离心式滑油分配器设计方法

李博，郭梅，许振君，梁作斌

(中国航空工业集团公司航空发动机动力传输航空科技重点实验室，辽宁沈阳110015)

离心式滑油分配器设计方法

李博，郭梅，许振君，梁作斌

(中国航空工业集团公司航空发动机动力传输航空科技重点实验室，辽宁沈阳110015)

航空发动机附件机匣包含有大量旋转部件，且转速高、温升大和工况复杂。为保证附件机匣的使用寿命，提高可靠性，必须对旋转部件进行强制润滑。但航空发动机附件机匣结构往往设计得非常紧凑，难以实现多点强制润滑。离心式滑油分配器可实现狭小空间内的多点有效润滑，同时可简化附件机匣内部结构设计。根据流体力学原理，推导了离心式滑油分配器设计的相关计算公式，建立了离心式滑油分配器的设计方法。

航空发动机；附件机匣；离心式滑油分配器；润滑；渐开线花键；滚动轴承

1 引言

航空发动机附件机匣用于固定燃滑油附件、控制系统电机、测试传感器等飞发附件，并将涡轮的轴功传递给各个附件，满足各附件对转速、转向和功率的要求[1]。同时，在发动机起动过程中，通过附件机匣将起动功率传递给发动机主轴，保证飞行器无论是在空中或是在地面都能正常起动飞行[2]。

附件机匣主要由一系列齿轮、轴承及传动花键组成。为满足附件传动系统长时间可靠工作，对高速运转的轴承、花键必须采用适当的方式润滑冷却。通常需要在附件机匣内部布置滑油喷嘴进行喷油润滑，但有时因附件机匣结构紧凑、空间有限，而无法使用喷嘴进行润滑。

本文介绍的一种结构简单、使用可靠、安装于齿轮轴内部的离心式滑油分配器，可在一定场合下替代滑油喷嘴，简化附件机匣内部结构，减少零组件数量，提高传动系统的可靠性[3]。该离心式滑油分配器利用齿轮轴高速转动产生的离心力，通过特定孔型，将润滑油定量、连续地输送至润滑点，对轴承、花键进行润滑冷却，增加其使用寿命，进而提高整个传动系统的可靠性。离心式滑油分配器的设计点有分油孔型设计和供油量计算两个，本文针对这两个设计点，建立离心式滑油分配器的数学模型和设计方法，以为其结构设计提供理论依据。

2 轴承和花键的润滑

航空发动机附件机匣内轴承采用何种润滑方式，通常依据轴承的DN(D为轴承内径(mm)，N为转速(r/min))值大小来确定。轴承的DN值可反映轴承在运转过程中的升热量，为控制轴承温升，一般对轴承的DN值加以限制。不同润滑剂和润滑方式下轴承允许的DN值见表1[4]。

表1 各种润滑方式下轴承的许用DN值104Table 1 AllowableDN×104among diversified lubricated method

附件机匣内的花键一般为渐开线花键，设置于齿轮轴轴端驱动飞发附件，或设置于传动杆端部传递涡轮轴功。内外花键存在齿侧间隙，在运转过程中会出现微动磨损，并且这种磨损会随着角偏斜量的增大而加剧。对花键齿面进行强制润滑，可降低磨损程度，提高使用寿命[5]。在航空发动机设计领域，花键是否需要强制润滑，主要依据齿面许用挤压强度和齿面间相对滑动速度来确定[6]。

对于钢制、齿面渗碳的渐开线花键，相比脂润滑，采用滴油润滑可提高齿面挤压强度50%以上。齿面间的相对滑动速度V主要由角偏斜造成，计算方法为：

式中：Vs为许用滑动速度(mm/s)，Dm为花键副的平均直径(mm)，N为转速(r/min)，Δ为偏斜角度(rad)。

航空发动机附件机匣内，许用滑动速度通常限制在125 mm/s内，偏斜角度通常不大于0.003 rad，超过这一范围时必须进行强制润滑[7]。

3 离心式滑油分配器的设计

3.1 分油孔孔型设计

离心式滑油分配器属于圆柱形薄壁件，中心为分油孔，通常设置为腰形。分配器通过过盈固定在空心齿轮轴心部随齿轮轴转动，根据孔型尺寸自动分配润滑油油量，其结构形式见图1。

图1 离心式滑油分配器Fig.1 The centrifugal oil distributor

图1所示滑油分配器通过腰型孔(图2，图中虚线为润滑油落点轨迹)定量分配润滑油，分配器的理论分油效率按式(2)计算。考虑到齿轮轴转速、润滑油物性参数及流体喷射效应等因素的影响，分配器的实际分油效率会降低，式(3)为修正的分油效率计算公式。转速影响系数Kn、润滑油粘度影响系数Kμ和流体喷射效应影响系数Ks可通过试验获取，实际使用上将其乘积定义为分配影响因子β(取值范围0.93～0.96)，则实际分油效率的计算公式可改写为式(4)。通过改变结构尺寸L、D的大小可实现不同的分配效果，满足不同附件机匣的设计要求。

图2 滑油分配器分油孔Fig.2 The hole of the centrifugal oil distributor

3.2 供油量计算

进入分配器的润滑油经分油孔分成两个或更多部分，其中一部分润滑油进入甩油腔内，之后润滑油通过图1所示的甩油孔在离心力的作用下甩出分配器进入润滑点。通过甩油孔甩出的润滑油流量大小，主要取决于转速、结构尺寸及机匣内压强，可根据薄壁孔口的恒定自由流模型计算[8]，见图3。公式(5)是薄壁孔口恒定自由流流量的计算公式。

图3 薄壁孔口自由出流Fig.3 The flow of fluid from the thin walled hole

式中：Q为流量(cm3/s)；Cd为出流系数，通常为0.60～0.61；A为甩油孔截面积(mm)；Δp为1-1截面与C-C出口截面的压力差；H为液面高度(mm)；ρ为润滑油密度(g/cm3)。

这里需要说明的是，薄壁孔口恒定自由流计算模型仅考虑重力作用下的液体流动，而滑油分配器内的润滑油是在离心力作用下甩出，所以在自由流基础上需增加一个“离心水头”的影响效果。根据等角速度旋转容器中液体平衡模型[5]，离心力作用产生的“离心水头”按式(6)计算，这样修正后甩油孔润滑油流量按式(7)计算。一般情况下进入滑油分配器的润滑油无法形成稳定油面，所以计算过程中不考虑位置水头的影响，即认为H=0。

式中：ω为角速度(rad/s)，r为甩油孔距旋转中心的距离(mm)。

如果进入分配器的滑油总流量为Q总，那么在分配器尺寸设计上必须满足式(8)。其中η为甩油孔出油效率，表示甩油效果的强弱。为保证润滑效果，η必须小于1，通常选在0.85～1.00之间，即保证通过甩油孔甩出的润滑油总是多于进入的润滑油，这样可保证分配器内不会有过多积油。积油会造成齿轮轴不平衡响应增大，降低轴承的使用寿命。

式中：Z为甩油孔数量。

3.3 设计案例

图4是某型航空发动机附件机匣的一处离心式滑油分配器应用示例。如图所示，喷嘴喷出的压力油经腰形分油孔分别进入A腔和B腔，进入A腔的润滑油经甩油孔(7和8)，依靠离心力产生的甩油作用对球轴承进行润滑[9]，挡油板结构增强了对球轴承的润滑效果；进入B腔的润滑油流入滚棒轴承，并形成具有一定液面高度的油池对轴承进行油浴滑。

图4 轴承润滑Fig.4 Lubricated bearing

图5 花键润滑Fig.5 Lubricated multiple spline

图5是使用离心式滑油分配器对渐开线花键进行润滑的例子[10]。通过喷嘴1润滑油进入分配器，A-A视图中虚线为润滑油落点轨迹，之后润滑油经8字形分油孔分配后部分通过甩油孔进入传动轴花键进行润滑。通常受结构限制，花键一般采用润滑脂进行被动润滑；本例通过分配器，实现了花键连接的强制供油润滑，提高了传动的可靠性。

4 结束语

离心式滑油分配器可有效解决齿轮箱内狭小空间的多点润滑问题，简化机匣内部结构，实现对轴承和花键等结构的有效润滑及冷却。本文详细介绍了离心式滑油分配器的设计方法及应用实例，根据这一方法，可设计出更多、形式更灵活的结构，以适用不同机匣的需要。离心式滑油分配器在设计和使用上，还需注意以下三个问题：

(1)分配器与旋转部件之间通常采用H7/u6、H7/s6的过盈联结，保证分配器不会轴向移动；

(2)离心式滑油分配器利用离心力的甩油效果实现滑油输送，所以必须使用在高转速场合(一般要求转速不低于6 000 r/min)；

(3)分配器在结构设计上必须保证滑油流动顺畅，不存在积油点，实现干油腔设计，即不工作时其内部无存油。

[1]刘长福，邓明.航空发动机结构分析[M].西安：西北工业大学出版社，2006.

[2]林基恕.航空燃气涡轮发动机机械系统设计[M].北京：航空工业出版社，2005.

[3]林左鸣.战斗机发动机的研制现状和发展趋势[J].航空发动机，2006，32(1)：6—8.

[4]机械设计手册编委会.机械设计手册[K].3版.北京：机械工业出版社，2004.

[5]Valtierra J R M L，Brown H W，Ku P M.A Critical Survey and Analysis of Aircraft Spline Failures[R].San Antonio：Southwest Research Institute，1975.

[6]Waterhouse R B.Fretting Fatigue[M].London：Applied Science Publishers，1981.

[7]航空发动机设计手册编委会.航空发动机设计手册：第12册——传动及润滑系统[K].北京：航空工业出版社，2002.

[8]盛敬超.液压流体力学[M].北京：机械工业出版社，1980.

[9]赖伟，林国昌，陈聪慧.燃气轮机滚动轴承故障模式及延寿方法[J].航空发动机，2007，33(1)：37—41.

[10]郭梅，陈聪慧，战鹏，等.航空发动机中央传动杆磨损故障分析与研究[J].燃气涡轮试验与研究，2013，26 (2)：54—57.

Design Method of Centrifugal Oil Distributor

LI Bo，GUO Mei，XU Zhen-jun，LIANG Zuo-bin
(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Power Transmission of Aero-Engine，Aviation Industry Corporation of china，110015，China)

The accessory casing of aero-engine includes a series of rotating parts which operated in hostile environment featured high speed and temperature.Generally,to guarantee the operating life and reliability, the rotating parts of accessory casing have to possess forced-feed lubrication,but as a result of well-knit construction,it is very difficult to conduct multi-point lubrication.The centrifugal oil distributor is capable of conducting multi-point lubrication,but also simplifying internal construction of gearboxes.Fundamental⁃ly,the textual content has been concluded and design method of the centrifugal oil distributor was estab⁃lished based on the theory of hydrodynamics.

aero-engine；accessory casing；centrifugal oil distributor；lubrication；spline；rolling bearing

V233.4

：A

：1672-2620(2014)04-0035-04

2013-12-17；

：2014-05-07

李博(1982-)，男，辽宁沈阳人，工程师，主要从事航空发动机传动系统设计技术研究工作。