一种轴承腔油气两相流动和换热试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，具体为一种轴承腔油气两相流动和换热试验装置。

背景技术

轴承腔是航空发动机润滑系统部件之一，用于润滑和冷却滚动轴承的润滑油与防 止润滑油泄漏的密封空气在轴承腔中形成了油气两相流动的润滑条件。发动机润滑系 统及二次空气系统的设计依赖于对轴承腔油气两相流动及换热的正确理解和准确计 算，开展轴承腔油气两相流动和换热试验是轴承腔工程设计和理论分析的重要工作， 因此需要设计相应的试验装置。

文献“Influence of high rotational speeds on heat transfer and oil film thickness in  aero-engine bearing chambers.S.Wittig,et al.Journal of Engineering for Gas Turbines and  Power.1994,116(2):395-401”公开了一种轴承腔油气两相流动和换热试验装置，根据 该论文的阐述，其试验装置测试轴承环下润滑结构采用了多个套圈嵌套连接的形式， 这种结构每个套圈的加工难度较高及多个套圈装配对中性较难保证；另外其试验装置 轴承腔体外侧加装自来水装盛副腔的形式以加热或冷却腔体，这种结构一方面使试验 装置本体庞杂，另一方面自来水供给及加热系统成本显著。其试验装置电机通过联接 器和传动带连接旋转轴，带传动的方式使试验装置本体庞杂。

文献“航空发动机轴承腔油气两相润滑介质流动与换热研究.陈薄.西北工业大学 博士学位论文”公开了一种轴承腔试验系统，根据该论文的阐述，其试验系统中供油 子系统、供气子系统和轴承腔试验器均无加热装置，因此轴承腔内润滑油、空气和轴 承腔腔壁均在接近室温状态下工作，其腔内油气介质之间及与腔壁的换热状况与轴承 腔的工程实际差异很大，难以得到反映轴承腔工程实际的试验结果。其供油子系统中 回油管路通过回油管直接连通供油箱的设计导致轴承腔润滑油回油不畅，润滑油在轴 承腔内积聚，并且回油管路中润滑油中掺杂大量气泡，空气进入油箱影响润滑油密度 粘度等物理性质，这种设计与航空发动机轴承腔负压回油及油箱中润滑油尽量避免存 在空气的工程实际也差异很大。其轴承腔试验器两个排气口为敞口设计，轴承腔排气 口流出的油雾排向大气，导致浪费润滑油和污染环境。其数据采集子系统中多组压力 传感器、热电阻直接连接数据采集器，导致导线连接混乱，导线中电信号彼此相互干 扰，降低了测量信号的质量，压力传感器、热电阻与数据采集器无独立的接插头，故 不能灵活地连接和断开。其动力子系统中高速电机通过柱销联轴器连接转轴，柱销联 轴器容易将电机振动传递到轴承腔中的转轴，致使轴承腔试验器振动而影响油气介质 流动状态和压力温度信号的稳定测量。

上述两文献中试验装置腔体的宽度和高度改变时均需要更换整套的腔体和端盖等 零部件，一方面降低了更换的便捷性，另一方面加工多个腔体和端盖等零部件成本较 高；此外试验装置中润滑油盛装在一个油箱，使得油箱中润滑油温度不易控制，油箱 中回油和供油掺混亦不利于润滑油中空气的析出。两种试验装置右端盖为整块有机玻 璃，右盖板强度不足，在腔体振动时右盖板变形很大，导致试验系统工作时密封间隙 不均匀，影响进入轴承腔空气流动的稳定性。另外两种试验装置均无法得到采集的压 力和温度对应的轴承腔内油气两相流动状态图像信息，无法满足工程设计和理论分析 中全面了解油气介质状态的需求。

发明内容

要解决的技术问题

为了能够在结构紧凑成本节约条件下设计制造轴承腔油气两相流动和换热试验装 置，并保证油箱中润滑油温度易于控制和降低掺混空气，提升轴承腔结构尺寸变更的 便捷性，增强采集的压力和温度信号的质量，同步获得轴承腔内油气介质流动图像和 压力温度信号，本发明提出了一种轴承腔油气两相流动和换热试验装置。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种轴承腔油气两相流动和换热试验装置，其特征在于：包括动力及支承系 统、轴承腔机械本体、润滑油循环系统、空气供给系统及测量摄像系统；

动力及支承系统包括支承平台和动力装置，支承平台支承动力装置和轴承腔机械 本体；动力装置带动轴承腔机械本体中的轴转动；

轴承腔机械本体包括轴承腔部件和左腔体支承部件，左腔体支承部件支承轴承腔 部件，且左腔体支承部件与支承平台固定连接；轴承腔部件包括左腔体、支承轴承、 左端盖、轴、试验轴承、轴承支盘、右腔体、右盖板、右端盖；轴承支盘与试验轴承 同轴过盈配合；轴承支盘左侧盘面与左腔体右端法兰面密封固定配合，左腔体左端与 左端盖固定配合；轴承支盘右侧盘面与右腔体左端通过一对轴向定距环和径向定距环 配合，右腔体右端通过另一对轴向定距环和径向定距环与右盖板配合；右腔体外圆周 套有金属导热套，金属导热套外套有发热网；左腔体右端法兰面、轴承支盘、右盖板 法兰面通过长螺栓同轴固定配合；右盖板上开有台阶孔，台阶孔内固定有窗口玻璃； 右盖板右侧与右端盖固定配合；

轴穿在左腔体和右腔体内并安装在支承轴承和试验轴承上，其中支承轴承安装在 左腔体内，通过左端盖轴向压紧支承轴承；轴左端穿出左端盖与动力装置配合；轴右 端穿出右端盖与润滑油循环系统配合；轴右半段中心有中央输油管路；轴中央输油管 路左端与试验轴承对齐，且在轴上开有多个径向输油管路与中央输油管路连通，轴的 外侧壁上有输油圆周槽将径向输油管路连通，输油圆周槽与试验轴承径向位置对齐， 且试验轴承内圈在对称于滚子的两侧有径向输油孔与轴上的输油圆周槽连通；

左腔体和右腔体各自分别通过排油管和排气管连通润滑油循环系统；在右腔体上 还有压力传感器安装螺纹通孔、热电阻安装通孔；

润滑油循环系统分为滑油供给油路和滑油回收油路；滑油供给油路提供一定温度 的润滑油输入中央输油管路；滑油回收油路有两支回路，一只回路接收排气管回油， 另一只回路接收排油管回油；

空气供给系统由空气压缩机提供气源，空气流路自空气压缩机引出后通过输气管 连接气体处理装置，而后分为两支分气路，分别通入左腔体和右腔体；

测量摄像系统中高速摄像机镜头通过窗口玻璃拍摄轴承腔内油气两相流动状态图 像并记录在存储装置中；测量摄像系统的变送箱的输入端通过37芯DB接插头连接压 力传感器和热电阻，变送箱将压力、温度数据通过输出端的37芯DB接插头连接数据 采集器。

进一步的优选方案，所述一种轴承腔油气两相流动和换热试验装置，其特征在于： 润滑油循环系统中能够分别控制润滑油流量和温度，空气供给系统中能够分别控制空 气流量和温度，动力及支承系统中能够控制试验轴承的转速。

进一步的优选方案，所述一种轴承腔油气两相流动和换热试验装置，其特征在于： 左腔体左端与左端盖之间有橡胶垫，通过调节橡胶垫厚度，调节支承轴承的轴向安装 位置。

进一步的优选方案，所述一种轴承腔油气两相流动和换热试验装置，其特征在于： 压力传感器安装螺纹通孔在右腔体外圆周上对称于排油管和排气管安装螺纹孔轴线两 侧均布；热电阻安装通孔处于压力传感器安装螺纹孔之间、压力传感器安装螺纹孔与 排油管安装孔之间以及排气管安装孔之间；热电阻安装通孔在轴向方向上成排布置。

进一步的优选方案，所述一种轴承腔油气两相流动和换热试验装置，其特征在于： 滑油供给油路中供油箱盛装有润滑油，供油箱安装有过滤器、液位计、温度计；供油 箱内还安装有加热器、热电偶和油路温控仪，加热器连通交流电加热润滑油，油路温 控仪连接热电偶感知润滑油温度并自动控制加热器开关；滑油供给油路中油管依次连 接供油泵、截止阀、压力表、溢流阀、单向阀、减压阀、流量计、流量控制阀、数显 温度计，滑油供给油路末端通过旋转接头接入中央输油管路。

进一步的优选方案，所述一种轴承腔油气两相流动和换热试验装置，其特征在于： 滑油回收油路中一只回路接收排气管回油，排气管回油通过过滤器后进回油箱；另一 只回路接收排油管回油，排油管回油依次通过截止阀、过滤器、回油泵、截止阀、压 力表、方向控制阀，方向阀而后分为两路，一路进回油箱，另一路进供给油路的过滤 器。

进一步的优选方案，所述一种轴承腔油气两相流动和换热试验装置，其特征在于： 空气流路自空气压缩机引出后通过输气管依次连接冷却器、储气罐、排水器、减压器、 压力表、油雾器、干燥器、空气加热器后分为两支分气路；每支分气路通过输气管依 次连接气路节流阀、气路流量计、气路单向阀、气路温度计、压力表后再通过通气接 头接入左腔体或右腔体。

有益效果

本发明设计了试验轴承与轴直套式结构，并在轴和试验轴承内圈上设计了输油孔 或槽，在保证试验轴承环下润滑条件下简化了试验轴承润滑结构。设计了电热式的腔 体加热结构，与自来水加热冷却方式相比，简化了结构以降低成本。更换不同尺寸的 轴向定距环和径向定距环可快速实现不同尺寸的轴承腔几何结构，并且降低了制造腔 体的成本。增设了回油泵使得回油流畅，润滑油不会在腔内积聚。排气孔通过油路连 接回油箱避免排气管排出油雾污染环境并避免润滑油浪费。分别设置供油箱和回油箱， 并通过方向控制阀控制回油箱向供油箱供油，有利于回收后的润滑油充分冷却和析出 气体。增设了变送箱，实现了温度和压力多路信号采集线路的整齐布置，降低了电流 信号干扰，数据采集线路加装多个37芯DB接插头，实现数据采集线路的快速安装和 拆卸。高速变频电机通过吸振性能更佳的膜片联轴器直接连接轴，既降低了高速变频 电机对轴承腔油气介质流动的干扰又使得试验装置结构紧凑。在不影响观察腔内油气 状态的前提下更换右盖板为金属材料有效的增加了右盖板的强度，提升了密封进气的 稳定性。布置高速摄像机拍摄轴承腔内油气状态，实现油气状态图像与压力温度信号 的在计算机的同步记录。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是本发明中轴承腔机械本体剖视图；

附图3是本发明中润滑油循环系统示意图；

附图4是本发明中空气供给系统示意图；

附图5是本发明中测量摄像系统示意图；

附图6是本发明中左腔体支承部件示意图；

附图7是本发明中左腔体结构示意图；

附图8是本发明中右腔体结构示意图；

附图9是本发明中金属导热套结构示意图；

附图10是本发明中轴结构示意图；

附图11是本发明中试验轴承内圈结构示意图；

附图12是本发明中发热网结构示意图；

附图13是本发明中右盖板结构示意图；

附图14是本发明中右端盖结构示意图；

附图15是本发明中变送箱示意图；

附图16是本发明中热电阻和压力传感器连线图。

其中：

1.T形槽工作台     2.电机支承座      3.轴承腔支承座     4.高速变频电机

5.膜片联轴器      6.支承底板        7.支承竖板         8.左肋板

9.右肋板          10.左腔体         11.支承轴承        12.橡胶垫

13.左端盖         14.圆螺母         15.止动挡圈        16.平挡圈

17.轴             18.试验轴承       19.轴承支盘        20.密封环

21.左密封圈       22.径向定距环     23.轴向定距环      24.右腔体

25.弹簧卡圈       26.金属导热套     27.发热网          28.圆锥销

29.右密封圈       30.右盖板         31.窗口玻璃        32.右端盖

33.排气管         34.排油管         35.变频器          36.空气开关

37.供油箱         38.加热器         39.热电偶          40.过滤器

41.液位计         42.温度计         43.供油泵          44.供油泵电机

45.截止阀         46.溢流阀         47.单向阀          48.减压阀

49.流量计         50.压力表         51.流量控制阀      52.数显温度计

53.旋转接头       54.回油箱         55.节流阀          56.回油泵

57.回油泵电机     58.方向控制阀     59.热电阻          60.压力传感器

61.变送箱         62.温度变送器     63.37芯DB接插头    64.数据采集器

65.计算机         66.高速摄像机     67.空气压缩机      68.冷却器

69.储气罐         70.排水器         71.减压器          72.气路压力表

73.油雾器         74.干燥器         75.空气加热器      76.空气温控仪

77.气路节流阀     78.气路流量计     79.气路单向阀      80.气路温度计

81.油路温控仪     82.气管           83.油管            84.电源接插头

85.电阻           86.动力及支承系统 87.轴承腔机械本体  88.润滑油循环系统

89.空气供给系统    90.测量摄像系统

具体实施方式

下面结合实施例描述本发明：

参照附图1，本实施例所述的轴承腔油气两相流动和换热试验装置包括动力及支 承系统86、轴承腔机械本体87、润滑油循环系统88、空气供给系统89及测量摄像系 统90。

参照附图1，动力及支承系统86一方面用于支承高速变频电机4和轴承腔机械本 体87，另一方面用于调节高速变频电机4的转速，即调节试验轴承18的转速。本实 施例中，动力部件包括高速变频电机、膜片联轴器、变频器和空气开关，变频器35 上游连接空气开关36，空气开关36作为总开关控制高速变频电机4的启停。变频器 35下游连接高速变频电机4，变频器35可调节输出交流电的频率进而控制高速变频电 机4的转速。膜片联轴器5两端连接高速变频电机4的旋转轴和轴承腔的轴17，实现 高速变频电机4带动轴17转动。

参照附图1，动力及支承系统86中支承部件包括T形槽工作台1、电机支承座2、 轴承腔支承座3。电机支承座2分为上下两部分：下半部分为左右两侧背对背布置的 两段槽钢，槽钢被T形槽用螺栓和压板压在T形槽工作台1上；上半部分为钢板焊接 成的电机座，螺栓将高速变频电机4和电机支承座2固联。轴承腔支承座3为左右两 侧背对背布置的两段槽钢，槽钢被T形槽用螺栓和压板压在T形槽工作台1上，轴承 腔机械本体87中支承底板6通过螺栓固联在轴承腔支承座3上。

轴承腔机械本体87分为轴承腔部件和左腔体支承部件，参照附图2，轴承腔部件 包括左腔体10、支承轴承11、橡胶垫12、左端盖13、圆螺母14、止动挡圈15、平挡 圈16、轴17、试验轴承18、轴承支盘19、密封环20、左密封圈21、径向定距环22、 轴向定距环23、右腔体24、弹簧卡圈25、金属导热套26、发热网27、圆锥销28、右 密封圈29、右盖板30、窗口玻璃31、右端盖32、排气管33和排油管34。轴承支盘 19内嵌入试验轴承18且试验轴承18外圈外圆柱面与轴承支盘19内圆柱面过盈配合。 试验轴承18内圈的输油孔与轴17的输油通道连通，弹簧卡圈25卡在轴的凹槽内轴向 固定试验轴承和轴。左腔体10和右腔体24分别套在轴承支盘19左右两侧的台阶面上， 右盖板30台阶面嵌入右腔体24内，左腔体、轴承支盘和右盖板有同轴线的螺栓安装 孔，长螺栓穿过左腔体、轴承支盘和右盖板后，螺母压紧左腔体、轴承支盘和右盖板， 进而在试验轴承18两侧形成轴承腔。轴17左端由支承轴承11支承，支承轴承11嵌 入左腔体10的圆柱孔内并过盈配合，圆螺母14旋在轴17上并压紧止动挡圈15和平 挡圈16，从而实现支承轴承11和轴17的轴向定位。在轴17左右两端分别套有左端 盖13和右端盖32，左右端盖通过螺栓分别固联在左腔体10和右盖板30上，左端盖 13和右端盖32分别嵌入左密封圈21和右密封圈29，密封圈套在轴17上实现轴承腔 和外界密封。右腔体24左右两端内圈和端面分别有径向定距环22和轴向定距环23， 径向定距环22通过螺钉固联在轴承支盘19和右盖板30上，圆锥销28穿入右盖板30、 轴向定距环23和右腔体24内，实现三者的周向定位。改变径向定距环22、轴向定距 环23和配套的右腔体24的尺寸，可以组合实现试验轴承18右侧轴承腔不同的宽度和 高度。右腔体24外套有金属导热套26和发热网27，发热网内密织电热丝通有交流电 后电热丝发热，实现为右腔体的加热。密封环20嵌入左腔体10的槽内，密封左腔体 10和轴承支盘19的配合面。橡胶垫12有弹性并夹在左端盖13和左腔体10之间调节 支承轴承11的轴向安装位置。

左右腔体分别连有排气管33和排油管34，排气管33和排油管34连接润滑油循 环系统88。轴17右端安装旋转接头53，旋转接头53连接润滑油循环系统88。参照 附图7和附图14，左腔体10和右端盖32有通气螺纹孔，空气供给系统89的气路接 头旋接入通气螺纹孔，为轴承腔供气。

参照附图8和附图9，轴承腔机械本体的右腔体外圆周上对称于排油管和排气管 安装螺纹孔轴线两侧有均布的压力传感器安装螺纹通孔，在压力传感器安装螺纹孔之 间以及压力传感器安装螺纹孔与排油管安装孔、排气管安装孔之间有热电阻安装通孔， 热电阻安装通孔在轴向方向上成排布置，右腔体外圆周上有F形热电阻导线槽。金属 导热套上对应于右腔体亦有排油管安装通孔、排气管安装通孔和压力传感器安装通孔。 金属导热套内圆柱面对应于右腔体外圆周面上的热电阻导线槽亦有相应的热电阻导线 槽，当右腔体和金属导热套装配一起时热电阻导线槽重合。测量摄像系统90的热电阻 59和压力传感器60装在右腔体24上测量轴承腔内油气两相流动的温度和压力。

参照附图10，轴17右半段中心有中央输油管路，中央输油管路右端有螺纹孔， 与旋转接头53的油路接头外螺纹配合实现连通输油通道。轴中央输油管路左端与试验 轴承对齐，在试验轴承内圈所在轴向位置处，轴有四个径向输油管路与轴的中央输油 管路连通，轴在试验轴承内圈以内的外圆周上有连通径向输油管路的输油圆周槽。试 验轴承内圈上对称于滚子两侧有径向输油孔与轴上的输油圆周槽连通。

参照附图11，试验轴承18内圈上有左右布置的两排径向输油孔，每排输油孔有 四个径向输油孔且在圆周方向上均布。

参照附图12，发热网27有穿排气管、排油管和压力传感器的径向通孔，发热网 27有两个接线柱外接交流电内接发热网内电热丝。

参照附图13，右盖板30有扇形阶梯孔，结合图2和图1，在贴近右腔体一侧阶梯 孔内粘接有窗口玻璃31，从窗口玻璃31可以透视轴承腔内油气两相流动状态。测量 摄像系统90的高速摄像机66对准窗口玻璃31可以拍摄轴承腔内油气两相流动状态。

参照附图6，轴承腔机械本体87的左腔体支承部件包括支承底板6、支承竖板7、 左肋板8和右肋板9。支承底板6有螺栓孔，通过螺栓固联在轴承腔支承座3上。支 承竖板7嵌在支承底板6的槽内并和支承底板6焊接固联，左右肋板焊接固联支承底 板6和支承竖板7。支承竖板7上部圆柱面贴合左腔体10外圆柱面，并焊接固联左腔 体10。

参照附图3，润滑油循环系统88分为滑油供给油路和滑油回收油路。滑油供给油 路中供油箱37盛装有润滑油，供油箱37安装有过滤器40、液位计41、温度计42。 供油箱37内安装有加热器38、热电偶39和油路温控仪81，加热器38连通交流电加 热润滑油，油路温控仪81连接热电偶39感知润滑油温度并自动控制加热器38开关。 滑油供给油路中油管83依次连接供油泵43、截止阀45、压力表50、溢流阀46、单向 阀47、减压阀48、流量计49、流量控制阀51、数显温度计52，滑油供给油路末端连 接旋转接头53，旋转接头53有螺纹的油路接头旋入轴承腔机械本体中轴17的一端并 向轴内供给润滑油。

参照附图3，润滑油循环系统88滑油回收油路有两支油路。其中一支油路末端的 两个油路接头连接轴承腔机械本体87中左右腔体上的排气管33，油管83一端连接油 路接头，另一端连接过滤器40后连接回油箱54。另一支油路末端的两个油路接头连 接轴承腔机械本体87中左右腔体上的排油管34，而后从油路接头引出的油管83沿润 滑油流动方向依次连接截止阀45、过滤器40、回油泵56、截止阀45、压力表50、方 向控制阀58，方向控制阀58引出的两支油管83分别连接回油箱54和供给油路的过 滤器40。回油箱54上安装有过滤器40、液位计41和温度计42。另外回油泵56进油 口除连接从轴承腔引出的回油油管外还通过从回油箱54引出的过滤器40和节流阀55 油路吸油。

润滑油循环系统88的供油泵43和回油泵56分别连接供油泵电机44和回油泵电 机57，在电机的驱动下泵吸润滑油。

参照附图4，空气供给系统89由空气压缩机67提供气源，空气流路由气管82连 接，自空气压缩机67引出后通过气管82依次连接冷却器68、储气罐69、排水器70、 减压器71、压力表72、油雾器73、干燥器74、空气加热器75后分为两支分气路，两 支分气路连接元件相同，即每支分气路通过气管82依次连接气路节流阀77、气路流 量计78、气路单向阀79、气路温度计80、气路压力表72后再分支出两个通气接头， 为左腔体供气的通气接头通过螺纹连接左腔体10上的输气螺纹孔，为右腔体供气的通 气接头通过螺纹连接右端盖32上的输气螺纹孔。空气加热器75连接空气温控仪76， 空气温控仪76调节空气的温度。

参照附图5、附图15和附图16，测量摄像系统90包括计算机65、高速摄像机66、 数据采集器64、变送箱61、热电阻59、压力传感器60。测量摄像系统90中变送箱 61外壁安装有37芯DB接插头63和电源接插头84，变送箱61信号输出端的37芯 DB接插头63通过数据线连接数据采集器64，数据采集器64通过数据线连接计算机 65并传递和记录压力温度数据；变送箱61输入端有两个37芯DB接插头63：左侧 37芯DB接插头63一端通过导线连接压力传感器60，另一端与变送箱信号输出端的 37芯DB接插头63连通；右侧37芯DB接插头63一端通过导线连接热电阻59，另 一端与温度变送器62连接。温度变送器62通过导线连接变送箱信号输出端的37芯 DB接插头63传递温度信号。电源接插头84串联电阻85后连接温度变送器62并为 温度变送器62供电，电源接插头84也连接左侧37芯DB接插头63为压力传感器60 供电。

测量摄像系统中从变送箱37芯DB接插头引出的压力传感器压力感应端外侧有螺 纹，并旋拧在右腔体的压力传感器螺纹安装孔内。从变送箱37芯DB接插头引出的一 部分热点阻嵌在金属导热套和右腔体之间的热电阻安装槽缝内测量右腔体壁面温度， 另一部分热电阻通过右腔体外圆周上的径向小通孔伸到轴承腔内测量腔内油气温度。

通过流量控制阀51和流量计49调整润滑油流量，通过安装于供油箱37的油路温 控仪81调整润滑油的温度；通过气路节流阀77和气路流量计78调整空气流量，通过 空气温控仪76调整空气的温度；通过变频器35调整试验轴承18的转速。组合润滑油 和空气不同的流量和温度以及试验轴承18不同的转速，试验装置实现多种工况参数下 轴承腔油气两相流动和换热试验。

通过调整径向定距环22、轴向定距环23以及右腔体24的尺寸可以组合出轴承腔 不同的高度和宽度尺寸，试验装置实现多种结构参数下轴承腔油气两相流动和换热试 验。

方向控制阀58可以选择回油泵56泵出的润滑油流向回油箱54或流向供油箱37， 试验装置工作时可以视回油箱54中润滑油的温度和含气程度选择回油泵56向回油箱 54或供油箱37泵油，保证供油箱37中润滑油温度适宜且无掺杂空气。