航空发动机滑油喷嘴尺寸敏感性仿真分析

2023-07-08刘晨昊焦自涛

航空发动机 2023年2期

刘晨昊，焦自涛，信琦

（1.中国航发沈阳发动机研究所，2.中国航发航空发动机动力传输重点实验室：沈阳 110015）

0 引言

滑油系统是航空发动机的重要组成部分，其功能是向发动机的机械传动部件如轴承和齿轮提供润滑，并带走工作产生的热量和杂质。润滑油具有循环使用的特点，滑油系统的正常运行直接关系着发动机能否健康工作[1-3]。一般通过系统油供油压力和温度等参数来判断其工作是否正常。某型航空发动机滑油系统为全流量供油系统[4-6]，系统不设置调压活门等装置对滑油进行溢流，滑油的流量和系统的供油压力随发动机的高压转速升高而升高[7-8]。系统的供油压力不仅由供油泵的性能、滑油温度水平、轴承腔反压决定，滑油系统各个喷嘴的尺寸大小也直接影响其供油压力[9-10]。在发动机生产加工中，厂家根据给定的压力、温度和流量要求加工喷嘴的孔径，上述要求均给定了一定范围，因此实际加工出的喷嘴孔径不完全一致。其会直接影响滑油系统正常工作压力范围。

近年，国内外对航空发动机滑油系统开展了系统级的仿真分析[11-12]。Glahn 等[13]利用PDPA 与数值模拟的方法开展航空发动机轴承室内油滴流动仿真研究；Flouros等[14]开展了发动机通风及回油管路两相流数值模拟。而对滑油系统压力评估的方式主要为运用流体仿真计算软件对系统的压力和流量分配进行仿真计算。FLOWMASTER 是应用比较广泛的热流体系统仿真软件，以其高效的计算效率、精确的求解能力、便捷快速的建模方法而广泛应用[15]。李静等[16]利用FLOWMASTER 软件对航空发动机内部的供油润滑冷却系统的流量分配和压力分布问题进行计算；杨纯辉等[17]对4G6 发动机润滑系统基本结构建立了润滑系统1 维仿真计算分析模型；苏媛媛等[18]对某型发动机的供油系统进行了计算，评估了系统压力和各处喷嘴流量分配。重点对系统中调压活门和调压差活门的溢流特性、压力与流量的关系进行仿真分析。

本文通过仿真软件，在供油泵的性能、滑油温度等参数相同的情况下，针对不同的喷嘴尺寸公差，评估全流量滑油系统的供油压力变化大小。分析了滑油系统喷嘴尺寸对滑油系统供油压力敏感性特征，用于评估喷嘴的尺寸大小和公差范围的合理性，以及对滑油系统供油压力的影响范围。完善影响滑油供油系统性能影响因素的分析工作。

1 滑油系统介绍

某型航空发动机滑油系统采用正向循环式系统[10]，系统未设置调压活门，滑油泵泵出的滑油全流量供给到各个润滑部位。供油系统分3 路，滑油泵从滑油箱内泵油，泵出的滑油分别供至前轴承腔、后轴承腔、附件机匣；回油系统分3 路，每一路设置1 级回油泵，分别将供至前轴承腔、后轴承腔、附件机匣中的滑油抽回，最后汇成1 路通向燃滑油散热器最终回到滑油箱。滑油系统原理如图1所示[2]。

图1 润滑系统原理

滑油系统的润滑部位包括发动机主轴承、中央传动齿轮、中央传动小轴承、附件机匣和转接齿轮箱。上述润滑部位共有喷嘴16 处，加工完后需进行喷嘴流量检查试验。

2 喷嘴流量检查方法

根据《某型发动机喷嘴流量检查说明书》，上述喷嘴在加工完后需进行喷嘴流量检查试验，按照规定的温度、压力要求实测喷嘴的流量，必要时调整喷嘴的孔径以满足流量要求。发动机各处喷嘴（节流嘴）的流量要求见表1，喷嘴滑油型号、温度、压力参数见表2。

表1 喷嘴流量要求 L/min

表2 喷嘴滑油型号、温度、压力 kPa

由于在进行流量检查试验时系统的温度、压力和流量均有公差，因此存在与系统供油参数匹配喷嘴的特定公差要求。而喷嘴的尺寸影响了系统的整体压力水平。通过计算在流量试验要求的上限或下限条件下进行流量试验时喷嘴极限尺寸，并对系统的压力进行评估。

3 喷嘴尺寸敏感性计算分析

3.1 仿真计算方法

根据流体的流动特性，在喷嘴流量检查试验时，压力越高、温度越低、所要求的流量越大，得到的喷嘴孔径越大；相反试验时，压力越低、温度越高、所要求的流量越小，得到的喷嘴孔径越小。因此运用FLOWMASTER 软件对喷嘴流量试验的喷嘴模型进行搭建，通过给定最高压力、最低介质温度和最小流量，仿真计算得到喷嘴最大孔径。通过给定最低压力、最高介质温度和最大流量，仿真计算得到喷嘴最小孔径。

并分别以最大和最小孔径模型搭建系统的仿真模型，评估给定状态下系统的最低和最高压力水平。以得到喷嘴尺寸对系统压力的敏感性特征。