大涵道比涡扇发动机滑油流量中断工作要求与试验方法分析

2013-07-07雷友锋宣建光

航空发动机 2013年6期

关键词：涡扇滑油供油

雷友锋，王海，宣建光

（复杂航空系统仿真重点实验室，北京 100076）

大涵道比涡扇发动机滑油流量中断工作要求与试验方法分析

雷友锋，王海，宣建光

（复杂航空系统仿真重点实验室，北京 100076）

基于G JB 241A-2010、JSSG-2007B等国内外军用标准规范，分析了航空发动机滑油流量中断工作能力通用要求以及试验验证通用要求。针对大涵道比涡扇发动机，分析指出其使用特点与战斗机发动机有明显差异，其滑油流量中断工作能力要求不能直接照搬军用标准的相关规定。根据运输机发动机的使用特点分析，借鉴国外航空发动机的相关技术经验，提出了大涵道比涡扇发动机的滑油流量中断工作能力要求以及滑油流量中断试验的程序与方法。

航空发动机；大涵道比涡扇发动机；滑油流量中断

0 引言

滑油系统是航空发动机不可缺少的关键系统，它直接实现对发动机高速旋转部件轴承的润滑散热。滑油系统的性能直接影响发动机的安全性、可靠性、维修性和使用成本。由于滑油系统的复杂性以及发动机使用环境的复杂性，要求滑油系统工作绝对可靠是不现实的。飞机可能由于损坏、机动飞行、格斗损伤或不正确的维护而出现滑油流量中断的问题。因此，要求航空发动机在滑油流量中断期间以及中断之后还应具有一定的工作能力，并且在新型航空发动机研制中需要对此进行试验验证。中国的GJB 241A-2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》、美国的JSSG-2007B《航空涡喷涡扇涡轴涡桨发动机联合使用规范指南》等标准中都对发动机滑油流量中断的工作能力和试验验证提出了明确要求。但是，在具体发动机型号应用时仍存在一定问题，尤其是对于大涵道比涡扇发动机，因其使用特点与战斗机发动机相比有明显差别。例如，在某型大涵道比涡扇发动机研制中，先后开展了2次滑油流量中断试验，由于试验要求、程序不当，致使2次试验均告失败，并且造成2台发动机损坏，影响和损失重大。

本文针对大涵道比涡扇发动机滑油流量中断工作要求和试验方法进行分析研究。

1 航空发动机滑油流量中断的工作要求

1.1 发动机滑油流量中断工作要求的内容

GJB 241A-2010中对“发动机滑油流量中断”的具体要求：在不向滑油泵进口供油情况下，发动机能以中间推力工作30 s，在此滑油中断期间及以后的工作期间，对发动机无有害影响。并能在无润滑油情况下，在30%中间推力状态下附加工作5～30 min，且没有抱轴现象。其中，第1句是针对瞬时断油情况的要求，第2句是针对永久断油情况的要求。

1.2 发动机滑油流量中断工作要求提出的依据

GJB 241A-2010中对“滑油流量中断”的要求是参考美国标准MIL-E-5007E《航空涡喷涡扇发动机通用规范》（1983年发布）、JSSG-2007B（2007年发布）提出的。其中MIL-E-5007E中只有上述第1句的要求，JSSG-2007B中补充了第 2句的要求，但JSSG-2007B中是在附录的指导性内容中给出的。另外，根据JSSG-2007B中的指导性说明，上述要求只针对固定翼飞机发动机，对于直升机发动机，第2句要求变为“对于涡轴发动机，发动机应能在75%最大连续功率状态下，失去所有供到轴承油池的滑油时，至少工作6 min，随后恢复润滑后在75%最大连续功率状态下工作30 min。”

1.3 发动机滑油流量中断工作要求提出的原因

根据JSSG-2007B中的说明，在战场环境中，给飞行员脱离任何受威胁的境地和进入更有生存力的环境是最主要的目标之一。飞机可能由于损坏、机动飞行、格斗损伤或不正确的维护而出现滑油流量中断情况，所以必须规定滑油流量中断期间的工作能力。在为了跑出敌区、开始将发动机停下来或做任何其他必需动作等所规定的时间期间，发动机必须在没有滑油的情况下满意地工作。大多数战斗机发动机还应具有多次瞬时滑油流量中断而不损坏的能力。因此，需要对发动机提出滑油流量中断期间的工作能力要求。

从上述要求可见，发动机滑油流量中断工作要求包括2项内容：（1）要求发动机能够经受瞬时的滑油流量中断，滑油流量中断期间以及恢复供油后，对发动机的正常工作不产生有害影响；（2）在滑油流量中断不再恢复供油或滑油完全耗尽情况下，发动机还能够在30%中间推力状态下工作5～30 min，而不发生抱轴现象。

第1项要求是因为，飞机机动飞行时可能会出现短暂的滑油流量中断，例如，机动飞行中经历瞬间的零、负过载时，就有可能中断滑油供给。飞机正常机动飞行出现滑油流量中断的时间极短，随后即恢复供油。大多数战斗机发动机应能承受多次这样的瞬时滑油流量中断，而不会产生有害影响。

第2项要求是因为，由于损坏、格斗损伤或不正确的维护可能会造成滑油流量中断，所以需要规定发动机在滑油流量中断情况下的持续工作能力，以便给飞行员提供最大自救能力的各种机会。在无润滑情况下，应允许发动机继续工作以维持飞机继续飞行，否则飞机就会毁坏。滑油流量中断后，在30%中间推力状态下附加工作5～30 min而不发生抱轴的要求，是为了使飞机能飞出格斗损伤可能再现的重防区，或者使飞行员有必要的时间和飞行空间采取适当措施。

1.4 对发动机滑油流量中断工作要求的分析

1.4.1 发动机滑油流量瞬时中断工作要求

滑油流量瞬时中断时间30 s应理解为是1个推荐值，主要适用于战斗机/攻击机用发动机，对于运输机、轰炸机用发动机可根据使用任务载荷重新确定可能引起滑油流量瞬时中断的时间。GJB/Z 216A 《GJB241A-2010航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范使用指南》中就给出这样的说明。另外，前苏联研制并在世界范围广泛使用的АЛ-31Ф系列发动机滑油流量瞬时中断时间规定值不超过15 s。

根据JSSG-2007B的说明，滑油流量瞬时中断后恢复供油的随后发动机工作能力评价，应在中间状态工作3 min，总工作时间达到30 min。在中间状态下工作3 min对飞机恢复到继续交战的高度和速度是足够的，对于战斗机，在滑油流量瞬时中断又重新恢复之后要求仍能够继续投入战斗。而30 min工作时间通常对从可能发生战斗损坏的恶劣区域撤离是足够的。

1.4.2 发动机滑油流量永久中断工作要求

滑油流量永久中断后，能在30%中间推力状态下工作5～30 min而不发生抱轴现象，这是适度的范围要求，其中5 min是给飞行员采取必要措施的时间（发动机外部输送易燃液体管路、接头和附件的耐火时间5 min也是出于这种考虑），30 min通常可以使飞机从可能发生战斗损坏的恶劣区域撤出。发动机无滑油工作的能力越强，飞行员和飞机获救的可能性就越大，但过长的时间要求又会带来发动机润滑系统设计上的技术难度和成本增加。“30%中间推力”的中间推力是指海平面的中间状态推力。对发动机来说，30%海平面中间推力，温度和转子推力载荷较低，能够使轴承工作较长时间，并且典型的战斗机/攻击机能在中等高度以低于30%海平面中间推力维持飞行。

上述30%中间推力状态以及5～30 min的时间要求也应理解为是推荐值。例如，美国F119发动机的相应要求为“在空中慢车状态下工作5 min”，英国斯贝MK202发动机的相应要求是“在空中慢车状态下工作30 min”；再如，JSSG-2007B中背景材料指出，某海军直升机用涡轴发动机在滑油中断供给后在75%最大连续功率状态下工作4.5 min发生轴承损坏，不能满足“涡轴发动机应能在75%最大连续功率状态下失去所有供到轴承油池的滑油时至少工作6 min”的要求，为此将发动机型号规范进行了修改。

对此，GJB/Z 216A中说明，“对于具体的发动机，在其型号规范中可根据其实际应用规定发动机的推力状态和附加工作时间。”

2 发动机滑油流量中断的试验要求

在GJB 241A-2010中将发动机滑油流量中断试验作为初始飞行前规定试验和设计定型试验的项目之一，具体要求规定如下：在与初始飞行前规定试验（或设计定型试验）持久试车发动机零件目录和结构相同的发动机上，按照相关详细规范规定的方法和程序进行滑油流量中断试验，以验证滑油流量中断的要求。试验方法和程序应在试验前资料中规定。试验中仅向滑油泵进口供气，发动机在中间推力状态下工作30 s。在滑油中断期间和随后恢复正常润滑的30 min内，发动机能正常工作而无损坏。试验后分解并检查发动机，以证实无损坏。

3 适航规章对发动机润滑系统的相关要求

CCAR-33R2《航空发动机适航规定》中对滑油系统的要求主要包括防火、油滤旁通、防止污物，以及滑油箱的膨胀空间、口盖密封、顶部通气、油量指示等。

从CCAR-33R2条款看，没有针对民航发动机滑油流量中断的工作要求，也没有对滑油流量中断试验的要求。分析认为，对于民航发动机，滑油流量中断并不会产生危害性后果，不会危及飞行安全。民机没有作战环境，发生滑油流量中断后，不需要发动机继续

保持一定的工作能力来完成作战任务或脱离战场区域。一旦发生滑油流量中断后，滑油压力、油量等传感器可以及时给出指示告警，机组可以将发动机关闭。CCAR-33R2中说明，1台发动机失效如果其后果仅是丧失推力，则这种失效应认为是轻微影响。例如，在2003年6月4日，1架波音777飞机（配装PW4077发动机）在爬升过程中由于1台发动机的1根滑油管破裂，发出滑油压力低和滑油油量低（滑油量为零）告警，由此机组关闭故障发动机后顺利返航，安全着陆。

鉴于滑油流量中断对民航发动机不会产生危害性后果，因此，在CCAR-33R2中并没有对发动机滑油流量中断的工作能力提出要求，但是有对滑油流量中断后风车持续转动的要求。CCAR33.74条中规定，发动机停车后，如果没有转子锁定装置，则要求发动机在最长的飞行周期内和在预期该发动机不工作的飞行条件下持续转动，不得导致发生危害发动机的后果。例如，CFM56系列发动机，可在无滑油的风车状态下运转3 h而不会产生危害性后果。

4 大涵道比涡扇发动机滑油流量中断工作要求及试验方法分析

4.1 发动机滑油流量中断工作能力要求

大涵道比涡扇发动机通常用作大、中型军民用运输机的动力装置，其使用条件与战斗机发动机相比有明显差别，由于在飞行中没有剧烈的机动动作，发动机没有剧烈的遭遇加减速过程，最大负荷状态通常是在地面的起飞状态等，因此其滑油流量中断工作能力要求不能直接照搬GJB 241A-2010中的规定。

运输机在飞行中也会遇到瞬时零、负过载情况，尤其是遭遇突风时。另外还有一些特殊的飞行状态，据报道，2011年6月21日，几名法国科学家在法国1架特制的空客A300飞机舱内体验到了约20 s的失重飞行；2013年3月15日，40位参加 “体验太空失重飞行”的乘客在法国乘坐空客A300飞机，飞机在空中作适当的飞行动作，使乘客共经历了15次、每次约20 s的失重体验。因此，对于大涵道比涡扇发动机，也应要求具有在瞬时断油情况下的工作能力。但是，在运输机飞行过程中，发动机工作状态最大仅达到“最大连续状态”。

另外，根据CCAR-25R4《运输类飞机适航标准》第25.943条“负加速度”的要求，必须按预计的负加速度最长持续时间予以验证。咨询通报AC25-7A《运输类飞机合格审定飞行试验指南》（1998.3.31）中相关规定是，飞机试飞时，发动机以最大连续状态运转，飞机在包线内作过载为0～-1g的飞行，每次试验持续时间不少于7 s，累计负过载试验时间不少于20 s。

综上分析，作为运输机动力装置的大涵道比涡扇发动机，其滑油流量瞬时中断工作能力宜要求为：在不向滑油泵进口供油的情况下，发动机能在最大连续状态下工作20 s，在此滑油中断期间及以后的工作期间，对发动机无有害影响。

关于永久断油后的工作能力，如果大涵道比涡扇发动机用作民用运输机动力装置，则可以不作明确要求（断油后的风车旋转能力另行规定）。但如果大涵道比涡扇发动机用作军用运输机动力装置，就存在战场环境使用条件，有滑油流量中断后飞机飞离作战区域的需求，同时借鉴英国斯贝MK202发动机、美国F119发动机的相关规定，以及考虑到润滑系统的设计复杂性，其永久断油后的工作能力可以规定为“在空中慢车状态下工作5～30 min”。

4.2 发动机滑油流量中断试验程序与方法

发动机滑油流量中断试验具有一定的风险性，需要采取科学、合理的程序和方法。

首先，为降低整机的试验风险，应先在试验器上进行相关试验。由于推力轴承往往对滑油流量中断最敏感，通常在整机滑油流量中断试验前，先在1个或2个推力轴承上进行多次滑油流量中断的试验器试验。主轴承允许重复滑油流量中断的工作能力可用20次10 s中断供油和10次20 s中断供油的轴承试验来评定。

其次，发动机滑油流量瞬时中断工作能力验证和滑油流量永久中断工作能力验证应分别进行，因为二者的试验结果要求不同。前者要求发动机经历多次的瞬时滑油流量中断试验而无不利影响，不会对发动机产生异常损伤，也不会影响发动机的正常工作，且不需要对发动机采取特殊检查或修理措施；后者只要求发动机工作到规定时间后不发生抱轴即可，发动机允许产生异常损伤，允许采取特殊检查或修理措施。

大涵道比涡扇发动机的滑油流量中断试验程序如下：

（1）发动机滑油流量瞬时中断工作能力验证。

a.主轴轴承滑油瞬时中断试验器试验

选取1～2个工作载荷相对较重的推力轴承，按发动机最大连续状态进行试验加载，每个主轴承先后进行20次10 s中断供油和10次20 s中断供油的试验。试验完成后检查轴承磨损情况，轴承应没有明显磨损迹象，轴承状况应与试验前基本相当。

b.发动机滑油流量瞬时中断试验

发动机起动并进入稳定状态运转后，先在慢车状态或巡航状态下进行中断滑油供给的调试，然后在最大连续状态下进行滑油流量中断的正式试验考核。发动机在最大连续状态下运转3～5 min后，中断滑油供给20 s然后恢复供油，这期间发动机一直保持在最大连续状态，恢复供油后发动机继续在最大连续状态下工作3～5 min，之后发动机继续工作30 min，在这30 min内允许发动机以不高于最大连续状态下的各种稳态以及过渡态下运转。上述滑油中断试验考核过程重复3～5次，之后发动机停车。试验完成后分解检查发动机，主轴承、传动齿轮等部件应没有明显磨损迹象，状况应与试验前基本相当。

（2）发动机滑油流量永久中断工作能力验证

a.主轴轴承滑油永久中断试验器试验

选取1～2个工作载荷相对较重的推力轴承，在发动机空中慢车状态下进行试验加载，每个主轴承进行5～30 min的滑油中断供油试验。在试验过程中不得发生抱轴现象。

b.发动机滑油流量永久中断试验

发动机起动并进入稳定状态运转后，在空中慢车状态下工作，中断滑油供给，发动机继续工作到预定时间（经轴承试验器试验验证的时间，5～30 min范围内的时间值），试验过程中不得发生抱轴现象。

5 结论

（1）大涵道比涡扇发动机的滑油流量中断工作能力要求在不向滑油泵进口供油的情况下，发动机能在最大连续状态下工作20 s，在此滑油流量中断期间及以后的工作期间，对发动机无有害影响；并且发动机能在无润滑油情况下，在空中慢车状态下工作5～30 min而不发生抱轴现象。

（2）进行发动机滑油流量中断试验之前，应先在试验器上进行主轴轴承断油试验。主轴承允许重复滑油流量中断的工作能力可用20次10 s中断供油和10次20 s中断供油的轴承试验来评定。

（3）发动机滑油流量瞬时中断试验和发动机滑油流量永久中断试验应分别进行。发动机滑油流量瞬时中断试验过程中，应进行多次滑油流量中断，试验完成后分解检查发动机，主轴承、传动齿轮等部件应没有明显磨损迹象，状况与试验前基本相当。发动机滑油流量永久中断试验后，发动机不发生抱轴即可。

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Analysis of Working Requirements and Test Methods for High Bypass Ratio Turbofan Engine during Oil Flow Interruption

LEI You-feng,WANG Hai,XUAN Jian-guang
（Science and Technology on Complex Aviation Systems Simulation Laboratory,Beijing 100076,China）

The general working capacities and test requirements of aeroengine during oil flow interruption were analyzed based on GJB241A-2010 and JSSG-2007B etc.Aiming at the high bypass ratio turbofan engine,its working capacities during oil flow interruption can not be copied from the military specifications because its features are different from the fighter engine＇s.After analysing the features of high bypass ratio turbofan and referring to the technology experiences of foreign engines,the working capacities and test methods of high bypass ratio turbofan engine during oil flow interruption were put up.

aeroengine；high bypass ratio turbofan engine；oil flow interruption