李旺 曾廣樂 張蕊

摘 要：為了解決某改進(jìn)型航空發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試車過程中出現(xiàn)的軸承腔漏油問題，文章通過對比分析，并對通風(fēng)系統(tǒng)中支撐環(huán)這一關(guān)鍵結(jié)構(gòu)開展流體動(dòng)力學(xué)仿真研究，查找出造成通風(fēng)不暢引起軸承腔漏油的根本性原因，提出了兩點(diǎn)改進(jìn)措施。根據(jù)改進(jìn)方案，建立通風(fēng)系統(tǒng)仿真模型，計(jì)算及驗(yàn)證結(jié)果表明改進(jìn)措施可行，能夠有效降低軸承腔腔壓，解決漏油問題。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);通風(fēng)系統(tǒng);軸承腔漏油;數(shù)值模擬;故障分析

中圖分類號：V232.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0094-02

0 引言

某改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)在臺架試車過程中，尾部有少量青煙冒出。分解發(fā)動(dòng)機(jī)后，檢查發(fā)現(xiàn)燃?xì)鉁u輪軸承腔（B腔）前后均存在不同程度的滑油泄漏跡象。

通過分析試車數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)軸承腔（A腔）與燃?xì)鉁u輪軸承腔（B腔）腔壓偏高，造成A腔與B腔的封嚴(yán)壓差偏低。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速下拉過程中，易導(dǎo)致滑油從軸承腔往外泄漏。表1為該改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)與某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)對比。

表1中：PA-A腔腔壓，PA前—A腔前封嚴(yán)壓力，PA后—A腔后封嚴(yán)壓力，PB-B腔腔壓，PB前—B腔前封嚴(yán)壓力，PB后—B腔后封嚴(yán)壓力，各壓力值均為絕壓，下同。

1發(fā)動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)工作原理介紹

通風(fēng)系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的重要組成部分，對于維持軸承腔的封嚴(yán)壓差，保證封嚴(yán)裝置正常工作，防止腔內(nèi)滑油（油氣）外泄具有重要作用[1]。通風(fēng)系統(tǒng)常見形式有：節(jié)流式通風(fēng)系統(tǒng)、自由式通風(fēng)系統(tǒng)和軸心式通風(fēng)系統(tǒng)[2]。

如圖1所示，該改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)為軸心式通風(fēng)系統(tǒng)，油氣分離過程和系統(tǒng)的通風(fēng)均融于部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 故障原因分析

經(jīng)過結(jié)構(gòu)對比分析，造成A、B腔通風(fēng)不暢，滑油泄漏的主要原因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)方面。

2.1 測扭基準(zhǔn)軸支撐環(huán)通氣面積過小

該改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)的測扭基準(zhǔn)軸與動(dòng)力渦輪軸之間設(shè)置了一個(gè)支撐環(huán)，支撐環(huán)為爪型結(jié)構(gòu)，中間鏤空，模型如圖2所示。內(nèi)孔及外環(huán)通過點(diǎn)焊連接到基準(zhǔn)軸和動(dòng)力渦輪軸，起固定基準(zhǔn)軸的作用。

在通風(fēng)流程中，支撐環(huán)位于A、B腔通風(fēng)路下游，如圖3所示。經(jīng)計(jì)算，支撐環(huán)阻擋有效通氣面積約87%;同時(shí)，支撐環(huán)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大的風(fēng)阻。

為了定量地分析支撐環(huán)的存在對通風(fēng)系統(tǒng)的影響，研究采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真（CFD）方法模擬不同通風(fēng)量下的流阻損失特性。取圖3中虛線框所示計(jì)算區(qū)域作為研究對象。流體計(jì)算湍流模型采用Realizable k-e湍流模型。邊界條件及計(jì)算工況見表2。

根據(jù)建立的仿真計(jì)算模型，分別計(jì)算出帶支撐環(huán)與不帶支撐環(huán)情況下的流量與通風(fēng)阻力特性數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由此得出，在不帶支撐環(huán)的情況下，該段流路的通風(fēng)流阻相對較小，基本可忽略不計(jì);而支撐環(huán)的存在，很大程度上增加了系統(tǒng)通風(fēng)阻力，且通風(fēng)量與通風(fēng)流阻成二次方關(guān)系。

2.2尾部引射不足

油氣進(jìn)入C腔后蓋板后進(jìn)一步進(jìn)行油氣分離，分離后的氣從發(fā)動(dòng)機(jī)尾部由尾噴管內(nèi)高速燃?xì)庖渑懦?，某改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)與某型發(fā)動(dòng)機(jī)尾部引射對比如圖5所示。

該改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)在試車過程中，C腔蓋板腔壓最高達(dá)到8177Pa，而某型發(fā)動(dòng)機(jī)C腔蓋板腔壓為（-500～500）Pa。對比可知，該改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)尾部引射不足，使通風(fēng)系統(tǒng)出口背壓過高，導(dǎo)致系統(tǒng)腔壓整體偏高。

3改進(jìn)方案及驗(yàn)證

3.1改進(jìn)方案

針對該發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔漏油的故障，提出改進(jìn)方案如下：

（1）支撐環(huán)右移。通過對動(dòng)力渦輪軸進(jìn)行改制，將支撐環(huán)右移，油氣不經(jīng)過該支撐環(huán)直接進(jìn)入到基準(zhǔn)軸內(nèi)孔，以減小通風(fēng)過程中由支撐環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的局部損失。

（2）增大尾部引射。換裝某型發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管內(nèi)環(huán)，降低排氣尾錐內(nèi)的壓力，提高尾噴管的對通風(fēng)系統(tǒng)排氣的引射能力。

3.2計(jì)算仿真

根據(jù)實(shí)際情況，針對該改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)地面條件、穩(wěn)定工況下改進(jìn)前、后的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算仿真[3]。

如圖6所示，建立滑油通風(fēng)系統(tǒng)整體仿真分析模型。該模型為非閉合系統(tǒng)，確定邊界條件、各元件結(jié)構(gòu)及特性參數(shù)后，即可進(jìn)行特定工況下的計(jì)算仿真。

發(fā)動(dòng)機(jī)在地面標(biāo)準(zhǔn)天最大狀態(tài)時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算邊界條件見表3。

在給定的工況下，經(jīng)過計(jì)算獲得了該發(fā)動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)中改進(jìn)前、后A腔、B腔的腔壓值，見表4。

3.3試驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)前、后，該發(fā)動(dòng)機(jī)在ng=45000r/min設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)的A腔、B腔的腔壓試車數(shù)據(jù)見表5，試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查未見明顯滑油泄漏痕跡。

由表4與表5中試車數(shù)據(jù)與計(jì)算仿真數(shù)據(jù)對比中可以看出：腔壓計(jì)算誤差不大，滿足計(jì)算精度要求;通過改進(jìn)，A腔與B腔腔壓明顯降低，改進(jìn)效果明顯。

4 結(jié)論

針對某改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試車過程中出現(xiàn)的軸承腔漏油問題，文章對滑油通風(fēng)系統(tǒng)支撐環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算分析，并與某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)對比，查找出故障出現(xiàn)的根本原因，提出了兩點(diǎn)改進(jìn)措施。通過驗(yàn)證，改進(jìn)后的方案能夠明顯降低軸承腔腔壓，有效解決發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔滑油泄漏問題，為后續(xù)型號研制工作積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬枚.航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸心通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)演變及分析[J].燃?xì)鉁u輪與研究，1994（4）：23-30.

[2] 曾廣樂.航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油通風(fēng)系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

[3] 路彬，劉振俠，呂亞國，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油通風(fēng)系統(tǒng)性能計(jì)算仿真[J].航空計(jì)算技術(shù)，2011，41（4）：32-35.