燃气涡轮发动机高速轴承供油方案研究

李夫庆，周晟鋆

(中国联合重型燃气轮机技术有限公司，北京100016)

0 引言

润滑是用润滑剂减少摩擦副的摩擦和降低温度，或改善其它形式的表面破坏的措施。合理地选择与设计润滑方法及润滑系统和装置，对降低摩擦阻力，减少表面磨损和维持油温，使设备具有良好的润滑状况和工作性能，保证设备高效运转，延长使用寿命，具有十分重要的意义［1］。

随着燃气涡轮发动机技术的不断发展，作为关键部件的滚动轴承将处于高速、 高温和重载等更为严苛的工作环境下，对其工作性能的要求日益提高。随着燃气涡轮发动机轴承DN 值不断提高，DN 值越大轴承内部的发热量也因而大幅增加，若滑油供给量不足则无法及时的将轴承发热量发散，这将导致轴承温度升高，轴承内、外圈温差变化并影响工作的有效，严重时甚至可能导致轴承失效［2］。轴承供油方式的正确选择是确保轴承安全可靠工作的基础。

以往多数研究多以某一种轴承供油方式进行研究，如喷射供油的轴承内气液两相流动、喷射破壁；环下供油滑油通道、油体积分数分布等问题进行研究［3-5］。较少对比总结各种轴承供油方式的应用对比。

本文介绍了燃气涡轮发动机滚动轴承润滑的常见结构形式和应用要求，详细说明了喷射供油、喷管供油和环下供油方案的原理和设计要素。列明了喷射供油、 喷管供油和环下供油的应用条件和应用场景。

1 喷射供油

喷射供油，是指将供油喷嘴靠近轴承端面，对准轴承套圈和保持架内径或外径之间的径向间隙，以一定的喷射速度向轴承滚动体喷油［4］。在喷射供油结构中，喷嘴的结构、数量、位置、喷射速度、供油压力和供油量等因素对保证轴承安全可靠运转均非常重要。常见的喷嘴供油结构形式如图1 所示。

图1 轴承喷射供油示意图

喷射供油具有结构简单，易于控制的优点，是滚动燃气涡轮发动机滚动轴承常见的润滑方式之一。

喷射供油虽结构简单，但其供油效率低，需克服轴承腔内涡流油气团阻力才可将滑油供入轴承内部，因而无法对轴承内圈进行充分的润滑和冷却。但通过提高滑油喷射速度和增加喷嘴数量的方式可以改善轴承的润滑和冷却。研究表明［6］，喷射润滑适用于 DN≤2.5 × 106的轴承润滑，这是因为当 DN ＞2.5 × 106时，在离心力的作用下，仅少量滑油能够进入轴承内部，因此减弱了对轴承的内环、滚动体、滚子端面和挡边处的润滑，此外，轴承转速的提高还将产生大量的搅拌热，造成轴承工作温度的升高［7］。此外，仅提高滑油量也不足以满足轴承润滑和冷却的需求，提高滑油流量同样会因滑油强烈的搅动而产生更多的搅拌热。喷射供油轴承内部油气两相呈现不均匀分布，滑油多集中于外环附近，且沿旋转方向逐渐减少；油体积分数较大时内外环温度较低，由于热传导作用，油体积分数最大处与外环温度最低处并不重合。

喷射供油较普遍采用，但对高DN 值的轴承，特别是对工作环境恶劣的轴承内环不能进行充分润滑和冷却。一般在喷嘴位置、喷射速度、供油压力合理及回油通畅的前提下，喷射供油适用于DN 值小于2.5 × 106的轴承供油。在早期的发动机及一些预研试验件中，因轴承转速较低，轴承DN 值多低于2.5 ×106，喷射供油应用较为普遍。在笔者设计的试验件中，后轴承DN 值较小，约1.8 × 106采用了喷射供油方案。

2 喷管供油

喷管供油，是指将滑油先经过喷嘴喷射到集油环等零件上，再通过细小的供油管路流入轴承，也有采用管子直接流入轴承的形式［6］。图 2 所示，为一种滑油先通过喷嘴喷射到集油环，再通过管路流入轴承的喷管供油结构。

图2 喷管供油示意图

喷管供油由于滑油离开喷嘴进入供油喷管后，压力急剧下降，同时因供油喷管跟随外轴高速旋转，在离心力的作用下滑油附着在供油喷管管壁，导致滑油流动性较差。

喷管供油在设计中应考虑以下主要问题：(1)适当加大喷嘴喷射流量；(2)适当加大供油喷管通流面积，避免节流；(3)因供油喷管随外轴高速旋转，可能带来大量的搅动热量，需要采用高温耐热合金；(4)注意供油喷管材料线膨胀系数与外轴、 轴承座材料线膨胀系数的匹配，避免材料变形导致供油喷管变形。同时，可以采用喷油流量标定试验，即对不同压力、不同流量喷嘴供油下，收集供油喷管出油流量，以确定最佳的喷嘴供油压力和流量。

喷管供油适用于转速较低的轴承，喷管供油对滑油压力要求不高，因此需要适当加大喷嘴喷射流量。喷管供油主要用于轴间轴承润滑。由于轴间轴承内、外圈同时旋转，无法安装喷嘴，所以喷管供油满足了轴间供油的结构要求。涡喷7 发动机低压压气机后支点是中介轴承，其轴承布局结构与图2 相近。涡喷7 该轴承采用了喷管供油，主要考虑了该轴承处于内轴与外轴之间。

3 环下供油

环下供油，是指将滑油通过喷嘴喷射进入收油装置，滑油在离心力作用下通过滑油通道进入轴承滚道。在DN 值较大，环下供油可以使轴承润滑冷却效果得到极大改善，而且进入轴承滚道的滑油很容易将保持架上磨下的粉末冲走，进而延长轴承寿命。在环下供油润滑中，轴承内部油气分布较喷射供油更为均匀，环下孔处的油体积分数为轴承内部周向油体积分数的极大值，在转速达到一定值时，该现象将得到保持。

在启动过程中因转速较低，离心力不足以使滑油通道中的滑油甩入滚道，因此在启动及转速较低的工作条件下，环下供油对轴承的润滑和冷却效果不佳。

因环下供油属于开式供油，断油后供油通道中残留的滑油在离心力作用下甩入轴承滚道，这样使得环下供油轴承具有一定的抗断油能力。

3.1 环下供油

如图3 所示，环下供油结构包括供油喷嘴、收油装置、滑油通道以及甩油环等零件和特征。收油装置从滑油喷嘴处接收滑油并进入滑油通道，滑油通道由转子零件组成。滑油在离心力的作用下经过轴承内圈供油孔，进入轴承并对轴承滚动体进行润滑。

图3 环下供油示意图

进入轴承的滑油量与喷嘴喷出的滑油量之比，称为环下供油系统的集油效率，影响集油效率的因素包括：(1)喷射角度、喷嘴数量、喷嘴周向安装位置、喷嘴与收油装置之间的距离，等喷嘴结构参数与喷嘴安装结构参数；(2)供油压力；(3)滑油通道各主要特征截面通流面积；(4)收油装置结构等结构参数。其中，前三项因素对集油效率的影响较大［3］。

滑油通道由收油装置与转轴、轴承内圈构成，在设计与加工制造中主要考虑：(1)收油装置与转轴刚性连接，确保连接结构安全可靠；(2)具备防止滑油在工作状态下沿轴向溢出的作用；(3)滑油通道截面应设计成圆弧形，确保滑油通道畅通；(4)沿滑油运动方向应设计成带锥度的，以保证滑油加速流动；(5)需保证无节流现象，通道壁面光滑，无尖边，一般要求机加工粗糙度不小于Ra0.8。

当收油装置与转轴之间的空间允许时，尽量将喷嘴布置在收油装置内，其收油效率最高，可达100%。但该采用该结构形式时，需在喷嘴流路内设置控制滑油流量的节流孔，同时将喷嘴出口孔设计成截面较大的截面结构，从而达到降低喷嘴出口滑油喷射速度，避免滑油飞溅的目的。当收油装置与转轴之间的空间较小，不具备将喷嘴布置在该空间内的条件时，将喷嘴布置在距收油装置端面一定距离的位置，喷嘴出口孔轴线应对准收油装置与转轴之间的间隙。试验表明，当喷嘴出口孔与收油装置端面距离分别为 1 mm，4 mm，8 mm，11 mm 时，以 11 mm 集油效率最高［2］。

燃气涡轮发动机轴承腔或附件机匣均为采用干轴承腔原理为设计准则，一般需布置甩油环。甩油环能够有效的防止滑油飞溅扩散，提高了滑油收集效率。此外，要求甩油环与转轴刚性连接，确保连接结构安全可靠。

环下供油适用于高DN 值轴承供油，一般在轴承DN 值大于 2.5 × 106时应采用环下供油。CFM56 发动机止推轴承DN 值约2.5 × 106，其止推轴承的润滑和冷却采用了环下供油方案。在笔者设计的试验件中，前轴承DN 值较大约2.6 × 106也采用了环下供油方案。

3.2 径向收油环下供油

径向收油环下供油是一种环下供油的特殊结构形式。图4 是典型径向收油环下供油示意图，图中收油装置也称为收油叶轮，由叶轮和槽道组成；叶轮上的槽道和转轴组成滑油通道。叶轮随转轴一起做高速旋转，当滑油由喷油嘴喷入到叶轮中时，一部分滑油随着叶轮叶片的旋转被收至滑油通道，通过轴承内环孔进入轴承滚道进行润滑。

图4 径向收油环下供油示意图

由于结构及工作环境的限制，径向收油环下供油不可能将喷嘴喷出的润滑油全部收入并送至轴承滚道，喷嘴喷射速度、转轴转速、叶轮叶型、槽道螺旋角是影响径向收油环下供油收油效率的主要因素。(1)喷嘴喷射速度的增大，单位时间内的供油流量增大，但收油效率反而下降；(2)转轴转速的增加，收油效率增加，但当转速增加到一定值后，收油效率开始降低；(3)采用平缓的叶轮叶型并增大叶片倾角，收油效率增加；槽道螺旋角的增大可以明显提高收油效率。

径向收油环环下供油应收油叶轮设计及制造难度较大，在成熟发动机中应用较少，多用于预研试验件中。

4 结束语

轴承供油方式的选取和润滑冷却结构设计是确保轴承安全可靠运行的基础。

传统的供油方案，是在轴承一侧或两侧向轴承滚动体和内圈缝隙供油。此供油方式的问题在于部分滑油被反射或飞溅，仅部分滑油能够有效进入轴承，且在轴承DN 值较大时，滑油在离心力的作用下难以进入轴承内部，因而影响润滑和冷却效果。较之于传统的轴承单侧或双侧缝隙供油方案，环下供油能够有效的将润滑油送入轴承内部，充分润滑轴承滚动体，带走轴承热量，可靠回油，保证轴承腔不积油。现阶段，随着发动机转速不断增大，轴承DN 值不断增大，环下供油技术因其良好的润滑和冷却效果，引起了较高重视，正逐步应用于先进燃气涡轮发动机轴承的润滑冷却设计。

(1)在轴承DN 值较低时，喷射供油可以实现轴承的有效润滑和冷却，因喷射供油结构简单，在低DN 值时可以作为优选的供油方式。

(2)喷管供油常用于转速较低的轴间轴承润滑和冷却。

(3)环下供油作为一种轴承润滑冷却方案，实现高DN 值、高负荷轴承的使用要求，提高滑油的润滑冷却效率。滑油可以直接进入有效润滑区域，供油效率高，润滑、冷却效果好。