陈光/文

在绝大多数航空燃气涡轮发动机的滑油系统中,均采用滤网与篦齿等静止式油滤来保持滑油的清洁。这些静子式油滤过滤的污物尺寸约为40~μm。根据对从油系统的滑油中过滤出来的污物所做的分析,循环工作的滑油所含的污物主要有三种类型,即碳类污物、硅类污物和金属碎片,其中碳类污物约占70%~90%。

滑油中的这些污物会堵塞滑油管路与喷油嘴,影响对轴承与齿轮的冷却和润滑;坚硬的污物会造成轴承与接触式封严元件的擦伤,促使它们过早地损坏;污物还会使滑油变质,降低滑油的使用寿命。

随着航空发动机使用寿命的不断提高,由初期的~h延长到目前数千小时甚至超过1万小时,对发动机滑油系统的滑油就提出了高清洁度的要求。虽然已研制出过滤尺寸为3μm的静止式油滤,但是由于网孔太小,油滤的体积不仅要大大增加,而且过滤元件还得经常清洗与更换,因此通常并不采用网孔过细的油滤。

图1、JT9D发动机的离心式油滤

在20世纪60年代后期发展的某些发动机上,采用一种新型的油滤即离心式油滤,以满足对滑油的高清洁度的要求。例如,在美国普惠公司的JT9D高涵道比涡轮风扇发动机的主回油管路中,就安装了一套由附件传动齿轮传动的离心式油滤。

构造与工作原理

离心式油滤的研制工作开始于20世纪60年代中期,它的工作原理类似早期的某些液冷式航空活塞发动机曲轴中的洁油装置。

图1所示系JT9D发动机滑油系统所采用的离心式油滤结构图。它是由带齿轮的空心传动轴、做成罐状的污物分离收集罐、支承轴承和壳体等组成。污物分离收集罐的内径处沿径向钻有几个引油斜孔;在罐的内表面上,同心地安装一个带有很多三角形切槽的过滤环。

图2、离心式油滤的工作原理

罐与过滤环之间的环形腔即为污物收集室。在JT9D发动机上,此污物收集室的容积为cm3。待滤滑油经进油口泵汲入空心传动轴,然后经径向孔甩入分离收集罐。分离收集罐的转速为r/min。由于空气比重小,滑油中渗入的空气则被分离出来并从罐的中心部分逸出,如图2所示。

滑油流入分离收集罐后,在高的离心力作用下,滑油中所含污物被外甩向外侧,并通过过滤环的三角形切槽沉积在室内,洁净的滑油则由收集室流出。

在一般静止式油滤中,污物是通过过滤元件过滤的,因此,被过滤掉的污物大小受到过滤元件尺寸(在网式油滤中,是网孔的大小;在篦齿式油滤中,是篦齿缝隙的大小)的限制。在离心式油滤中,污物是在离心力场的作用下从滑油中分离出来的,因此,它可以将尺寸很小(小至1μm)的污物分离出来。离心式油滤过滤效率之高,是一般静止式油滤所无法达到的。

在JT9D发动机上,分别装上离心式油滤和静止式油滤进行了对比试验。在滑油温度为93.3℃、滑油流量为45.5L/min(升/分钟)与回油压力为0的相同试验条件下,离心式油滤能有效地将5μm尺寸的污物分离出来(小于5μm的污物虽也能分离出来,但效果较差),而静止式油滤只能分离出大于40μm尺寸的污物。图3示出了在JT9D发动机上这两种油滤的过滤效果的比较。

图3、在JT9D发动机上,离心式和静子式油滤过滤效率的比较

图3中斜线所示的面积,表示能通过静止式油滤但能为离心,式油滤分离出的污物尺寸范围而从航线发动机取出的滑油样品中的污物的大部分却往往是在这个尺寸范围内的。

根据对离心式油滤分离出的污物进行的计数分析表明,滑油内所含污物的尺寸范围大致如表1所列。

表1、滑油内污物尺寸及比例

由此可以看出,与过滤尺寸为40μm的静止式油滤相比,采用离心式油滤可将滑油中的污物量减少80%以上。显然,这将改善发动机轴承、齿轮与接触式封严元件等的工作条件,大大提高其寿命。

清洗次数少,维护简单

与静止式油滤相比,离心式油滤的污物收集室容积大,能够集存更多的污物,因此大大减少了清洗油滤的次数,简化了维护工作。另外,使用经验证明,类似JT9D发动机上的这种离心式油滤的使用寿命可望达到h,这也是一般静止式油滤难以达到的。

滑油流过一般静止式油滤时,油压有一定的降低,过滤污物的尺寸愈小,压降愈大。因此,一般精细油滤均需装在增压泵之后。在离心式油滤中,滑油是通过径向孔在离心力作用下甩入污物分离收集室的。此时,对滑油有一泵汲作用,滑油压力不会降低。因此,虽然离心式油滤过滤污物的尺寸可以非常小,但它仍能既装在增压管路中,也可装在回油管路中。

如前所述,离心式油滤能像旋转式油气分离器一样,借助离心力的作用,将混入滑油中的空气分离出来,增加了滑油系统中油气分离的作用。

在一般静止式油滤中,污物积沉于过滤元件处,堵住滑油的流道,滑油通过油滤时,必须流经已积沉出来的污物。

而滑油中防氧化和防泡沫添加剂与污物中的金属碎片接触,会引起一些化学反应,导致滑油逐渐变质,即随着使用时间的增加,滑油的酸值与黏度均会增大,滑油的工作寿命自然就受到很大的限制。

在离心式油滤中,分离出来的污物积沉在收集室环腔的外壁内。

由于滑油不从污物中流过,故滑油与污物接触的机会大大减少,其酸值与黏度的变化较小,使用寿命可以提高。