渦軸發(fā)動機(jī)滑油中斷試驗研究

引言

航空渦軸發(fā)動機(jī)作為一種高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械,滑油對其內(nèi)部齒輪和軸承起著潤滑、冷卻以及帶走磨粒的作用,所形成的油膜在一定程度上還有緩沖減振的效果。發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中遭遇故障、機(jī)動飛行、重復(fù)的瞬間過載飛行、不正確使用等情況時,其內(nèi)部齒輪和軸承將立即進(jìn)入無潤滑的極其惡劣的工作環(huán)境,齒輪和軸承等傳動元件摩擦副產(chǎn)生的大量摩擦熱將使傳動系統(tǒng)內(nèi)部零部件溫度隨時間延長而急劇上升,從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)失效。因此,在研制階段對發(fā)動機(jī)進(jìn)行滑油中斷試驗,驗證其是否具有設(shè)計要求的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力是十分必要的。

發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,流、固、熱多相耦合工作,因此部件級的試驗無法驗證發(fā)動機(jī)真實工作條件下滑油中斷的情況,為保證飛行安全,應(yīng)對發(fā)動機(jī)滑油中斷做地面整機(jī)試驗,對發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行鑒定。本文對某渦軸發(fā)動機(jī)滑油中斷試驗進(jìn)行了研究,在保證試驗質(zhì)量和安全的前提下,設(shè)計出一套滑油中斷試驗裝置,并通過試驗驗證,對該裝置進(jìn)行了改進(jìn),最終順利完成了滑油中斷試驗,為該類型試驗積累了經(jīng)驗。

1試驗要求

國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB242一87中要求渦軸發(fā)動機(jī)要進(jìn)行滑油中斷試驗。根據(jù)這一要求,滑油中斷時,僅向滑油泵進(jìn)口供氣,發(fā)動機(jī)在中間狀態(tài)工作30s。在滑油中斷期間和隨后恢復(fù)正常潤滑的30min內(nèi),發(fā)動機(jī)應(yīng)無損壞地工作。分解檢查發(fā)動機(jī)各零部件并重點(diǎn)檢查發(fā)動機(jī)各潤滑件無損壞,則認(rèn)為完成了試驗。

滑油中斷試驗已超過發(fā)動機(jī)正常工作范圍,有一定風(fēng)險性,可能干運(yùn)轉(zhuǎn)會引起磨損、過熱而導(dǎo)致零部件損壞,首當(dāng)其沖的便是與潤滑有關(guān)的零部件,如軸承、齒輪、滑油泵、封嚴(yán)環(huán)等。因此,試驗過程中應(yīng)嚴(yán)格落實與試驗有關(guān)的監(jiān)控措施。對于發(fā)動機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行最敏感的參數(shù)就是振動,試驗中應(yīng)密切注意監(jiān)控參數(shù)的變化,確保發(fā)動機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

2試驗方案

試驗對象為某型渦軸發(fā)動機(jī),其由粒子分離器、組合壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)鉁u輪、動力渦輪及附件傳動機(jī)匣組件、自給式滑油系統(tǒng)等組成。滑油中斷試驗在驗收合格的整機(jī)試驗臺上進(jìn)行。

2.1試驗裝置設(shè)計

本次試驗發(fā)動機(jī),本身結(jié)構(gòu)集成度高,在滑油箱與滑油泵附件之間沒有外部管路。為了滿足試驗要求,達(dá)到試驗?zāi)康?要設(shè)計一套便于操作、易于控制、反應(yīng)迅速、工作可靠的發(fā)動機(jī)外部滑油中斷試驗裝置。

圖1給出了原滑油路以及滑油中斷試驗裝置的滑油路示意圖。在原滑油路中,滑油從滑油箱的油濾吸入至滑油泵及附件進(jìn)入軸承腔,再回到滑油箱形成滑油路閉環(huán)。在滑油中斷試驗裝置中,用轉(zhuǎn)接管替換油濾形成通路,將滑油放油口通過通/斷油裝置與轉(zhuǎn)接管相連,形成發(fā)動機(jī)外部滑油路。這樣,滑油從放油口進(jìn)入通/斷油裝置,通過轉(zhuǎn)接管吸入至滑油泵及附件進(jìn)入軸承腔,再回到滑油箱形成滑油路閉環(huán)。通過遠(yuǎn)程控制通/斷油裝置即可控制大氣與滑油的切換,進(jìn)行滑油中斷試驗。

圖1滑油中斷試驗裝置示意圖

2.2試驗內(nèi)容

(1)發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)性能錄取試驗:

(2)滑油中斷試驗。

2.3試驗程序

滑油中斷試驗開始前進(jìn)行一次常規(guī)試車,錄取發(fā)動機(jī)性能,并檢查發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性。性能錄取試驗結(jié)束后取50mL滑油做光譜分析,清理磁性屑末檢測信號器,更換滑油濾芯。

滑油中斷試驗程序如圖2所示,在發(fā)動機(jī)到達(dá)規(guī)定狀態(tài)后停留3min,然后切換通/斷油裝置,中止滑油箱向發(fā)動機(jī)供滑油,同時滑油泵增壓級進(jìn)口通大氣,在此狀態(tài)保持30s。在試驗過程中,密切監(jiān)控發(fā)動機(jī)工作情況及各測量參數(shù)的變化情況并記錄,如有異常立即停車?；椭袛?0s后,立即恢復(fù)正常供油,在該狀態(tài)停留3min后,逐步下拉發(fā)動機(jī)狀態(tài)進(jìn)行剩余試驗直至滑油中斷試驗完成。試驗結(jié)束后,檢查磁性屑末檢測信號器和滑油濾芯,并取50mL滑油做光譜分析。

3試驗結(jié)果、分析及設(shè)備改進(jìn)

按照上述試驗程序進(jìn)行兩次滑油中斷試驗。其中第一次試驗,通/斷油裝置由兩個電磁閥組成,試驗過程中因為通/斷油裝置無法恢復(fù)滑油供應(yīng)而終止:對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)后,第二次成功地完成了滑油中斷試驗。

3.1第一次滑油中斷試驗

試驗前,按照圖1對滑油中斷裝置進(jìn)行安裝,其中通/斷油裝置如圖3所示。在正常試驗時,滑油進(jìn)口處電磁閥2接通,通大氣側(cè)電磁閥1關(guān)閉,滑油通過滑油箱放油口至電磁閥2進(jìn)入滑油泵,再進(jìn)入軸承腔等:當(dāng)滑油中斷時,通大氣側(cè)電磁閥1接通,滑油進(jìn)口處電磁閥2關(guān)閉,僅有空氣進(jìn)入滑油泵,從而形成滑油中斷的效果。

如圖4所示,在第一次滑油中斷試驗時,在中間狀態(tài)中斷滑油,滑油壓力下降為0,30s后恢復(fù)供油,滑油壓力仍為0,2min后滑油壓力仍未恢復(fù),下拉發(fā)動機(jī)狀態(tài),在下拉過程中有異響,振動報警達(dá)到60mm/s,進(jìn)行緊急停車。停車后從滑油箱中只放出1L滑油,大量滑油泄漏。

經(jīng)檢查,電磁閥關(guān)閉時,靠閥兩側(cè)壓差對閥本身進(jìn)行壓緊,從而起到緊閉的作用,滑油大量從電磁閥1泄漏。通/斷油裝置由兩組電磁閥組成的方案存在問題,需改進(jìn)。

本次滑油中斷試驗最終因設(shè)備問題而終止,但是在滑油中斷期間,發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行,各主要參數(shù)無明顯變化,振動值整體有所上升,其原因在于,當(dāng)滑油切斷后,擠壓滑油油膜阻尼器減振效果下降,轉(zhuǎn)子及發(fā)動機(jī)振動響應(yīng)增大,但未超過極限值。后續(xù)下拉發(fā)動機(jī)狀態(tài)過程中的振動值超限,原因是滑油大量泄漏,導(dǎo)致與潤滑相關(guān)的零部件長時間處于無潤滑狀態(tài),引起了磨損、過熱等問題,加上發(fā)動機(jī)狀態(tài)改變這個因素,最終導(dǎo)致了振動值超限。

3.2第二次滑油中斷試驗

總結(jié)上一次試驗經(jīng)驗,按照圖5對通/斷油裝置進(jìn)行改進(jìn),將兩組電磁閥改為二位三通電動閥。其中,二位三通閥的進(jìn)口A與滑油箱放油口連接:二位三通閥的一個接口B與轉(zhuǎn)接管相連,A二B為滑油通道,保證發(fā)動機(jī)在供應(yīng)滑油的狀態(tài)下正常工作:二位三通閥的另一個接口C通大氣,C二B為空氣通道,該通道工作時,滑油通道關(guān)閉,滿足滑油中斷試驗僅有空氣進(jìn)入滑油泵,使發(fā)動機(jī)在一定時間內(nèi)無滑油供應(yīng)的狀態(tài)下工作的要求。

如圖6所示,整個試驗過程中,發(fā)動機(jī)工作正常,滑油中斷過程中,滑油供油壓力正常變化。中斷開始時,壓力在2s內(nèi)降低到0:恢復(fù)供油后,2s左右壓力回到正常值,滑油供油溫度和回油溫度無明顯變化。在滑油中斷的31s內(nèi),發(fā)動機(jī)的功率、動力渦輪前溫度、燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速等重要性能參數(shù)均未發(fā)生明顯變化,發(fā)動機(jī)各振動參數(shù)均有所增大,但所有振動參數(shù)均在規(guī)定范圍之內(nèi)。整個試驗過程中磁性屑末檢測信號器未報警,滑油濾未發(fā)現(xiàn)堵塞指示或堵塞報警。

3.3試驗后檢查

對所取滑油樣品進(jìn)行光譜分析,表1給出了滑油光譜分析結(jié)果,分析表明,滑油中斷試驗前后滑油中金屬元素的含量無明顯變化,說明滑油中斷期間各軸承并無明顯磨損。

發(fā)動機(jī)完成滑油中斷試驗后分解,以檢查滑油中斷對發(fā)動機(jī)的損傷情況。檢查結(jié)果表明,發(fā)動機(jī)各部件未發(fā)現(xiàn)異常:對發(fā)動機(jī)軸承進(jìn)行分解、目視檢查顯示正常,返回相應(yīng)承制單位返廠檢查,軸承尺寸精度、旋轉(zhuǎn)精度及游隙等均在正常要求范圍內(nèi)。

綜上所述,試驗數(shù)據(jù)滿足合格判定準(zhǔn)則,可以認(rèn)為順利通過了滑油中斷試驗。

4結(jié)論

本文對某型渦軸發(fā)動機(jī)進(jìn)行了滑油中斷試驗研究,在本文試驗范圍內(nèi),可以得到如下結(jié)論:

(1)本次滑油中斷試驗的成功表明,該滑油中斷試驗裝置設(shè)計合理可行,結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、響應(yīng)迅速、控制精度高,可在今后同類型試驗中進(jìn)行廣泛推廣。

(2)在滑油中斷期間,發(fā)動機(jī)振動值整體會有所增大,原因在于,滑油中斷會導(dǎo)致擠壓滑油油膜阻尼器減振效果下降,潤滑零部件會發(fā)生相應(yīng)變化,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子及發(fā)動機(jī)振動響應(yīng)增大,是滑油中斷后發(fā)動機(jī)的正?，F(xiàn)象。

(3)某型渦軸發(fā)動機(jī)在滑油中斷期間和隨后恢復(fù)正常潤滑的試驗過程中工作正常,性能均符合要求,順利完成了滑油中斷試驗,為該型號發(fā)動機(jī)設(shè)計定型提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持與依據(jù)。