某航空发动机轴承环下供油结构的润滑油收集率试验

黎建涛，刘鹏，雷浩伟，徐金超，张言伟

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.空军装备部驻洛阳地区第二军事代表室，河南 洛阳 471000)

航空发动机的供油系统为支承转子的轴承和提取功率的齿轮等供应适量润滑油，减少各部件间的摩擦和磨损并及时带走产生的热量[1]。目前航空发动机主轴轴承的润滑方式主要有环下润滑和喷射润滑，环下润滑比喷射润滑更适合高转速和工作时产生较多热量的轴承，广泛使用于高dn 值的航空发动机主轴轴承润滑中[2]。

环下供油指润滑油由喷嘴喷出，用集油套(或集油螺母)收集，通过轴承内圈的径向孔，靠离心力甩入轴承内腔[3-5]。受供油结构和空间的限制，环下供油喷出的润滑油不会完全供给轴承，总有一部分因飞溅、反射而流失[6-8]，将进入轴承内圈的油量与总供油量的百分比称为润滑油收集率。

本文研究的轴承环下供油结构受发动机结构的影响，润滑油入射点无法位于集油槽内侧，造成润滑油收集率下降，轴承的润滑和冷却效果不良，进而影响轴承的使用寿命。因此，需要对该环下供油结构润滑油收集率进行分析，为轴承在航空发动机的供油结构优化设计提供试验依据。

1 试验

1.1 试验设备

根据试验轴承结构尺寸及转速、载荷、润滑等试验条件，使用自研的航空发动机轴承试验机进行润滑油收集率试验。该试验机专用于中小型航空发动机轴承试验，最高转速可达50 000 r/min，适用于内径为10～60 mm 的球轴承和滚子轴承，先后完成的发动机主轴及其轴承试验累计数万小时，设备性能稳定、可靠。

1.2 试验方案

润滑油收集率试验工装结构如图1所示，采用简支梁结构，试验轴承放置在右支点，通过密封套将试验轴承油腔与陪试轴承油腔隔开，驱动电动机通过柔性联轴器与试验主轴连接，提供试验所需转速。

1—柔性联轴器；2—左衬套；3—左支点陪试轴承；4—径向加载陪试轴承；5—径向加载活塞；6—径向加载陪试轴承衬套；7—密封套；8—右衬套；9—试验轴承；10—集油螺母；11—喷油体；12—收油腔1；13—收油口1；14—收油口2；15—收油腔2。

试验过程中高温润滑油经喷油体喷出，飞溅至集油螺母的集油槽内，在试验轴承高速运转过程中，润滑油在离心力的作用下，通过集油螺母油孔及内圈油孔进入轴承内部，实现对轴承的润滑。油嘴孔径、环下供油结构间的相互位置等均与航空发动机一致。集油螺母及轴承内圈结构分别如图2、图3所示。

图2 集油螺母结构

图3 轴承内圈结构

收油腔分为2个独立腔体，经供油体喷射的润滑油一部分因飞溅、反射而流失，流失的润滑油进入收油腔1，通过收油口1 收集未进入轴承的润滑油，记为Q1；另一部分润滑油经集油螺母，从环下进入轴承，从轴承两侧汇集到收油腔2，通过收油口2 收集进入轴承的润滑油，记为Q2。该环下供油结构润滑油收集率η为

试验润滑油通过实验室专用量筒测量，为保证测试精度，试验时待每个状态稳定后再进行润滑油收集，每次收集时间为1 min，每个状态下收集3次取平均值。

1.3 试验条件

航空发动机轴承环下供油结构比较复杂，影响润滑油收集率的因素较多，影响较大的因素为转速n、供油压力p、喷油位置等。喷油位置示意图如图4 所示，由喷射角度θ 及喷射距离L确定。

图4 喷油位置示意图

本文主要研究该航空发动机典型工况下的供油压力、转速、喷射角度、喷射距离对环下供油结构润滑油收集率的影响，试验条件见表1，其中转速为客户要求的。试验过程中供油温度为(90±2) ℃。

表1 试验条件

2 试验结果及分析

2.1 转速、供油压力对润滑油收集率的影响

试验过程中，喷射角度(32°)及喷射距离(11.2 mm)保持不变，不同转速及供油压力下润滑油收集率如图5 所示： 1)同一供油压力下，转速越高收集率越低，这是由于随着转速的升高，喷射出来的润滑油与高速旋转的主轴碰撞，撞出的润滑油增多，进入集油螺母内的相应减少；轴承高速旋转时本身形成的气帘对润滑油的进入产生阻挡作用，转速越高，阻挡作用越大，从而导致进入轴承的润滑油越少。2)同一转速下，供油压力越低收集率越低，这是因为随着供油压力的降低，润滑油总流量减少，流速降低，导致润滑油与高速旋转的主轴碰撞时能量变弱，因飞溅进入集油螺母的油量比试验主轴碰撞、甩飞而流失的油量少得多，造成润滑油收集率降低。

图5 不同转速及供油压力下润滑油收集率

2.2 喷射角度对润滑油收集率的影响

润滑油喷射距离(11.2 mm)及供油压力(400 kPa)保持不变，喷射角度为32°和21°时不同转速下的润滑油收集率如图6 所示：喷射角度32°时的收集率明显低于21°时的，原因为喷射角度21°时的润滑油入射点与集油螺母之间的距离比32°时减小约4 mm，飞溅进入集油螺母集油槽内的润滑油增多，更多的润滑油因离心力被甩入轴承腔内，因而润滑油收集率比32°时的高。

图6 不同喷射角度下润滑油收集率

2.3 喷射距离对润滑油收集率的影响

喷射角度(32°)及供油压力(400 kPa)保持不变，喷射距离分别为9.1，11.2，12.7 mm 时不同转速下的润滑油收集率如图7所示：随着喷射距离的增加，收集率明显降低，这是由于随着喷射距离的增加，润滑油入射点外移，与集油螺母的距离增大，因溅射进入集油槽内的润滑油量减少，造成润滑油收集率降低。因此相同转速及供油压力条件下，润滑油入射点距集油螺母越近，润滑油收集率越高。

图7 不同喷射距离下润滑油收集率

3 结论

在航空发动机轴承试验机上对该环下供油结构润滑油收集率进行研究，分析不同转速、供油压力、喷射角度、喷射距离对润滑油收集率的影响，得出以下结论：

1)该环下供油结构润滑油收集率随试验转速的升高而减小，随供油压力的降低而降低。

2)该环下供油结构润滑油收集率随喷射距离的增加明显降低；喷射角度21°时的润滑油收集率比32°时明显增大，两者均与润滑油入射点距集油螺母的距离有关，说明润滑油入射点是影响润滑油收集率的重要因素，在设计环下供油结构时应重点考虑。()()