吳金鐘 艾延廷 陳英濤 田 晶

1.沈陽航空航天大學(xué)航空發(fā)動機(jī)學(xué)院 遼寧沈陽 110136；2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司 遼寧沈陽 110046；3.遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)重點實驗室 遼寧沈陽 110136

發(fā)動機(jī)的油封是指將油封油液注入并充滿發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)，從而防止系統(tǒng)部件表面產(chǎn)生銹蝕導(dǎo)致系統(tǒng)故障。而發(fā)動機(jī)油封設(shè)備是實現(xiàn)發(fā)動機(jī)及附件油封、保證發(fā)動機(jī)系統(tǒng)正常工作的重要地面設(shè)備[1]。如某民用航空發(fā)動機(jī)的使用說明書和維護(hù)工藝規(guī)程規(guī)定：“發(fā)動機(jī)在系統(tǒng)燃油放盡超過48小時、使用壽命耗盡，需要返廠翻修等情況下，必須對燃油系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行裝機(jī)油封[3]”。因此，發(fā)動機(jī)的油封是保證發(fā)動機(jī)正常工作的重要環(huán)節(jié)。本文主要是為解決對航空發(fā)動機(jī)及附件油封問題，提出了一種地面油封設(shè)備的設(shè)計技術(shù)。研制一種具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、可移動便捷性等新型油封設(shè)備，具有一定的實際應(yīng)用意義。

1 多功能油封設(shè)備總體設(shè)計方案

1.1 油封設(shè)備的基本工作原理

油封設(shè)備由除油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、油封油脫水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成[6]，基本的工作示意如圖1所示。首先通過充氣導(dǎo)管將氮氣瓶與充氣接頭連接并向油封裝置供氣，氮氣經(jīng)過減壓后進(jìn)入燃油系統(tǒng)各子系統(tǒng)以除盡發(fā)動機(jī)內(nèi)燃油，然后將脫水后的油封油增壓后通過外部導(dǎo)管輸入發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)，從而進(jìn)行發(fā)動機(jī)內(nèi)部油封。

圖1 油封設(shè)備工作示意圖

1.2 油封設(shè)備的設(shè)計要求

(1)考慮到將油箱和控制設(shè)備整合在一個箱體內(nèi)，箱體可能會過于龐大，因此，將設(shè)備分為可移動式工作臺和電氣控制箱。

(2)設(shè)備載體采用全金屬結(jié)構(gòu)框架支撐的箱體，其中前后兩側(cè)的門可以自由開關(guān)，方便設(shè)備維護(hù)。箱體內(nèi)部裝有油封油箱、管路連接系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等。

(3)采用集成油路技術(shù)。將復(fù)雜的管路設(shè)計成油路集成塊，將電磁閥、溢流閥均安裝在油路集成塊上，減小油封裝置的體積和重量。

(4)按照工作壓力范圍和消耗油量合理制定液壓平臺油箱體積，齒輪泵流量和電機(jī)的功率以滿足最小體積設(shè)計。

1.3 油封設(shè)備的技術(shù)要求

(1)設(shè)備外形尺寸(不大于)：長×寬×高=800×600×1000(mm)；

(2)重量：小于200kg；

(3)工作油濾精度5μm；

(4)滑油清潔度優(yōu)于GJB420A-96 7級；

(5)工作油壓力調(diào)節(jié)范圍：0～2.5MPa；

(6)工作油流量調(diào)節(jié)范圍：0～15L/min；

(7)非工作狀態(tài)時為-55℃～+70℃，工作狀態(tài)時為-40℃～+55℃；

(8)安全活門工作壓力為2.5MPa；

(9)可靠性：MTBF≥1000小時，符合GJB 450的規(guī)定；

(10)安全性：符合GJB 900的規(guī)定。

2 油封設(shè)備機(jī)械的系統(tǒng)設(shè)計

油封裝置主要包括工作平臺、電動機(jī)、油泵、溢流閥、氮氣減壓器、加熱和溫控裝置、電器控制元和相關(guān)管路。這里只重點介紹機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度校核仿真。

2.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

油封裝置的機(jī)架起著關(guān)鍵作用，油封裝置的機(jī)架選用了304不銹鋼，同時油封裝置的機(jī)架通過鈑金件的沖壓和鍛造形成，相互之間通過焊接而成，結(jié)構(gòu)要求較簡單，生產(chǎn)周期較短。需要分析機(jī)架結(jié)構(gòu)的載荷情況，包括機(jī)架本身的重量、裝配組合體的設(shè)備重量及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時的動載荷情況等。

2.2 機(jī)架結(jié)構(gòu)的仿真校核計算

發(fā)動機(jī)附件常常需要臨時放置在漏油板上進(jìn)行檢查和試驗，為校核漏油板是否能夠安全可靠工作，需要對漏油板等關(guān)鍵部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和校核。根據(jù)前述的附件的質(zhì)量一般不大于30Kg，有限元靜力學(xué)分析時按總載荷294N的載荷均布施加在漏油板上，在機(jī)架底板處施加位移約束，材料采用304不銹鋼。進(jìn)行有限元計算獲得的計算顯示為整個漏油板最大應(yīng)力為86.5MPa，根據(jù)304的室溫下屈服應(yīng)力為205MPa。附件放置在漏油板上，一般過載程度也較小，其安全系數(shù)可取1.5(機(jī)械設(shè)計手冊建議值)。因此，可以計算得到其設(shè)計許用應(yīng)力：

(1)

因此，漏油板安全判定準(zhǔn)則為：

σmax<[σ]

(2)

根據(jù)計算的最大應(yīng)力為86.5MPa，小于許用應(yīng)力136.7MPa，說明漏油板結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

3 油封設(shè)備油路系統(tǒng)設(shè)計

3.1 油路系統(tǒng)的工作原理

油封裝置的油路系統(tǒng)主要包括油液供應(yīng)系統(tǒng)、油液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、管路等。在油封之前需要提前運(yùn)轉(zhuǎn)油封裝置，使油封滑油處于預(yù)工作狀態(tài)，當(dāng)需要對發(fā)動機(jī)或發(fā)動機(jī)附件進(jìn)行油封時，在油封電氣系統(tǒng)控制下，低壓電磁閥和低壓溢流閥以及循環(huán)電磁閥關(guān)閉，高壓電磁閥和油封電磁閥同時打開。油箱內(nèi)的油封滑油首先通過增壓泵進(jìn)行增壓，然后將所需的油封滑油經(jīng)油濾、油封電磁閥、單向活門進(jìn)入發(fā)動機(jī)的燃滑油系以及需要油封的附件，多余的滑油經(jīng)高壓電磁閥和高壓溢流閥流回至油箱循環(huán)使用。當(dāng)出現(xiàn)某種原因例如滑油濾堵塞、電磁閥故障等導(dǎo)致液壓泵后的共有壓力突增，超過設(shè)定閾值時，油封電氣系統(tǒng)會將安全溢流閥打開，液壓泵后的油封滑油會經(jīng)安全溢流閥回流至滑油箱，起到保護(hù)作用。

3.2 油路系統(tǒng)仿真計算

根據(jù)3.1節(jié)所介紹的油封裝置工作原理，應(yīng)用Amesim液壓系統(tǒng)仿真軟件對供油系統(tǒng)的兩種工況進(jìn)行仿真，其中包括穩(wěn)態(tài)仿真和非穩(wěn)態(tài)仿真。

3.2.1 參數(shù)仿真的選取

根據(jù)前面的設(shè)計參數(shù)選取適合的仿真參數(shù)：

(1)油箱：已知整個回路的額定壓力為0.5MPa，暫取工作壓力為0.3MPa，工作溫度為55℃。

(2)齒輪泵：額定轉(zhuǎn)速為1440r/min，額定排量為18.7mL/min。

(3)安全溢流閥：工作壓力設(shè)置為1.2MPa，在油封電磁閥未打開時，可防止回油壓力過高；在油封電磁閥打開時，可防止因局部零部件故障時造成的系統(tǒng)供油壓力過大的問題。

(4)低壓溢流閥以及低壓電磁閥：低壓電磁閥是一個開關(guān)閥，當(dāng)壓力到達(dá)低壓溢流閥工作壓力后，低壓回路開始工作。

3.2.2 穩(wěn)態(tài)工況仿真

根據(jù)油封裝置油路系統(tǒng)的原理，設(shè)計穩(wěn)態(tài)工況下的仿真回路如圖2所示，該圖未設(shè)計氮氣除油的仿真，因此在供油仿真設(shè)計中將氮氣除油及開啟油封裝置預(yù)熱的時間統(tǒng)一設(shè)置為10s。

圖2 穩(wěn)態(tài)回路仿真

此時電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，前10s僅有回油路工作，壓力較低，10s后開啟油封電磁閥，由于存在油濾以及出口給發(fā)動機(jī)供油存在節(jié)流作用，會使得系統(tǒng)壓力上升。從泵后壓力圖3中可以看出，供油時的壓力為1.1MPa時，未到達(dá)溢流閥的工作壓力，因此溢流閥的流量始終為0，如圖4所示。此時低壓回油路并未開始工作，這是由于回油時系統(tǒng)壓力并未到達(dá)使低壓溢流閥開啟的工作壓力，只有循環(huán)回油路工作，因此，泵的流量Q=回油流量Q2=循環(huán)回油量Q4=循環(huán)電磁閥后回油量Q5。

圖3 液壓泵后壓力

圖4 通過安全溢流的閥流量

3.2.3 非穩(wěn)態(tài)工況仿真

在油封裝置實際工作時，由于加熱不均勻，滑油部分結(jié)焦或雜質(zhì)過多導(dǎo)致油濾堵塞，此時安全溢流閥會打開泄壓。為了仿真這個工況，在油濾前添加一個節(jié)流閥，減小出口節(jié)流閥開度來模擬油濾的堵塞。在14s時將油濾前節(jié)流閥開度降低50%，即開度信號從0.1降到0.05。持續(xù)2s之后即到16s時，恢復(fù)初始開度，即從0.05恢復(fù)到0.1。

從泵后壓力圖5看出，在14s時節(jié)流閥開度降低，壓力上升到1.2MPa以上，此時再從溢流閥流量圖6可以看出通過溢流閥的流量，到16s以后，節(jié)流閥恢復(fù)到初始開度，壓力隨之降低到1.2MPa以下，此時溢流閥流量變?yōu)?，如圖7所示。在14s時溢流閥流量由0瞬時上升時，供油流量也隨之下降，但高壓回油流量也隨溢流閥流量上升，如圖8所示。此時溢流閥流量增量加高壓回油路流量的增量等于供油路流量的減小，即泵后供油流量變化量ΔQ1=通過安全溢流閥流量ΔQ3+通過高壓溢流閥流量ΔQ8。

圖5 液壓泵后壓力

圖6 供油流量

圖7 通過安全溢流閥流量

圖8 通過高壓溢流閥流量

4 結(jié)論

本文根據(jù)發(fā)動機(jī)的油封原理及實際工程需要，提出一種結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、可便捷移動的新型油封設(shè)備的總體設(shè)計方案，包括總體設(shè)計要求和技術(shù)要求。重點對油封裝置的油路系統(tǒng)進(jìn)行研究，并通過仿真計算，驗證了油封設(shè)計方案的可行性。可以得出：本文設(shè)計的可便攜移動的油封裝置能夠根據(jù)航空發(fā)動機(jī)所處的飛機(jī)裝機(jī)狀態(tài)，靈活實現(xiàn)在地面或飛機(jī)上對發(fā)動機(jī)及其附件進(jìn)行內(nèi)部油封，滿足了航空發(fā)動機(jī)對油封裝置設(shè)備的可移動性、輕便性、操作簡便和效率高等需求。