航空发动机附件齿轮箱极端工况下内部流场-温度场-风阻损失协同分析及润滑结构改进策略

 

附件齿轮箱是航空发动机的重要组成部分，承担着将发动机核心机输出的功率传递给燃油系统、滑油系统、液压系统以及启动发电机等附件设备的功率分配与输送功能。随着航空发动机向高推重比、高功率密度方向持续发展，附件齿轮箱所面临的服役工况日趋极端——高转速、高载荷、高温环境对齿轮传动系统的润滑、散热和可靠性提出了极为严苛的要求。在高速运转条件下，齿轮啮合面产生的摩擦热和齿轮高速旋转引发的风阻损失共同构成系统的主要热源，而有限的空间结构又限制了润滑和散热通道的布置，使得齿轮箱内部热-流环境极为复杂。

 

一、附件齿轮箱流场与温度场研究

齿轮箱内部流场与温度场的分布特征直接影响系统的润滑散热效果和齿轮抗胶合性能。一方面，润滑油在齿轮箱内部的流动状态决定了啮合齿面能否获得充足的冷却和润滑；另一方面，齿轮箱内的油气两相分布和空气流动特性又显著影响着齿轮的风阻功率损失，而风阻损失作为高速传动系统的主要功耗来源之一，不仅降低传动效率，还进一步加剧了系统的温升。因此，准确获取附件齿轮箱内部的热-流分布特征，对于评估润滑方案的有效性、优化齿轮箱结构设计具有重要意义。

针对齿轮传动系统的流场与温度场分析，国内外学者已开展了大量研究工作。Maccioni等从计算方法、软件类型、模拟对象等方面对旋转机械的CFD润滑仿真进行了系统综述，指出嵌套网格法、局部网格重构法和全局网格重构法是模拟齿轮润滑问题的合适方法。在此基础上，研究者们采用这些方法分析了单对齿轮在喷油润滑条件下的油流分布，并开展了喷油润滑参数的影响规律研究。Deshpande等建立了单对直齿轮的热-流双向耦合模型，研究了齿轮啮入和啮出两种喷油润滑方式的差异，发现啮出喷油润滑的散热效果优于啮入喷油。Lu等利用多重参考系法研究了直升机中间齿轮箱的流场和温度场，发现齿轮箱的主要温升集中在齿轮齿面和轴承位置。Yazdani等利用Fluent软件并结合二次开发，通过修改能量方程和改进网格划分技术，获得了更为详细的热-流分布结果。Marjadi等开发了飞机附件齿轮箱润滑的设计流程，利用移动粒子法获取油流在传动系统中的分布，以指导齿轮箱油路设计和热管理。

 

在油路流动特性研究方面，高速齿轮传动系统通常采用喷油润滑方式，其供油油路往往包含多个支路和拐角，形成复杂的多支路特征。油路压降和流量分配直接影响齿轮箱内部流场的分布状态。Lu等基于质量守恒和能量守恒的流动网络法，对液压元件的流动特性进行了简化，实现了油压、流量和温度分布的预测。De Vizio等利用LMS Imagine建立了润滑油路分析模型，研究了发动机转速、负载和油温对润滑油消耗的影响。Mahendiran等采用Matlab/Simulink流场工具箱对航空发动机润滑系统进行建模与分析，实现了润滑回路中压力和流量的计算。Dhar等利用CFD方法对发动机润滑系统进行分析，以解决基于经验的一维流体仿真在特定结构压降预测方面能力不足的问题。Polastri等采用集总参数法构建发动机润滑系统模型，利用可用基本子模型定义复杂几何的方式来解决复杂结构压力计算问题。吴超琦等以航空发动机中央传动齿轮箱复杂油路结构为研究对象，分别对“双通道多喷嘴”和“单通道多喷嘴”油路模型进行了三维流动仿真分析，发现Realizable k-ε湍流模型能够有效捕捉复杂油路结构的三维流动特性。

齿轮风阻功率损失是高速传动系统面临的重要问题。系统转速、油气环境和几何结构对风阻损失有显著影响。Winfree为获取最佳的航空锥齿轮导流罩结构，开展了导流罩结构风阻损失分析试验，得到的导流罩结构使风阻产热量减少了70%。Arisawa等利用有限体积法对飞机锥齿轮试验箱中的导流罩结构对风阻损失的影响进行了研究，认为导流罩出油口存在最佳开口度。Turner等利用移动粒子法分析了航空锥齿轮的风阻损失和导流罩下的油流情况，揭示了润滑油被锥齿轮齿顶阻挡并造成额外风阻损失的过程。Hashimoto等利用Flow-3D对齿轮传动涡扇发动机齿轮箱的回流罩油流形式进行了研究，设计出比原先结构回油率高出一倍的回流罩。基于CFD理论，研究者采用剪切应力输运k-ω湍流模型及多参考系旋转模型技术，仿真分析了单个弧齿锥齿轮周围的气流特性及齿轮风阻损失机理，发现导流罩结构可使被包围齿轮的风阻功率损失相对于无导流罩齿轮迅速下降80%。

然而，现有齿轮传动热-流仿真分析多数以中低速单对齿轮为研究对象，且对传动系统结构进行了大量简化，难以反映实际复杂航空传动系统内部的流场、温度场和风阻功率损失特征。基于集总参数法的一维流道分析方法，对特定结构油路的几何特征带来的压力损失预测存在不足，难以为复杂油路状态下传动系统流场分析提供准确边界。特别是对于多支路供油的高速航空齿轮传动系统，其热-流耦合特征尚不明确，亟需发展能够准确描述复杂油路流动、齿轮旋转运动以及多热源耦合作用的数值分析方法。

本文以某航空发动机附件齿轮箱为研究对象，针对多支油路供油的高速齿轮传动系统热-流特征不明确的问题，提出基于多相流有限体积法的航空齿轮传动系统热-流数值分析模型。该模型采用动网格方法模拟齿轮在流场中的旋转运动，考虑齿轮摩擦损失、风阻损失等多热源以及对流换热、热传导等多散热边界条件，旨在获取齿轮箱在多支油路喷油条件下的流场与温度场分布规律，并为齿轮箱和油路结构优化提供依据，为航空发动机齿轮传动高功率密度设计提供支撑。

二、研究对象与数值方法

2.1 附件齿轮箱传动系统结构

本文研究的航空发动机附件齿轮箱传动系统由2个弧齿锥齿轮、9个直齿轮和8根轴以及对应的16个轴承构成。功率输入由锥齿轮Ⅰ承担，其额定输入功率为223.50 kW，额定转速为13800.85 r/min。功率经齿轮箱分流后分别驱动启动发电机、离心增压泵、回油泵等附件设备。直齿轮Ⅰ和直齿轮Ⅵ承担功率分配任务，额定传递功率分别为143 kW和80.50 kW。回油泵直齿轮Ⅶ处的转速最高，额定工况下达23243.54 r/min。

该齿轮箱中所有齿轮和轴承均采用喷油润滑方式。初始结构方案中共有齿轮副喷嘴7个、轴承喷嘴16个，共计23个润滑点位。各喷嘴通过1条主供油油路和1条次供油油路供油，油路存在多个支路和拐角，形成了典型的多支路特征。这种复杂的油路结构使得流场状态和润滑行为极为复杂——不同支路的压力分布、流量分配以及各喷嘴出口处的油气比均存在显著差异，进而影响齿轮箱内部各润滑点位的冷却和润滑效果。

2.2 热-流耦合模型建立

本文基于有限体积法建立附件齿轮箱的热-流耦合分析模型。针对油路和传动系统不同的物理特征，采用差异化的分析策略：油路部分由于不存在运动部件，采用计算效率更高的稳态分析方法；传动系统则采用瞬态分析，对齿轮、轴等运动边界采用用户自定义程序和动网格技术模拟旋转运动。油路稳态计算得到的各喷嘴出口速度、油气比作为喷油边界条件施加至传动系统，实现考虑多支油路的齿轮箱传动系统流场分析；将流场分析得到的散热边界和考虑流场环境的热源作为温度场计算条件，实现传动系统温度场计算。

在网格划分方面，采用多面体-六面体网格并划分边界层，以提高油路计算精度并降低网格数量。油路网格单元控制在1 mm以内，边界层厚度小于0.05 mm。主油路总单元数为1510760个，次油路总单元数为912642个。油路供油压力设置为400 kPa，滑油温度根据齿轮箱服役环境设置为413.15 K。采用压力进口/出口作为边界条件，选用Realizable k-ε湍流模型并开启增强壁面函数，以模拟近壁面滑油流动。Realizable k-ε模型能够有效捕捉复杂油路结构的三维流动特性。

传动系统瞬态分析中，使用六面体核心的网格划分方法，以控制网格变形导致的射流精度降低。控制齿面单元尺寸为1 mm，射流流经区域单元加密至0.6 mm，传动系统总单元数为12513131个。传动系统喷油采用速度入口边界，由流道仿真结果提供。开启RNG k-ε模型以更好地模拟高速旋转造成的空气扰动和旋流。选用弹簧光顺法和局部网格重构的动网格方法实现齿轮旋转运动，并设置时间步长为最高速齿轮1000步旋转1圈的时间。采用多相流流体体积（VOF）模型模拟滑油在油路中流动和齿轮箱内油气两相环境。主相设置为空气，第二相设置为4106润滑油。

2.3 热源与散热边界

齿轮箱中的热源主要来自齿轮啮合损失与风阻损失。采用齿轮啮合原理和赫兹接触理论，计算齿轮在不同齿廓位置的摩擦热流密度。编写用户自定义程序，实现在齿廓表面单元处进行遍历循环和判断，继而完成热流施加。由于齿轮啮合过程中摩擦因数受表面粗糙度、滑油黏度和滑油分布的影响，采用Anderson公式对齿轮啮合过程中的摩擦因数进行估算。然而现有摩擦因数公式大多假设在理想的全油膜充分润滑条件下，实际情况下齿面油量不同，摩擦因数也有所不同。鉴于此，引入油液比例，将摩擦因数与滑油分布联系起来。

齿轮箱主要通过循环滑油吸收传动系统所产生的热量。由于循环滑油将在齿轮箱内滞留一段时间，将导致内部油气温度升高，造成系统初始温度场升高。散热边界主要为对流换热和热传导。齿轮箱内部热源还来源于轴承摩擦生热和齿轮搅油损失。轴承摩擦生热功率计算可采用Harris计算方法，通过摩擦力矩经验公式进行评估。

三、初始结构热-流特性分析

3.1 喷嘴出口油气比与喷油速度分析

通过主、次油路油液体积分数分布云图（上图）分析各喷嘴出口处油气比情况。分析发现，部分喷嘴出口油气比低于1，其中齿轮副Ⅵ-Ⅶ喷嘴的油气比仅为0.54。这一现象表明，在多支路供油条件下，油路中滑油和空气的分布并不均匀，部分喷嘴无法获得纯净的滑油射流，而是以油气混合物的形式喷出。这种油气比不足的问题将直接影响齿面的润滑和冷却效果。

对齿轮副Ⅳ-Ⅴ处喷嘴的截面流线图（上图）进行分析可知，喷嘴存在突然弯折结构，且长径比较低。滑油因惯性无法及时转向，从而在弯折处出现空腔，导致喷嘴出口油气比低于1。这一发现揭示了油路几何结构对喷嘴出口流动状态的重要影响——不合理的管路设计会诱发滑油与空气的分离，形成气穴，降低射流质量。

提取各喷嘴喷油速度发现，各喷嘴喷油速度均低于20 m/s。对于直齿轮副Ⅵ-Ⅶ喷嘴，喷油速度仅为9.50 m/s，而齿轮Ⅶ的线速度高达57.81 m/s。有研究表明，在航空发动机代表性巡航工况下，应满足齿轮线速度与喷油速度比值在4左右，而当前该射流速度难以满足润滑需要。喷油速度的严重不足意味着润滑油无法有效穿透齿轮高速旋转所形成的空气屏障到达啮合区域，齿面润滑与冷却性能将显著下降。

主油路齿轮副支路分流处发生明显压降，由400 kPa降低到120 kPa左右，最大压降达70%，这是导致喷油速度降低的直接原因。由管内滑油流线图可知，出现大压降的部位存在管径骤缩、大弯折等结构特征，滑油流动呈现明显的湍流和旋流状态。这种剧烈的流动状态变化不仅造成了能量损失，还加剧了滑油与空气的混合，进一步恶化了出口射流质量。

3.2 传动系统滑油分布特征

由传动系统滑油分布可知，齿轮旋转一段时间后，齿轮副Ⅵ-Ⅶ和齿轮副Ⅶ-Ⅷ的射流发生射流破碎现象。射流破碎将导致啮合部位滑油不足，无法形成有效的润滑油膜，增加齿面胶合失效的风险。同时发现锥齿轮罩内有大量存油。大量存油将导致齿轮搅油损失增加，引发非负载功率损失上升和油气温度升高。

从齿轮箱内速度分布与流线图（上图）可知，齿轮副Ⅵ-Ⅶ和Ⅶ-Ⅷ处空气速度最高可达60 m/s。高速空气流动方向直接促使该处射流发生破碎。这表明在高速航空齿轮传动系统中，齿轮高速旋转所诱导的强烈空气流动对射流形态具有显著的破坏作用——即使喷嘴能够提供足够速度的射流，高速空气的横向剪切作用仍可能导致射流在到达啮合区域之前即发生破碎。

同时可知，主、从动锥齿轮处空间相对封闭，滑油发生循环搅动，无法及时排出。这种“困油”现象不仅增加了搅油损失，还使得齿轮长期处于高含油量的环境中，进一步加剧了风阻损失。

3.3 风阻损失与温度场分布

系统流场的油气环境将显著影响风阻损失。通过传动系统各齿轮的风阻损失分析可知，从动锥齿轮BG-Ⅱ的风阻损失最大，达3.64 kW，且锥齿轮副的风阻损失占总风阻损失的40%以上。传动系统各齿轮副的啮合损失主要集中在锥齿轮副、直齿轮副Ⅰ-Ⅱ和直齿轮副Ⅵ-Ⅶ处，这三处的啮合损失占总啮合损失的90%。

传动系统的主要损失来源为风阻损失，占总损失的85.20%。这一比例充分说明，在高速航空齿轮传动系统中，风阻损失已成为制约传动效率提升的关键因素。齿轮高速旋转时，齿面与周围空气和油雾之间的黏性剪切作用产生了巨大的阻力矩，这部分能量以热的形式耗散，不仅降低了传动效率，还进一步加剧了系统的温升。

考虑流场的热源及散热边界得到的温度场表明，系统最高稳态温度为465.02 K，相比初始环境温度413.15 K升高了51.87 K。最高温度位于齿轮Ⅰ和齿轮Ⅶ的齿面。这两处温升明显的原因主要是转速较高，同时由于齿轮体积较小，单位体积内的生热量更大，温升更加显著。

四、结构改进与效果分析

4.1 油路与壳体结构改进方案

根据上述多场分析结果，从以下几个方面对齿轮箱和油路结构展开改进。

首先，针对油路压降过大的问题，增大主、次油路中出现湍流和旋流部位的管径，并在大弯折处增加过渡区域，以降低滑油流速、改变流态，改善由于流体湍动造成的压降。油路管径的骤缩和弯折是导致局部压降的主要原因，通过增大管径和增加过渡圆角，可以有效减小流动阻力，降低能量损失。

第二，为提高射流油气比、保证射流质量，增大部分喷嘴的长径比。喷嘴长径比的增加有助于滑油在喷嘴内部充分发展流动，减少气穴的形成，提高出口处的滑油体积分数。

第三，根据流场结果，在锥齿轮罩内加开出油口，以解决小锥齿轮困油造成的风阻损失增加问题。锥齿轮罩内大量存油是造成锥齿轮副风阻损失过大的重要原因，增加出油口可以及时将积聚的滑油排出，降低齿轮搅油时的阻力。

第四，在直齿轮Ⅵ和Ⅶ上端安装导流罩，改善空气流动直接冲击射流造成的射流破碎问题。导流罩可以引导齿轮高速旋转产生的气流，减小气流对射流的横向剪切作用，保持射流的完整性。

第五，在壳体上加开2个出油口，以抽取壳体内多余的滑油，并增添1个工业空气滤嘴，以平衡壳体内外压差。多余的滑油积聚不仅增加搅油损失，还提高了油气环境的含油量，加剧了风阻损失。

4.2 改进后油路压力分布与喷嘴性能

通过增加管径和过渡弯角，主油路中齿轮副支路发生的压力损失得到明显改善。特别是主油路齿轮副支路分流处的压降由原来的70%减少至30%。压降的显著改善意味着更多的压力能转化为滑油的动能，为喷嘴提供更高的喷油速度。

随着压降的改善，各喷嘴喷油速度均显著提升。其中齿轮副Ⅵ-Ⅶ的喷油速度由原先的9.50 m/s提升到21.71 m/s。喷油速度的大幅提高使得射流具备了更强的穿透能力，能够更有效地抵抗齿轮高速旋转所产生的空气屏障，将润滑油送达啮合区域。

提高喷嘴长径比后的喷嘴Ⅳ-Ⅴ管内流线显示，原先的滑油空腔消失，出口油气比提升至1，射流更加完整，抵抗空气击碎的能力增强。喷嘴出口油气比的改善意味着喷嘴能够提供纯净的滑油射流而非油气混合物，这对于保证齿面获得充分的润滑和冷却是至关重要的。

4.3 改进后流场分布与风阻损失

由于油路的改进和导流罩的增加，射流更加完整，系统内存油量降低，锥齿轮处几乎未出现存油和搅油现象。流场环境的改善直接带来了风阻损失的显著降低。虽然风阻损失依旧为主要损失来源，但其由原先的12.30 kW降低57.56%至5.22 kW，传动效率由原先的93.54%提高至96.67%。

改进前后各齿轮风阻损失对比发现，初始结构中产生主要风阻损失的齿轮，如主、从动锥齿轮BG-Ⅰ和BG-Ⅱ以及直齿轮G-Ⅵ，在结构改进后风阻损失均发生了一定程度的下降。其中从动锥齿轮BG-Ⅱ风阻损失降低最为明显，从3.64 kW降低至1.02 kW。主要原因是排油口的增加使得齿轮箱内整体油气环境得到改善——齿轮搅动油气的密度减小，对油气动量改变降低。导流罩的安装同样对风阻损失的降低起到了积极作用，通过限制齿轮周围的气流流动，减少了齿轮与空气之间的黏性剪切作用。

4.4 改进后温度场分布

改进后系统的最高稳态温度为470.92 K，由于齿轮箱含油量减少，对比改进前略微增加了5.90 K。这一现象表明，在额定工况下，滑油对齿轮箱的冷却作用不可忽视——减少含油量虽然降低了风阻损失，但也削弱了滑油的对流换热效果。

改进前后齿轮表面传热系数均值对比发现，结构改进后齿轮的表面传热系数均值下降。这是由于流场中换热效果更强的滑油在结构改进后的体积分数明显降低。然而，对于更加高速的工况——齿轮箱超转情况下主动锥齿轮线速度达160 m/s——结构改进后风阻损失和温度均出现下降，最高温度由483.15 K降至465.15 K，显著降低了系统失效风险。这说明结构改进后的齿轮箱在超高速极端工况下的温度相对结构改进前更低，使得齿轮箱在整个服役工况内的可靠性得到提高。

 

五、结论与展望

本文针对多支油路供油的高速航空齿轮传动系统热-流特征不明确的问题，以某航空发动机附件齿轮箱为研究对象，提出了基于多相流有限体积法的航空齿轮传动系统热-流数值分析模型，通过数值模拟研究了齿轮箱内部流场与温度场的分布规律，并根据多场分析结果对齿轮箱和油路结构展开了系统优化。主要研究结论如下。

首先，开发了基于多相流有限体积法的航空齿轮传动系统热-流分析模型。该模型可以考虑齿轮摩擦损失、风阻损失等多热源条件以及对流换热、热传导等多散热边界条件，能够准确获取传动系统在多支油路供油条件下的流场与温度场分布。模型采用油路稳态分析与传动系统瞬态分析相结合的策略，通过油路计算提供喷油边界条件，实现了复杂多支路供油系统与齿轮传动系统流场的耦合分析。

第二，揭示了多支油路供油条件下油路几何结构对喷油性能的影响规律。研究发现，油路管径骤缩和弯折会导致滑油流动存在较大压降和损耗，最大压降达70%，造成喷油速度降低，无法满足高速航空齿轮喷油润滑要求。同时，多支路油路带来的滑油分配不均，造成部分喷嘴出口油气比偏低、射流质量不佳以及滑油在局部区域聚集等问题。齿轮高速旋转所诱导的强烈空气流动会进一步加剧射流破碎，导致啮合区域润滑不足。

第三，验证了结构改进措施的有效性。通过扩大油路管径、改善管路弯折和提高喷嘴长径比，喷油速度和喷嘴油气比得到显著提高。结合导流罩安装和出油口增设，有效改善了齿轮箱内部流场环境。改进后额定工况下传动系统风阻损失由12.30 kW降低至5.22 kW，传动效率由93.54%提升至96.67%。虽然额定工况下最高稳态温度略有上升，但在超高速极端工况下温度显著降低，系统可靠性得到提高。

展望后续研究工作，以下几个方面值得深入探索。其一，当前模型主要关注齿轮啮合损失和风阻损失两类热源，实际附件齿轮箱中轴承摩擦生热同样不可忽视。后续研究应将轴承的热源模型和润滑模型纳入热-流耦合分析框架，实现齿轮-轴承-油路全系统的一体化热-流分析。其二，本文采用单向耦合策略——由油路计算提供喷油边界、由流场分析提供热边界——实现热-流分析。后续可发展热-流双向迭代耦合方法，考虑温度对滑油黏度、流动状态以及换热系数的反馈影响。其三，多支路供油系统的流量分配和压力脉动特性与系统的动态响应密切相关，后续可开展油路-传动系统耦合的瞬态特性研究，分析启动、加速、减速等过渡工况下的热-流瞬态响应。其四，可结合试验验证手段，通过齿轮箱台架试验获取流场可视化数据和温度场实测数据，对数值模型进行标定和验证，进一步提高模型的预测精度和工程适用性。其五，可将热-流耦合分析与结构拓扑优化方法相结合，发展面向热-流性能的齿轮箱结构智能优化设计方法，为航空发动机附件齿轮箱的高功率密度、高可靠性设计提供更加系统的技术支撑。

&注：文章部分内容参考文献【文武翊，王巧，刘怀举，朱才朝，林勤杰等，多支油路供油的航空发动机附件齿轮箱传动系统热-流耦合分析】，文章内使用的图片部分来源于公开网络获取，仅供参考使用，配图作用于文章整体美观度，如侵权可联系我们删除，如需进一步了解公司产品及商务合作，请与我们联系！！

 

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