航空发动机中介轴承流场与润滑影响因素分析

公平，陈雪骑，于庆杰，王双

(1.中国航发哈尔滨轴承有限公司 研发中心，哈尔滨 150025；2.北京航空航天大学 能源与动力工程学院，北京 100191)

随着航空发动机大推重比、高可靠性、高耐久性、低耗油率和低成本的发展，作为航空发动机关键部件的主轴轴承的工作条件也变得越来越苛刻[1-2]。主轴轴承在高速、高温和受力复杂的条件下运转，其质量和性能直接影响发动机的性能、寿命和可靠性。目前航空发动机主轴轴承主要采用环下供油孔输油的润滑方式，与传统喷油润滑方式相比更能实现高效润滑，提高轴承的润滑效率[3]。因此，有必要对航空发动机主轴轴承环下供油流道中润滑油的流动特性进行分析。

中介轴承是一类特殊的内外圈同转或反转的航空发动机主轴轴承，目前关于中介轴承环下润滑的研究较少：文献[4]研究了中介轴承润滑系统中导流板孔数、回油槽数、回油孔数对润滑状态的影响，结果表明导流板孔数的增加使导流板孔、回油槽及回油孔处的润滑油流量增大，而回油槽数、回油孔数和直径的增加只增加各自所在处的润滑油流量；文献[5]提出了叶扇/环下油孔组合新结构能提高轴承润滑性能；文献[6]研究发现安装外圈进油挡板有利于增加轴承腔的供油量和腔内润滑油的储存量；文献[7]提出环下供油孔流通状态时序分析方法，结果表明所提出的润滑油流动分析法更符合工程实际应用。但上述研究未从中介轴承设计角度详细分析润滑油在轴承引导间隙处的流动特性以及引导间隙对轴承润滑的影响。

本文以某航空发动机4#中介轴承为研究对象，采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)有限元技术分析润滑油在轴承内部各间隙的流动特性以及工作状态下流体域内润滑油的压力分布。

1 中介轴承润滑结构

目前航空发动机中介轴承常见的一种润滑结构是轴承输油孔位于滚子下方，润滑油从输油孔喷出后先润滑滚子下表面，然后通过挡边间隙、兜孔间隙润滑滚子端面及外表面，如图1所示。

图1 输油孔位于挡边上的润滑结构Fig.1 Lubrication structure with oil delivery hole on rib

2 流体域模型的建立

2.1 模型简化

中介轴承固体域模型的局部示意图如图2所示，固体域的空腔内形成了流体域。

图2 中介轴承固体域模型的局部示意图Fig.2 Local diagram of solid domain model of intermediate bearing

中介轴承内的主要润滑结构设计(如兜孔间隙、引导间隙、输油孔直径等)直接影响中介轴承流体域内润滑油的流场分布及油膜的形成质量，因此，在模型简化时需保留上述关键间隙，并且在局部加密流体网格，以保证计算结果符合实际工况。

在上述原则基础上，为在有限元网格划分时减少单元数量和优化网格质量，可以对流体域模型进行简化。

2.1.1 非关键壁面简化

工作状态下润滑油润滑中介轴承时并非充满整个流体域，在离心力的作用下流体域内会出现空腔，这些空腔下方壁面的形状不会影响润滑油流场的分布，可适当简化该区域的壁面形状，简化前后中介轴承截面如图3所示。

图3 模型简化前后中介轴承截面示意图Fig.3 Cross section diagram of intermediate bearing before and after model simplification

2.1.2 倒角结构简化

保持架内外径倒角及内外圈安装倒角尺寸较小，在有限元仿真过程中对计算结果影响较小，在简化过程中可去掉，中介轴承流体域简化模型如图4所示。

图4 中介轴承流体域简化模型示意图Fig.4 Diagram of simplified fluid domain model for intermediate bearing

2.2 流体域有限元网格划分

中介轴承流体域有限元网格划分示意图如图5所示，共包括413 116个2D单元，7 190 874个3D单元和2 111 634个节点，其中3D单元以四面体非结构网格为主，只在壁面处使用六面体结构网格以提高对流体壁面边界层流动计算的精度。

图5 中介轴承流体域有限元网格划分(整体结构)Fig.5 Finite element meshing for fluid domain of intermediate bearing (integral structure)

2.3 计算边界条件

假设轴承套圈同向旋转，外圈绝对转速ne=14 000 r/min，内圈绝对转速ni=3 000 r/min，保持架绝对转速nc=9 076 r/min，不考虑滚子自转，即滚子与保持架之间保持相对静止，仅作公转运动。

其中，进口边界条件为流体静压与大气压相同，即润滑油仅在离心力作用下润滑轴承，进口处没有供油压力和流量限制，润滑油从内圈无安装结构一侧流出。仿真计算为稳态计算，仅考虑某一时刻轴承内润滑油的流场分布。实际工作环境下润滑油不会充满整个流体域，中介轴承内同时有润滑油和空气两相流体，需要采取多相流体模型计算分析。

采用合成润滑油冷却、润滑中介轴承，流体域内剩余部分为空气，为简化分析，现假设流体域内部流体温度保持均匀一致，均为190 ℃，可查得该温度下润滑油、空气的物理性质见表1[8]。

表1 两相流各组分物理性质Tab.1 Physical properties of each component of two-phase flow

3 轴承内润滑油流场及分布

有限元仿真结果表明在离心力的作用下，润滑油经输油孔喷到滚子下表面后分成3条流路分别润滑轴承的不同零件，最终在轴承外圈内表面汇集并排出轴承。轴承内润滑油流动方向如图6所示：流路A的润滑油流经兜孔周向间隙，润滑滚子圆柱面和保持架过梁；流路B的润滑油流经兜孔轴向间隙，润滑滚子端面和保持架侧梁；流路C的润滑油首先流经保持架与内圈引导间隙，形成油膜托起保持架，然后在离心力的作用下沿着保持架侧梁外侧被甩离保持架。润滑油实际流动情况如图7所示。

图6 轴承内润滑油流动方向示意图Fig.6 Flow direction diagram of lubricating oil in bearing

图7 润滑油流动仿真结果Fig.7 Lubricating oil flow simulation results

由图7可知各条流路以及外圈内表面润滑油汇集区的分布情况，其中，由于润滑油喷出后先击中滚子下表面，所以图7中可以看到滚子下表面润滑油分布较多，润滑较好，而引导间隙进油量较小，未能形成完整的油膜。

流路A和流路B在兜孔的周向间隙和轴向间隙内流动时主要为径向流动，与自身受到的离心力处于同一平面内，这两条流路中润滑油流动的主要驱动力为润滑油受到的离心力；而流路C中润滑油在引导间隙内流动时主要为轴向流动，流动平面与受到的离心力方向垂直，运动的主要驱动力为间隙进出口的静压力差。

流路A和流路B均为径向流动，图8中仅以流路B替代径向流动，在引导间隙的入口N点处，润滑油分B，C两条流路。流路B由于运动方向与原流路以及离心力方向平行，在离心力的驱动以及原流路的惯性作用下，原流路的大部分流体将会进入轴向间隙，形成流路B；而流路C运动方向与原流路以及离心力方向垂直，驱动力只有引导间隙进出口N点与M点的静压力差，所以，只有少量润滑油会进入引导间隙。

图8 润滑油流动截面示意图Fig.8 Flow section diagram of lubricating oil

根据上述分析可知，大部分润滑油向径向流动，并在离心力和惯性驱动下在轴向间隙内流动，其流量的大小主要受输油孔喷油流量、总压、兜孔的轴向和周向间隙以及离心力大小的影响；轴向流动的流量主要受引导间隙进出口N点与M点之间静压差的影响，而M点与外界大气连通，静压保持一定，所以润滑引导间隙的润滑油流量主要受N点静压的影响，而在一定的静压下进口面积越大进入引导间隙的润滑油越多。

4 输油孔直径对轴承总输油量的影响

增加输油孔数量可线性增加总输油量，并且使轴承各零件的润滑更均匀。

在保持输油孔数量不变的条件下，可通过施加上文提到的计算边界条件得到不同输油孔直径对轴承总输油量的影响(表2)。输油孔直径由1.00 mm变为1.25 mm时，总输油量增大了46.75%，输油孔直径由1.00 mm变为1.50 mm时，总输油量增大了85.06%，所以，增加输油孔直径对总输油量的增加效果较为明显。

表2 输油孔直径对轴承总输油量的影响Tab.2 Influence of diameter of oil delivery holes on total oil delivery of bearing

5 保持架润滑效果的影响因素

由于保持架可能会与内圈引导面、滚子之间发生碰撞，造成轴承零件的磨损，从而降低轴承寿命，因此重点分析润滑油对保持架的润滑效果及其影响因素。

5.1 润滑效果评估参数

保持架润滑效果分为引导间隙油膜质量和保持架浮动稳定性2个方面。

5.1.1 引导间隙油膜质量

电地暖以其节能、环保、舒适、健康等特点，迅速进入采暖市场，取得了人们的认可。电地暖以其优于水地暖的多项优势，占据了大部分地暖市场的份额，再加上天燃气的不断涨价，电地暖作为节能舒适的采暖方式取代传统采暖的趋势已经不可逆转。

引导间隙油膜质量是衡量工作状态下引导间隙油膜托举保持架的能力。衡量指标有：油膜上下表面总压差、引导间隙绝对进油量、引导间隙相对进油量和引导间隙总油气比等。

较高的油膜上下表面总压差表明油膜可以有效托起保持架，阻止保持架与内圈引导面之间发生碰撞。

引导间隙绝对进油量表示进入引导间隙的润滑油流量，该值越大表明引导间隙内润滑油流量越高，对保持架的润滑效果越好；引导间隙相对进油量表示进入引导间隙内润滑油流量占总输油量的比例，较高的相对进油量表明轴承内流场更有利于对保持架的润滑。

由于仿真计算只考虑了稳态情况下轴承引导间隙总压的分布情况，而实际工作环境下随着保持架位置的移动会压缩其间的油气混合物，该油气混合物中的空气部分则会在保持架的压缩移动过程中挤压变形，无法起到托起保持架的作用。因而除了引导间隙总压分布外，引导间隙总油气比也会影响保持架的润滑效果，引导间隙总油气比较高表明引导间隙内油气混合物抗压能力较强，对保持架有较好的托举作用。

5.1.2 保持架浮动稳定性

保持架浮动稳定性是保持架发生微小位移时受到油膜回复力的大小。实际工作环境下，由于引导间隙内油膜的上表面存在压力梯度，当保持架与滚子碰撞发生微小位移时，在压力梯度的作用下会产生与位移方向相反的回复力，所以，油膜上表面压力梯度越高，则回复力越大，保持架的稳定性越好。

5.2 当量输油量

(1)

式中：Vr为单个输油孔的实际输油量；V0为原设计点的单个输油孔输油量。

不同当量输油量下轴承引导间隙油膜总压分布的示意图如图9所示，图中的径向距离为保持架距套圈引导面的距离，引导间隙内油膜上下表面之间的总压差均为2.5 MPa，油膜形成质量较好。当量输油量较高时，油膜上表面位置的总压梯度相对较大，表明保持架发生微小位移时，在油膜压差作用下会有较大的油压使保持架复位，从而保证保持架有较好的稳定性。

图9 不同当量输油量下轴承引导间隙油膜总压的径向分布Fig.9 Radial distribution of total pressure of oil film in guiding clearance of bearing under different equivalent oil delivery

不同当量输油量对保持架润滑的影响见表3，由表可知，随着当量输油量的增加，引导间隙进油量、油膜上表面压力梯度以及引导间隙总油气比迅速提高，表明增大当量输油量改善了引导间隙油膜质量，增加了保持架运动的稳定性。而引导间隙相对进油量的提高则说明输油孔喷油量提高改变了轴承内润滑油的流动形式，更有利于保持架的润滑，原因为输油孔喷油量较高时，润滑油无法直接通过径向流路，而是在径向流路入口位置附近停滞，流速放缓，使静压升高，从而进入引导间隙内润滑油的流量增加。

表3 不同当量输油量对保持架润滑的影响Tab.3 Influence of different equivalent oil on cage lubrication

不同当量输油量下油气比分布如图10所示，由图可知，当量输油量较小时润滑油主要附着于滚子表面，并在离心力的作用下快速进入轴向间隙；而当量输油量较大时润滑油已经充满整个径向流路，由于径向流路流通能力有限，从而导致润滑油在入口位置停滞，流速放缓和静压升高。

图10 不同当量输油量下油气比分布Fig.10 Distribution of gas-oil ratio under different equivalent oil delivery

5.3 引导间隙对润滑的影响

引导间隙分别为0.2，0.4 mm时，不同当量输油量对引导间隙润滑油总压分布的影响如图11所示，由图可知，当引导间隙由0.2 mm变为0.4 mm后，油膜上下表面的总压差由2.5 MPa变为0.5 MPa，油膜形成质量较差，无法有效阻止保持架与内圈的直接碰撞，有可能引起保持架与内圈的磨损。

图11 引导间隙对其间油膜总压分布的影响Fig.11 Influence of guiding clearance on total pressure distribution of oil film

此外，可以利用边界条件计算得到引导间隙对润滑油参数的影响,结果见表4，引导间隙的大小对进入轴承内的润滑油流量几乎没有影响，但引导间隙过大导致保持架与引导面之间的空间变大，使油气比大幅降低，不仅会导致油膜上下表面总压差较低(降低80.0%)，也会导致油膜内空气含量较高(引导间隙总油气比下降71.7%)，从而无法保证对保持架的润滑效果。

表4 引导间隙对润滑油参数的影响Tab.4 Influence of guiding clearance on parameters of lubricating oil

6 结论

针对航空发动机中介轴承保持架润滑效果评估的问题，利用有限元分析技术开展了轴承油气两相流动分析，重点分析了轴承内润滑油分布特性及不同因素对保持架润滑效果的影响，得到以下结论:

1)轴承保持架润滑效果对单个输油孔的输油量较为敏感。增大单孔喷油量可以增加引导间隙内润滑油，改善轴承内润滑油流场，有利于对保持架的润滑，增大单孔喷油量可以通过增加输油孔直径实现。

2)引导间隙的大小对进入到轴承内的润滑油流量几乎没有影响，但是引导间隙过大无法保证对保持架的润滑效果。