（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，中小型航空發(fā)動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

近年來隨著航空發(fā)動機主軸軸承的DN值越來越高，軸承各運動副之間因摩擦產(chǎn)生更多的熱量，這就要求軸承潤滑系統(tǒng)具有更高的潤滑效率。環(huán)下潤滑比噴射潤滑更加適合高轉(zhuǎn)速、工作時產(chǎn)生較多熱量的軸承[1]，在高DN值的航空發(fā)動機主軸軸承潤滑中被廣泛使用。

所謂環(huán)下潤滑就是滑油經(jīng)軸承內(nèi)圈上的徑向孔、槽進入軸承，即從軸承內(nèi)環(huán)下部向軸承供油，環(huán)下供油根據(jù)不同的收油方式可分為徑向環(huán)下潤滑及軸向環(huán)下潤滑，本文針對徑向環(huán)下潤滑方式開展分析研究，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 徑向收油原理圖

1.結(jié)構(gòu)形式及對收油效率影響分析

1.1 結(jié)構(gòu)形式

軸承徑向環(huán)下潤滑原理如圖1所示，收油環(huán)將從噴嘴噴出的滑油通過收油窗收集到儲油腔，大部分潤滑油流過內(nèi)圈下的軸向輸油槽并帶走熱量，少部分潤滑油通過軸承內(nèi)圈的徑向輸油孔供給滾動接觸部位，并對保持架供油，從而實現(xiàn)對軸承的冷卻和潤滑[2]。

1.2 收油效率影響分析

徑向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，已經(jīng)確認(rèn)的發(fā)動機主要參數(shù)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N、軸承初始選型（轉(zhuǎn)子軸外徑R0），當(dāng)軸承內(nèi)徑、轉(zhuǎn)速確定情況下，軸承所需滑油流量Q可以根據(jù)軸承產(chǎn)生的熱量計算可得[3]。

輸油通道中的滑油在離心力作用下，滑油貼著輸油槽外壁面流動，僅占據(jù)輸油槽的極少部分，考慮加工公差、安全裕度及加工工藝，一般取收油環(huán)輸油槽外徑R1= R0+0.5mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，一般轉(zhuǎn)子軸類零件壁厚不小于1.5mm，故取收油環(huán)收油槽內(nèi)徑R2=R1+1.5mm=R0+2mm。

航空發(fā)動機軸承潤滑滑油流量是在指定供油壓力（一般為0.5MPa）條件下的測定量，故滑油流量確定之后，可以確定所有噴嘴口流通面積之和.A為確定值（D為滑油噴嘴口直徑，A為噴嘴口數(shù)量）。

每個滑油噴嘴在兩個收油環(huán)收油口之間噴射的距離為：

而在收油環(huán)區(qū)域內(nèi)允許的最大油路長度為：

為保證收油效率，避免滑油噴射過長超出收油環(huán)收油槽外徑，需要L1＜L2。如果L1＞L2，則需要增加滑油噴嘴或收油口的數(shù)量，以降低單個噴嘴在兩個收油口之間的射流長度，或增大收油環(huán)收油槽外徑R3，但在工程設(shè)計中，與軸承內(nèi)環(huán)直接接觸的零件直徑不會高于軸承內(nèi)環(huán)外徑，以避免阻塞軸承潤滑滑油的流出，故收油環(huán)收油槽最大值即為軸承內(nèi)環(huán)外徑值。

為避免油路撞擊收油環(huán)內(nèi)壁面，同時取得最大的油路長度，噴油嘴噴油的最佳角度α=sin-1（R2/R4）；當(dāng)角度大于最佳角度時，會出現(xiàn)射流偏離收油槽內(nèi)環(huán)，在收油區(qū)域內(nèi)的有效滑油射流長度減小，當(dāng)角度小于最佳角度時，會出現(xiàn)射流在中間區(qū)域撞擊收油槽內(nèi)環(huán)，產(chǎn)生濺射。

由以上分析可知，在工程應(yīng)用中，控制收油環(huán)收油效率的因素主要集中在滑油噴嘴數(shù)量、收油口數(shù)量、滑油噴嘴口所處直徑這三個因素。

2.控制參數(shù)分析

2.1 滑油噴嘴口位置對收油效率的影響

控制其余參數(shù)一致，僅調(diào)整轉(zhuǎn)速及供油流量，分析在20000r/min 2.0L/min、28000r/min 2.0L/min和28000r/min 2.6L/min工況條件下徑向收油環(huán)收油效率隨供油噴嘴口所處直徑的變化關(guān)系，由圖2可見收油效率隨供油噴嘴口所處直徑的增大而減小。圖3為28000/min 2.0L/min工況下供油噴嘴口所處直徑R4=49mm和R4=57mm結(jié)構(gòu)中滑油射流沖擊收油葉片前的滑油分布整體圖，供油噴嘴口所處直徑越大，滑油射流到達收油葉片處經(jīng)過的空間距離越長，滑油發(fā)散越大，且徑向收油環(huán)附近的氣流速度均較高，會影響滑油射流的流動，滑油射流在高速氣流作用下飛濺的小液滴數(shù)量增加，因此收油效率會隨著供油噴嘴與收油葉片間距離的增加而減小。

圖2 不同條件下收油效率隨R4的變化規(guī)律

圖3 不同供油噴嘴位置下的滑油分布

2.2 滑油噴嘴口數(shù)量對收油效率的影響

在徑向收油環(huán)結(jié)構(gòu)不變的情況下，改變供油噴嘴數(shù)量（滑油總流量不變，即改變不同供油噴嘴滑油流量，由于滑油為不可壓流體，改變每個供油噴嘴的滑油流量可看作改變每個供油噴嘴出口的滑油流速）會影響徑向收油環(huán)的收油效率。

圖4為同滑油流量、不同轉(zhuǎn)速條件的收油效率隨供油噴嘴數(shù)量變化圖，增加供油噴嘴數(shù)量時，單個供油噴嘴的滑油流量減小，即其出口滑油流速減小，滑油射流與收油葉片間的反射和飛濺造成的滑油損失量也將減少，有利于徑向收油環(huán)收集滑油，表現(xiàn)為低轉(zhuǎn)速條件下收油效率隨供油噴嘴數(shù)量的增加而增加但單個噴嘴的滑油流速減小也導(dǎo)致其抵抗風(fēng)阻能力減小，不利于徑向收油環(huán)收集滑油，表現(xiàn)為單供油噴嘴條件下滑油流速高，抵抗風(fēng)阻的能力增強，進入徑向收油環(huán)內(nèi)部的滑油量增加，隨著供油噴嘴數(shù)量的增加，滑油流速降低，抵抗風(fēng)阻的能力減小，進入徑向收油環(huán)內(nèi)部的滑油量也相應(yīng)的減少，因此收油效率隨供油噴嘴數(shù)量的增加而降低。

圖4 收油效率隨供油噴嘴數(shù)量變化曲線（總流量4.5L/min）

2.3 收油口數(shù)量對收油效率的影響

在軸承噴嘴及收油環(huán)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)固定的情況下，調(diào)整收油口數(shù)量，分析在30000r/min 2.0L/min、38000r/min 2.0L/min和38000 r/min 2.8L/min工況條件下，徑向收油環(huán)收油效率隨收油口數(shù)量的變化關(guān)系，不同工況條件下收油效率均隨著收油葉片數(shù)量的增加而增加，滑油射流在環(huán)下潤滑油結(jié)構(gòu)中的破碎位置（穿透深度）主要由滑油射流與氣流的動量比決定，收油環(huán)轉(zhuǎn)速決定氣流動量，在相同工況條件下滑油射流的破碎位置幾乎不會有變化。如圖5所示。

圖5 收油效率隨收油口數(shù)量變化曲線

3.結(jié)論

本文提出了一個比較系統(tǒng)的徑向環(huán)下潤滑工程設(shè)計方法及步驟，分析了影響收油環(huán)收油效率的主要參數(shù)及其影響規(guī)律。

（1）工程設(shè)計中，徑向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)基本輪廓尺寸由發(fā)動機方案設(shè)計確定，在此基礎(chǔ)上，影響徑向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)收油效率的主要因素為滑油噴嘴數(shù)量、收油口數(shù)量、滑油噴嘴口所處直徑。

（2）油噴嘴與收油葉片間距離主要影響滑油射流在到達收油葉片前的流動，增加該距離滑油射流動量下降且液滴飛濺量增加，收油效率隨供油噴嘴與收油葉片間距離的增加而減小。

（3）供油噴嘴數(shù)量受發(fā)動機轉(zhuǎn)速、供油流量影響，供油噴嘴數(shù)量對收油效率的變化規(guī)律需要根據(jù)風(fēng)阻、供油總流量、收油口切割滑油射流頻率等因素綜合考慮。

（4）收油環(huán)收油口數(shù)量主要影響收油口切割滑油射流的時間間隔，收油環(huán)轉(zhuǎn)速與滑油流量之比在一定范圍內(nèi)時，收油效率將隨收油葉片數(shù)量的增加而增加。