颜颜，戚学锋，王鹏

(上海飞机设计研究院动力燃油系统设计研究部，上海201210)

民用航空发动机燃/滑油换热计算分析验证

颜颜，戚学锋，王鹏

(上海飞机设计研究院动力燃油系统设计研究部，上海201210)

民用航空发动机的燃/滑油换热系统，对于发动机滑油系统及发动机的正常工作至关重要。利用Flow Simu⁃link软件，对某型发动机燃/滑油热交换系统进行建模，计算得到滑油系统回油路的温度值。与发动机地面台架运行工况、机上地面运行工况、飞行工况下的滑油温度测量值进行的对比和误差分析表明，燃/滑油热分析模型计算结果准确。在发动机各个运行工况，尤其是高温恶劣环境下，滑油系统的最大温度低于限制值，该型发动机滑油换热系统设计合理。

民用航空发动机；滑油系统；热交换系统；换热分析；机上地面运行工况；飞行工况

1 引言

发动机滑油系统通过对滑油的储存、输送、增压、冷却和过滤，对发动机内部轴承、齿轮、花键等部件进行润滑和冷却，保证发动机的正常工作[1]。燃/滑油换热系统对滑油进行冷却，可有效避免滑油超温及超温引起的发动机其它故障，对滑油系统和发动机正常运行至关重要。对滑油换热系统进行热分析建模计算，是滑油系统设计和考核的基础。世界上先进的航空发动机生产厂商，如GE、普惠、罗·罗等公司，均拥有丰富的发动机试车数据，可对燃/滑油热交换模型进行不断修正，从而保证热模型计算准确性。国内对滑油换热系统的研究主要集中在关键部件方面，对整个滑油系统热分析建模计算方面的工作较为分散，热模型计算准确性还有待提高。本文对发动机滑油换热系统建模计算，并使用发动机台架运行工况、装机后地面运行工况及飞行工况下的滑油测量数据，对热分析模型进行验证分析。

2 燃/滑油热分析系统描述

民用航空发动机多采用燃油与滑油进行热交换

的手段实现滑油冷却，换热过程通过燃/滑油热交换器实现[2]。根据滑油系统初始设计思路，燃/滑油热交换器可设置于滑油系统供油路或回油路。本文中发动机的燃/滑油热交换器设置于滑油系统供油路，故供油路温度将始终小于回油路温度，下面仅对温度较高的回油路温度进行考察、分析。图1给出了发动机滑油系统的基本组成和油路。

3 燃/滑油热分析模型

发动机燃/滑油热分析模型(图2)使用Flow Simu⁃link软件建模，并按图3所示流程，对发动机燃油和滑油系统的流量、压力、温度进行迭代计算[3～5]。

4 燃/滑油热分析计算结果及误差分析原则

使用发动机燃/滑油热分析模型，计算得到发动机地面和空中运转状态下，换热燃油温度处于-17.8℃、12.2℃、30.0℃和54.4℃(54.4℃为发动机进口燃油温度最大限制值[6])时，滑油系统回油路温度曲线，如图4所示。图中n2为发动机核心机相对转速。

对于燃/滑油热分析模型计算准确性的判断依据，引入以下误差分析原则：将发动机某工况的模型计算值与试验测量值的误差(模型误差)，叠加至最大极限工况下模型计算得到的最大滑油温度上，考

察叠加后的滑油温度(叠加温度)是否超过发动机滑油系统的红线告警温度155.0℃。

5 燃/滑油热分析验证

5.1 地面车台工况验证

选取发动机地面车台运行工况下的测量参数验证热分析模型计算结果。环境温度-2.7℃，换热燃油温度4.4℃；n2为62.6%～100.0%，覆盖从地面慢车至最大起飞推力的整个运行范围。

图5给出了发动机滑油系统回油路温度测量值与模型计算值的对比。可见，当n2＞80.0%时，计算值与实测值基本吻合，最大模型误差仅为1.4℃；当n2＜80.0%时，模型误差随发动机转速的减小而增大。在n2最小时，计算值与实测值的最大模型误差为-22℃。

根据误差分析原则，在图4所示的地面运行工况中，n2＞80.0%状态，回油路温度最大计算值为150.6℃，则高转速状态的叠加温度为152.0℃。n2＜80.0%状态，回油路温度最大计算值为148.9℃，则低转速状态的叠加温度为126.9℃。可见，地面车台运行状态高、低转速下的叠加温度，均小于滑油红线温度155.0℃，模型误差处于可接受范围，该状态下滑油换热系统满足设计要求。

5.2 机上地面工况

选取发动机装机后热天状态下的地面运行工况测量参数验证热分析模型计算结果。试验环境温度37.8℃，飞机停于机坪，发动机在地面慢车推力的70.0%n2和最大爬升推力的103.0%n2两个工况点运行。试验环境温度高，飞机无滑行，发动机短舱通风冷却不充分，滑油系统处于恶劣的高温环境下，具有典型代表性。

图6给出了机上地面工况下的发动机滑油系统回油路温度测量值与计数值的对比。可见，在70.0%n2状态(图中A区域)，换热燃油温度50.0℃，回油路平均测量温度131.7℃。热分析模型计算的相同状态下的发动机滑油回油路温度值为127.8°C(图中a点)，模型误差为3.9℃。在103.0%n2状态(图中B区域)，换热燃油温度41.7℃，回油路平均测量温度135.0℃。热分析模型计算的相同状态下的回油路温度值为137.8℃(图中b点)，模型误差为-2.8℃。

根据误差分析原则，装机地面运行状态(图4)下，低转速时回油路温度最大计算值为148.9℃，则低转速状态的叠加温度为152.8℃。高转速下回油路温度最大计算值为150.6℃，则高转速状态的叠加温度为147.8℃。机上地面运行状态高、低转速下的叠加温度，均小于滑油红线温度值155.5℃，模型误差处于可接受范围，该状态下滑油换热系统也满足设计要求。

5.3 飞行工况

为进一步验证燃/滑油热分析模型的准确性，选取典型设计巡航高度10 668 m下发动机飞行状态滑油系统温度测量值与计算值进行对比验证。飞机以马赫数0.7巡航，外界环境温度为-30℃，图7给出了滑油系统回油路温度测量结果。可见，当飞机刚爬升至10 668 m高度时，滑油系统回油路出现最大瞬态温度106.7℃，发动机运行稳定后滑油系统回油路实际平均温度约为101.1℃。对比图4(b)中热分析模型计算曲线可知，在相同条件下，滑油系统回油路温度为101.7℃，模型计算误差为-0.6℃，飞行中测量值与计算值吻合。故飞行状态下，模型误差处于可接受范围，滑油换热系统仍满足设计要求。

6 结束语

该型民用航空发动机的燃/滑油热分析模型计算得到的滑油温度，能有效符合车台试车、高温环境下机上地面运行、典型巡航高度飞行工况下的滑油温度测量值，模型误差处于可接受范围。在发动机运行工况，尤其是高温恶劣环境下，滑油系统的最大温度均低于滑油红线温度值，该型发动机滑油换热系统的设计满足要求。

[1]航空发动机设计手册编委会.航空发动机设计手册：第12册——传动及润滑系统[K].北京：航空工业出版社，2002.

[2]钱汝鼎.工程流体力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，1988.

[3]机械设计手册编委会.机械设计手册：第3卷——机械零部件设计(轴系、支承与其他)[K].2版.北京：机械工业出版社，2000.

[4]李静，王琦.发动机润滑系统网络系统的设计及其模拟实验[J].实验研究，2008，22：67—71.

[5]Brines G L，Gray D E.Heat Management in Advanced Air⁃craft Gas Turbine Engines[R].ASME 86-GT-76，1986.

[6]Streifinger H.Fuel/Oil System Thermal Management in Aircraft Turbine Engines[C]//.RTO AVT Symposium on“Design Principles and Methods for Aircraft Gas Turbine Engines”.Toulouse，1998.

Civil Engine Fuel and Oil Heat Exchange Model Analysis and Verification

YAN Yan，QI Xue-feng，WANG Peng
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

The fuel and oil heat exchange system is important for the normal operation of civil engine and engine oil system.A fuel/oil heat exchange model was built using Flow Simulink software to calculate oil scavenge temperatures at different conditions.The comparison and error analysis between calculated and measured results in engine rig test,engine on-board test and flight test were completed.It is verified that the calculation results of fuel/oil heat exchange model are accurate for all engine operation;especially un⁃der extreme heat ambient condition,oil temperatures are lower than limitation,indicating that the design of civil engine fuel and oil heat exchange system is acceptable.

civil engine；oil system；heat exchange system；heat exchange analysis；on-board ground operation；flight operation

V231.92

：A

：1672-2620(2014)01-0045-04

2012-11-26；

：2013-10-22

颜颜(1983-)，男，安徽蚌埠人，工程师，硕士，从事飞机发动机系统集成设计工作。