航空发动机滑油供油系统建模及应用

航空发动机滑油供油系统建模及应用作者：杨家旺姜会庆周琳
来源：《工业技术创新》2019年第03期
摘 ; 要：針对航空发动机滑油供油系统压力和流量等参数测量困难的问题，开展建模及应用研究。

采用一维流体仿真软件FlowMaster，建立某型航空发动机滑油供油系统仿真模型，并将试验数据与仿真结果进行对比，相对误差保持在10%以内，满足工程精度要求。

利用仿真模
型对滑油温度、供油流量对供油压力的影响进行分析，表明供油压力随滑油温度的升高而降
低，随供油流量的增大而增大。

为指导航空发动机滑油供油系统设计、优化、排故提供了重要的分析手段。

关键词：航空发动机;滑油供油系统;FlowMaster;滑油温度;供油流量;供油压力
中图分类号：V11 ; ; ;文献标识码：A ; ; ;文章编号：2095-8412 （2019） 03-080-06
工业技术创新 URL： http： // ; ;DOI： 10.14103/j.issn.2095-
8412.2019.03.016
引言
航空发动机滑油供油系统的主要功能是对发动机轴承和齿轮等零部件进行润滑和冷却[1]，并带走发动机腔内磨粒，保证发动机的长期可靠运行。

滑油供油系统一般由供油、回油、散热和通风四个子系统组成[2]。

全流量滑油供油系统是现代中小型航空发动机滑油供油系统的设计趋势。

供油子系统将滑油增压，并通过管路和喷嘴将全部滑油输送到各润滑部位。

滑油压力是保证供油子系统工作性能的关键参数，也是对发动机安全进行监控的主要指标[3]。

获得较准确的滑油压力分布，对系统设计、后期优化及排故工作都十分重要。

然而，由于系统管路复杂，且管路与机匣采用集成设计，因此系统各部位的压力分布及各喷嘴的流量十分难以测得[4]。

因此，建立精确的滑油供油系统模型，对航空发动机安全性和可靠性的提升具有重要意义。

国内外学者一直致力于滑油系统或者燃油系统的建模研究。

例如，在国外，Akin等学者对滑油喷嘴在齿轮啮入和啮出侧喷射润滑时最优的喷油速度和角度等进行了研究[5];在国内，闫克学对直升机燃油系统开展了仿真研究，分析了直升机在不同姿态下，燃油系统内的压力、流量分布规律[6]。

然而，目前专门针对航空发动机滑油供油系统建模的研究很少。

本文利用一维流体仿真软件FlowMaster，对航空发动机滑油供油系统进行仿真研究，进而将仿真模型应用于滑油温度、供油压力、供油流量数据的测量及其相互关系的考察。

1 ;数学模型
FlowMaster的建模思想是将系统的管路和腔室分解成相应的节点和元件组成的网络[7，8]，其中节点代表实际系统中各物理元件的进出口。

在元件上建立流动控制方程，在节点上建立连续和能量方程，从而建立方程组对系统进行整体求解，即可求得各支路的流量、压力等数据。

航空发动机滑油供油系统建模中用到的元件主要分为两类：直管元件、局部损失元件。

局部损失元件主要包括突扩、突缩、渐扩、渐缩、薄壁孔、长孔等。

1.1 ;直管元件
粘性流体流经直管道时，会产生沿程阻力损失。

流体阻力损失受进口边界条件的影响，使得流体呈现两种基本的流动形态：层流和紊流。

这两种不同流动形态的区分取决于雷诺数Re。

2 ;航空发动机滑油供油系统原理
某型航空发动机滑油供油系统为全流量系统，原理图如图1所示。

系统由滑油箱、滑油泵组、滑油滤、旁通活门、滑油温度传感器、滑油压力传感器、滑油滤堵塞信号器、滑油管路和各润滑喷嘴等组成。

供油流程为滑油箱→滑油泵组→滑油滤→旁通活门→滑油管路→各润滑喷嘴。

3 ;模型简化与建立
3.1 ;模型简化
航空发动机滑油供油系统在模型建立和计算时做以下简化：
（1）不考虑重力影响。

这是由于管路的位差较小，各部位流体势能变化也较小;
（2）不考虑供油管路与外部环境之间的换热;
（3）将供油子系统中的滑油视作单相流动，这是因为供油系统管路内存在的气泡非常少，;
（4）假定压力监测点位于滑油滤出口，从滑油滤出口开始建模。

3.2 ;模型建立
根据系统中的管路及喷嘴类型，在FlowMaster软件的元件库中选取相对应的元件模型，建立航空发动机滑油供油系统的仿真模型，如图8所示。

仿真介质选用飞马2号航空合成润滑油。

4 ;结果与讨论
4.1 ;模型验证
为了验证模型的合理性，将仿真结果与航空发动机的试车数据进行对比。

选取发动机5个典型稳态下在（100±5）℃时的滑油压力，对比结果如表1所示。

可以看出，两者非常接近，且仿真结果均普遍大于试验结果，这是因为实际的润滑喷嘴孔径一般优先选择上偏差，实际流量会略大约设计值，从而压力会略低于设计值。

即使如此，相对误差均保持在10%以内，满足工程精度要求。

4.2 ;数据分析
基于仿真模型，分别对滑油温度和供油流量对供油压力的影响进行分析。

4.2.1 ;滑油温度对供油压力的影响
保持供油流量不变，改变滑油温度，得到滑油温度—供油压力曲线如图9所示。

可以看出，供油压力随滑油温度升高而逐步降低。

当滑油温度低于90℃时，供油压力降低明显;当滑油温度高于90℃后，供油压力敏感度减低，这是因为当滑油温度到了一定程度以后，滑油粘度的变化已经很小，因此，对供油压力的影响也变得不明显。

4.2.2 ;供油流量对供油压力的影响
将滑油温度设置为100℃，改变供油流量，得到供油流量—压力曲线，如图10所示。

可以看出，供油压力随供油流量的增大而增大。

5 ;结论
本文基于一维流体仿真软件FlowMaster，建立了某型航空发动机滑油供油系統模型，仿真得到以下结论：
（1）供油压力随滑油温度的升高而降低。

当滑油温度小于90℃时，供油压力降低明显;当滑油温度大于90℃时，滑油粘度不再明显变化，供油压力对滑油温度的变化不敏感。

（2）供油压力随供油流量的增大而增大。

上述结论可以有效指导航空发动机滑油供油系统设计和优化，能够起到缩短研制周期、降低研制成本的作用，也可以作为航空发动机滑油供油系统排故的分析手段。

参考文献
[1] 李国权. 航空发动机滑油系统的现状及未来发展[J]. 航空发动机， 2011（6）： 49-52.
[2] 周秦，曾嵘，贾效强. 某型航空发动机滑油系统高空性能分析[C]// 航空安全与装备维修技术——航空安全与装备维修技术学术研讨会论文集. 2014.
[3] Shidt J， Hank W K， Klein A， et al. The oil/air system of modern fighter aircraft engine[C]// AGARD Conference Proceedings， No.323， 7-1-7-20.
[4] 路彬，刘振侠，吕亚国，等. 航空发动机滑油通风系统性能计算仿真[J]. 航空计算技术， 2011， 41（4）： 32-35.
[5] Akin L S， Townsedn D P， Mross J J. Study of Lubricant Jet Flow Phenomena in Spur Gears[R]. Hampton： NASA， 1974： 1-26.
[6] 闫克学. 基于Flowmaster软件的直升机燃油系统仿真计算[J]. 直升机技术， 2008（4）： 14-18.
[7] 李林蔚. FLOWMASTER2在核电厂闭式冷却水系统仿真中的应用[J]. 机电工程技术，2010， 39（1）：70-71.
[8] 苏立超，刘振侠，吕亚国. 航空发动机润滑系统滑油压力仿真计算[J]. 科学技术与工程， 2012， 12（1）： 97-101.
作者简介：
杨家旺（1987-），通信作者，男，湖南邵阳人，硕士研究生，工程师。

研究方向：航空发动机润滑系统设计与实验。

E-mail： yjw_smile@
（收稿日期：2019-05-20）
Abstract： Aiming at the difficulty of measuring parameters such as pressure and flow in aeroengine lubricating oil supply system， modeling and application research are carried out. FlowMaster， a one-dimensional fluid simulation software， is used to establish a simulation model of an aeroengine lubricating oil supply system. The experimental data are compared with the simulation results， and the relative error is kept within 10%， which meets the engineering accuracy requirements. The simulation model is used to analyze the influence of lubricating oil temperature and oil supply flow rate on the oil supply pressure. It shows that the oil supply pressure decreases with the increase of lubricating oil temperature and increases with the increase of oil supply flow rate. Provided is an important analysis means for guiding the design， optimization and troubleshooting of aeroengine lubricating oil supply system.
Key words： Aeroengine; Lubricating Oil Supply System; FlowMaster; Lubricating Oil Temperature; Oil Supply Flow Rate; Oil Supply Pressure。