涡轴发动机滑油中断试验研究

引言

航空涡轴发动机作为一种高速旋转机械,滑油对其内部齿轮和轴承起着润滑、冷却以及带走磨粒的作用,所形成的油膜在一定程度上还有缓冲减振的效果。发动机在运行过程中遭遇故障、机动飞行、重复的瞬间过载飞行、不正确使用等情况时,其内部齿轮和轴承将立即进入无润滑的极其恶劣的工作环境,齿轮和轴承等传动元件摩擦副产生的大量摩擦热将使传动系统内部零部件温度随时间延长而急剧上升,从而导致发动机失效。因此,在研制阶段对发动机进行滑油中断试验,验证其是否具有设计要求的干运转能力是十分必要的。

发动机结构复杂,流、固、热多相耦合工作,因此部件级的试验无法验证发动机真实工作条件下滑油中断的情况,为保证飞行安全,应对发动机滑油中断做地面整机试验,对发动机性能进行鉴定。本文对某涡轴发动机滑油中断试验进行了研究,在保证试验质量和安全的前提下,设计出一套滑油中断试验装置,并通过试验验证,对该装置进行了改进,最终顺利完成了滑油中断试验,为该类型试验积累了经验。

1试验要求

国家军用标准GJB242一87中要求涡轴发动机要进行滑油中断试验。根据这一要求,滑油中断时,仅向滑油泵进口供气,发动机在中间状态工作30s。在滑油中断期间和随后恢复正常润滑的30min内,发动机应无损坏地工作。分解检查发动机各零部件并重点检查发动机各润滑件无损坏,则认为完成了试验。

滑油中断试验已超过发动机正常工作范围,有一定风险性,可能干运转会引起磨损、过热而导致零部件损坏,首当其冲的便是与润滑有关的零部件,如轴承、齿轮、滑油泵、封严环等。因此,试验过程中应严格落实与试验有关的监控措施。对于发动机平稳运行最敏感的参数就是振动,试验中应密切注意监控参数的变化,确保发动机安全运转。

2试验方案

试验对象为某型涡轴发动机,其由粒子分离器、组合压气机、燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮及附件传动机匣组件、自给式滑油系统等组成。滑油中断试验在验收合格的整机试验台上进行。

2.1试验装置设计

本次试验发动机,本身结构集成度高,在滑油箱与滑油泵附件之间没有外部管路。为了满足试验要求,达到试验目的,要设计一套便于操作、易于控制、反应迅速、工作可靠的发动机外部滑油中断试验装置。

图1给出了原滑油路以及滑油中断试验装置的滑油路示意图。在原滑油路中,滑油从滑油箱的油滤吸入至滑油泵及附件进入轴承腔,再回到滑油箱形成滑油路闭环。在滑油中断试验装置中,用转接管替换油滤形成通路,将滑油放油口通过通/断油装置与转接管相连,形成发动机外部滑油路。这样,滑油从放油口进入通/断油装置,通过转接管吸入至滑油泵及附件进入轴承腔,再回到滑油箱形成滑油路闭环。通过远程控制通/断油装置即可控制大气与滑油的切换,进行滑油中断试验。

图1滑油中断试验装置示意图

2.2试验内容

(1)发动机稳态性能录取试验:

(2)滑油中断试验。

2.3试验程序

滑油中断试验开始前进行一次常规试车,录取发动机性能,并检查发动机工作稳定性。性能录取试验结束后取50mL滑油做光谱分析,清理磁性屑末检测信号器,更换滑油滤芯。

滑油中断试验程序如图2所示,在发动机到达规定状态后停留3min,然后切换通/断油装置,中止滑油箱向发动机供滑油,同时滑油泵增压级进口通大气,在此状态保持30s。在试验过程中,密切监控发动机工作情况及各测量参数的变化情况并记录,如有异常立即停车。滑油中断30s后,立即恢复正常供油,在该状态停留3min后,逐步下拉发动机状态进行剩余试验直至滑油中断试验完成。试验结束后,检查磁性屑末检测信号器和滑油滤芯,并取50mL滑油做光谱分析。

3试验结果、分析及设备改进

按照上述试验程序进行两次滑油中断试验。其中第一次试验,通/断油装置由两个电磁阀组成,试验过程中因为通/断油装置无法恢复滑油供应而终止:对设备进行改进后,第二次成功地完成了滑油中断试验。

3.1第一次滑油中断试验

试验前,按照图1对滑油中断装置进行安装,其中通/断油装置如图3所示。在正常试验时,滑油进口处电磁阀2接通,通大气侧电磁阀1关闭,滑油通过滑油箱放油口至电磁阀2进入滑油泵,再进入轴承腔等:当滑油中断时,通大气侧电磁阀1接通,滑油进口处电磁阀2关闭,仅有空气进入滑油泵,从而形成滑油中断的效果。

如图4所示,在第一次滑油中断试验时,在中间状态中断滑油,滑油压力下降为0,30s后恢复供油,滑油压力仍为0,2min后滑油压力仍未恢复,下拉发动机状态,在下拉过程中有异响,振动报警达到60mm/s,进行紧急停车。停车后从滑油箱中只放出1L滑油,大量滑油泄漏。

经检查,电磁阀关闭时,靠阀两侧压差对阀本身进行压紧,从而起到紧闭的作用,滑油大量从电磁阀1泄漏。通/断油装置由两组电磁阀组成的方案存在问题,需改进。

本次滑油中断试验最终因设备问题而终止,但是在滑油中断期间,发动机稳定运行,各主要参数无明显变化,振动值整体有所上升,其原因在于,当滑油切断后,挤压滑油油膜阻尼器减振效果下降,转子及发动机振动响应增大,但未超过极限值。后续下拉发动机状态过程中的振动值超限,原因是滑油大量泄漏,导致与润滑相关的零部件长时间处于无润滑状态,引起了磨损、过热等问题,加上发动机状态改变这个因素,最终导致了振动值超限。

3.2第二次滑油中断试验

总结上一次试验经验,按照图5对通/断油装置进行改进,将两组电磁阀改为二位三通电动阀。其中,二位三通阀的进口A与滑油箱放油口连接:二位三通阀的一个接口B与转接管相连,A二B为滑油通道,保证发动机在供应滑油的状态下正常工作:二位三通阀的另一个接口C通大气,C二B为空气通道,该通道工作时,滑油通道关闭,满足滑油中断试验仅有空气进入滑油泵,使发动机在一定时间内无滑油供应的状态下工作的要求。

如图6所示,整个试验过程中,发动机工作正常,滑油中断过程中,滑油供油压力正常变化。中断开始时,压力在2s内降低到0:恢复供油后,2s左右压力回到正常值,滑油供油温度和回油温度无明显变化。在滑油中断的31s内,发动机的功率、动力涡轮前温度、燃气涡轮转速等重要性能参数均未发生明显变化,发动机各振动参数均有所增大,但所有振动参数均在规定范围之内。整个试验过程中磁性屑末检测信号器未报警,滑油滤未发现堵塞指示或堵塞报警。

3.3试验后检查

对所取滑油样品进行光谱分析,表1给出了滑油光谱分析结果,分析表明,滑油中断试验前后滑油中金属元素的含量无明显变化,说明滑油中断期间各轴承并无明显磨损。

发动机完成滑油中断试验后分解,以检查滑油中断对发动机的损伤情况。检查结果表明,发动机各部件未发现异常:对发动机轴承进行分解、目视检查显示正常,返回相应承制单位返厂检查,轴承尺寸精度、旋转精度及游隙等均在正常要求范围内。

综上所述,试验数据满足合格判定准则,可以认为顺利通过了滑油中断试验。

4结论

本文对某型涡轴发动机进行了滑油中断试验研究,在本文试验范围内,可以得到如下结论:

(1)本次滑油中断试验的成功表明,该滑油中断试验装置设计合理可行,结构简单、操作方便、响应迅速、控制精度高,可在今后同类型试验中进行广泛推广。

(2)在滑油中断期间,发动机振动值整体会有所增大,原因在于,滑油中断会导致挤压滑油油膜阻尼器减振效果下降,润滑零部件会发生相应变化,导致转子及发动机振动响应增大,是滑油中断后发动机的正常现象。

(3)某型涡轴发动机在滑油中断期间和随后恢复正常润滑的试验过程中工作正常,性能均符合要求,顺利完成了滑油中断试验,为该型号发动机设计定型提供了强有力的技术支持与依据。