仅具有双回路系统的优点，并且由于带气泡的回油不经滑油箱，有利于滑油箱的小型化。

1.2.2按滑油散热器的安装位置分类

可分为正向循环系统和反向循环系统。正向循环时散热器安装在回油路中，通常要求散热器前有性能良好的油气分离器，反向循环时散热器安装在供油路中，此时滑油箱为热油箱设计[4]，有利于油气分离。

1.2.3按滑油流量是否可调节分类

可分为调压式系统和全流式系统，二者区别在于是否安装有调压活门，调压式系统中供油压力被调压活门限制在一定范围内，全流式系统能在不用减压活门的情况下在发动机的转速范围内达到要求的滑油流量。

1.2.4组合式

组合式滑油系统一般为开式与循环式相结合，工作在高温负荷的摩擦组件采用开式润滑，工作过的高温变质滑油直接排出机外。

此外，滑油系统由通风、供油和回油三个子系统组成，各个子系统的协同工作也是研究的重点，主要目标是通过降低通风量、降低供油量，从而减轻机械系统重量。

1.3 对高温润滑剂的研究

高温润滑剂能够有效避免热区轴承腔内的滑油结焦与着火，热区轴承腔、轴承、支座等的热防护和隔热可以精简，有利于减少冷却空气量、减少滑油流量、减轻整体机械系统重量，所以高温润滑剂也是滑油系统研究的重点。

美国IHPTET计划中对高性能润滑剂的研究作了明确规划，制定了高温润滑油规范MIL-L-27502和MIL-L-87100，制定了新型润滑剂主要热性能指标：主体滑油氧化温度330℃，热安定性510℃，自燃温度649℃，并成功研制出了符合MIL-PRE-7808L标准的第三级和第四级滑油，能承受较高温度和不结焦，已在推重比10发动机F119上应用。

我国对高温润滑剂是在俄罗斯BT301的基础上开始研制，其基础为氟硅油，抗高温润滑剂为含铁元素添加剂，铁含量约为0.017～0.022%，此外还有抗泡剂、抗磨剂等添加剂，针对高性能滑油的研究，中国科学院上海有机化学研究所立项，历经8年研究的KXY-31的Ⅲ型润滑油主体温度达到250～260℃，各项指标已经全面达到国外同类产品的水平。

1.4 对健康监视的研究

随着航空发动机健康管理技术的发展，滑油系统在状态监测和故障诊断方面的作用越来越大，并作为整机健康监测的重要组成部分得到深入研究。

滑油健康监视系统（ODMS）分为地面和机载两部分，上世纪末英国、意大利、西班牙和德国在EuroFighter Ground Support System研究项目中以EJ200发动机为背景开发了地面和机载监视系统并取得了成功，近年来又开展了一系列针对滑油系统的攻关计划，如2001-2011年欧洲开展的ATOS（Advanced Transmission and Oil System）计划和2011年至今开展的ELUBSYS（Engine Lubrication System Technology）计划，这些计划旨在获得更佳性能的滑油系统以及滑油健康监视系统。

机载健康监视需建立在滑油系统建模仿真的基础上。国外先后研制并开发了发动机滑油系统仿真设计软件和分析软件，如美国NASA的SSME，GFSSP和FloModl等。

国内也有相关学者针对滑油系统仿真分析作了研究，文献[5]介绍了刘振侠等开发的滑油系统通用分析软件，采用流动换热的网格算法建立了供油、回油系统模型。

文献[6]介绍了郁丽等给出的滑油系统轴承腔压的计算方法，为通风系统的仿真计算提供了参考。

文献[7]介绍了朱鹏飞等建立的滑油系统流动与换热仿真平台，为供油、回油系统的仿真计算提供了参考。

2 滑油系统未来发展方向

2.1 紧凑式设计

滑油系统较为复杂的结构，包括大量的功能部件、管路和向各功能附件提供动力的附件传动系统，为了适应先进发动机不断提高的推重比要求，滑油系统需要降低自身复杂度、减轻重量并提高工作可靠性。

2.1.1紧凑型滑油散热器

通过改进换热面材料从而提高换热效率以及紧凑化设计制造，能有效减小散热器的体积和重量，有利于滑油系统减重。

2.1.2超高转速的系统部件

超高转速的系统部件主要为超高转速的滑油泵、油气分离器和通风器，通过提高这些旋转部件的转速，能够减小这类部件的体积和重量，有利于滑油系统的减重。

2.1.3小型部件及附件机匣的一体化设计

该型设计可以节省空间将滑油箱等附件安排在附件机匣侧面，减少各附件间的连接管路，避免了复杂的管路连接，增强滑油系统的可维护性和可靠性。

2.1.4多功能部件设计

将功能具有相关性的部件进行集成，如带油气分离装置的高速滑油泵、油滤堵塞机械和电信号复合式指示器、温度和压力复合式传感器等，能够减少部件数量，有利于滑油系统的减重。

2.2 高温润滑油

先进发动机的设计需采用冷空气环绕轴承腔、热区热防护与隔热等措施来改善热区过热的问题，但这样增加了发动机结构的重量和冷却空气量[ 8 ]，同时滑油流量也很大，加大了滑油系统组件的重量，而采用了高温润滑油，则可以使得滑油温度容限提高、循环量减小，有利于改善以上问题，且滑油循环量的减小有利于滑油组件的紧凑、轻量化设计。美国IHPTET计划的第Ⅲ阶段任务要求研制出能够承受360℃的液体润滑剂。

2.3 精确的数值仿真

精确的数值仿真既是紧凑式滑油系统设计的基础，也是健康监视的基础。

精确的数值仿真能够从系统整体的角度进行结构优化，达到滑油系统紧凑化、轻量化的目的。在确保轴承及齿轮可靠润滑和冷却的前提下，尽可能减小滑油循环量，从而降低相关系统部件的性能要求，从而达到紧凑化设计的目的。

滑油系统轴承、齿轮生热的精确建模计算以及轴承腔气液两相流流动与换热的精确计算，能够改善轴承腔隔热措施不合理的情况，进而避免滑油的焦化与着火，同时也能减小密封空气量。此外在精确数值仿真的基础上开展系统管路结构的整体优化设计也可以一定程度减小系统重量。

精确的数值仿真能够得到各类工况下滑油系统各类测点参数的计算值作为健康监视的依据，在线监视系统能够通过传感器实际测得的滑油温度、压力和碎屑[ 9 ]等情况来判断滑油系统以及转子系统、轴承的工作状态，有助于及时、迅速地检测到转子轴承故障和滑油系統故障的发生[ 10 ]；诊断系统能准确判断故障部位和严重程度，进而有效地对故障进行隔离，避免故障进一步恶化及其带来的损失，同时对简化发动机系统维修步骤，缩短查找维修时间，能有效降低发动机维修、维护成本，具有较大的工程意义和价值。

3 结语

通过查阅大量国内外相关资料，对国内外航空发动机滑油系统的发展现状进行了描述，阐述了其未来的发展方向，主要归纳为以下3点：

1）进行部件紧凑化设计的研究，通过减轻部件重量、减小部件体积来适应先进发动机的高推重比要求；

2）进行高温润滑油的研究，为部件的紧凑化设计提供基础；

3）进行精确数值仿真的研究，提高滑油系统的效用，为其健康监视及发动机整机的健康监视奠定基础。

参考文献：

[1] 林基.航空发动机设计手册：传动及润滑系统.第12册[M].航空工业出版社，2002.

[2] 黎林林，谢光华.某型号涡喷发动机滑油系统设计[J].推进技术，2001（06）：493-495.

[3] 吕亚国，刘振侠.航空发动机管壳式燃-滑油散热器换热特性计算[J].航空动力学报，2014，29（12）：2830-2835.

[4] 杨春信，张丽娜，郭晖.发动机滑油散热系统性能研究[J].航空动力学报，2003，18（6）：813-818.

[5] 刘振侠等.航空发动机润滑系统通用分析软件开发[J].航空动力学报，2007（01）：12-17.

[6] 郁丽，李国权.节流通风的航空发动机轴承腔腔压计算方法[J].航空动力学报，2012（11）：2616-2621.

[7] 朱鹏飞等.航空发动机管路系统流动与换热的仿真平台[J].推进技术，2014（11）：1523-1529.

[8] 李国权.航空发动机滑油系统的现状及未来发展[J].航空发动机，2011（06）：49-52，62.

[9] 马壮，程礼，吴博.一种利用滑油中金属磨粒含量判定磨损部件的方法[J].航空计算技术，2004（03）：111-112，115.

[10] 陈志英.航空发动机滑油监视与诊断系统软件研制[J].推进技术，1998（05）：53-56.

作者简介：李新（1981-），女，汉族，山东鄄城人，博士研究生，工程师，主要研究航空发动机。