【最新录用】编委刘振侠教授团队|航空发动机主轴轴承高效润滑冷却技术研究进展
文摘
科技
2024-08-05 09:00
陕西
文章亮点：航空发动机是高速旋转的热力机械，其主轴轴承在高转速、高负荷条件下工作的同时需要面对高温的工作环境，因此高效的润滑和冷却性能就成为确保轴承长寿命和高可靠工作的重要条件，也是飞机安全飞行的可靠保证。本文围绕航空发动机主轴轴承高效润滑冷却技术，对比了典型润滑方式，系统梳理并总结了环下润滑技术的发展现状，讨论了环下润滑轴承的润滑冷却效果，对航空发动机主轴高速轴承润滑冷却技术的未来发展趋势进行了展望，为航空轴承高效润滑冷却和精细化热管理提供参考。
研究背景：航空发动机主轴轴承是支承并引导发动机转子精确转动，提供良好定位精度和足够支承刚性的重要部件。随着发动机性能的不断发展，主轴轴承的工作环境也日益严苛，在高速、高温和高载荷的复杂环境下，轴承内部热量若不能及时被滑油带走，轴承即会受到蠕变损伤与疲劳损伤，甚至因热膨胀变形出现过盈“抱死”的情况。同时在高温环境下，滑油也可能发生结焦和碳化，严重影响到航空发动机的安全可靠运行。
主轴轴承的良好热管理是其稳定可靠工作的前提，而热管理必须通过适当的润滑和冷却来实现，合理的润滑方式及相应的结构设计则是润滑冷却效果最佳化的重要基础。因此，需要突破高效润滑冷却技术，以提高轴承润滑效率、降低工作温度并减小蠕变损伤的影响，进而实现轴承的长寿命和高可靠运行。
早期发动机常采用喷射润滑对主轴轴承进行润滑与冷却，随着发动机转速和热负荷的不断提高，喷射润滑已不能满足主轴高速轴承的润滑冷却需求，而环下润滑成为解决高DN值轴承高温问题最有效的技术手段。基于此，本文对航空发动机主轴轴承润滑技术进行综述，由结构演变与内部流动两个方面梳理了环下润滑技术的发展脉络，讨论了环下轴承润滑冷却特性的研究现状，并对航空轴承环下润滑技术的未来研发方向进行展望。
本文观点：环下润滑目前已在结构优化设计、收油性能提升以及主轴轴承润滑冷却特性方面取得了一定进展，然而其本身的技术复杂性使得实际工程应用层面仍面临着挑战，需开展更加系统深入的研究：
（1）环下润滑收油与轴承滑油需求量的耦合研究。环下润滑收油能力直接影响对轴承的供油量，而轴承的滑油需求量与供油量间的匹配关系直接影响到轴承的工作性能。为保证轴承良好的润滑冷却效果，应通过轴承生热及传热分析，精确确定环下润滑轴承的滑油供给量，再根据实际结构开展优化设计，而收油环结构的内部收油及流动性能又是开展轴承润滑冷却设计的基础。因此，有必要对环下润滑系统的全过程开展流热固耦合研究，同时对收油性能和轴承的润滑冷却特性进行精细评估。
（2）环下润滑轴承与轴承腔流动及换热的耦合研究。轴承热管理是一个多部位产热与多部件多介质之间传热共存的多进程、强耦合过程。主轴轴承的润滑冷却不仅是简单的供油散热问题，更与轴承腔和回油管间的流动换热存在深度的关联。因此，为实现对轴承及轴承腔“热问题”的高效热管理，需要对环下润滑结构-轴承-轴承腔的多过程油气两相流动开展耦合研究，确定合理的系统边界，提高多部件间流动、产热及传热的耦合分析能力。
在先进航空发动机精细化研制的迫切需求牵引之下，必将促进高速轴承环下润滑研究获得新的突破，高DN值运行的轴承的环下润滑效果受多项因素及其耦合作用的影响，需要通过不断迭代对复杂系统进行优化。未来，应立足系统性的耦合研究，进一步厘清环下润滑结构-轴承/轴承腔-滑油系统的耦合关系，不断完善航空发动机主轴轴承高性能润滑研究体系，以期实现高速轴承、滑油系统乃至航空发动机的长寿命与高可靠性工作，助力高性能航空发动机迈向更高水平。
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刘振侠，西北工业大学教授，博士生导师。中国高等教育学会工程热物理专业委员会理事，中国航空学会高级会员，陕西省航空学会理事，陕西省机械工程学会理事，《航空工程进展》《航空发动机》编委，《航空学报》《航空动力学报》《机械科学与技术》等期刊审稿专家。主要研究方向包括航空发动机滑油系统性能分析与设计体系开发、空气系统热分析与设计技术研究、航空发动机部件结冰与适航审定、微尘颗粒沉积与防护、涡轮叶尖间隙测试技术研究等。主持承担科研项目百余项，发表学术论文百余篇，其中被SCI、EI检索六十余篇。曾荣获国家教学成果二等奖，陕西省教学成果特等奖，全国宝钢优秀教师奖，陕西省科技进步三等奖，中航总部级科技进步三等奖，陕西高等学校科学技术一等奖等，陕西省三秦人才。
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朱泽韬，西北工业大学博士研究生，主要研究方向为航空发动机润滑系统两相流，曾获校级二等学业奖学金，优秀研究生称号，参与型号科研项目10余项。
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姜乐，中国航发四川燃气涡轮研究院与西北工业大学联合培养博士后，博士，毕业于西北工业大学航空宇航科学与技术专业。主要从事航空发动机滑油系统气液两相流动和换热以及高速轴承高效润滑冷却技术的基础研究与工程应用工作，先后主持国家自然科学基金、博士后面上基金等科研项目4项，以第一/通讯作者发表SCI/EI论文十余篇，授权发明专利/软件著作权10项。
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吕亚国，西北工业大学副教授、硕士生导师。主要研究方向为航空发动机滑油系统油气两相流动与换热、滑油系统设计与分析。先后主持参与博士后科学基金、航空科学基金、陕西省自然科学基金、中航产学研基金、国家自然科学基金，作为专题负责人参与民机专项、两机专项基础研究等国家级项目。此外主持国防项目多项，相关成果在国内外期刊发表论文50余篇。
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覃经文，中国航发湖南动力机械研究所高级工程师，博士，毕业于中南大学机电工程学院机械工程专业，主要从事航空发动机滑油系统设计、轴承环下润滑设计等研究工作；作为主任设计师、核心骨干承担和参与了10余项国家级、省部级项目，发表学术论文10余篇。
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