航空发动机滑油箱负过载腔隔板溢流通道内油液输运行为及对供油能力贡献度量化分析

摘要:航空发动机在机动飞行过程中常面临零过载或负过载工况，滑油箱能否在此类极端工况下维持稳定供油，直接关系到发动机的运行安全与可靠性。针对滑油箱过载试验验证能力不足的工程瓶颈，基于VOF多相流模型与可实现的k-ε湍流模型，建立了滑油箱负过载腔动态供油的数值模拟方法。通过构建包含负过载腔、补油腔、溢流通道及供回油管路的完整物理模型，对0g、-0.5g、-1g、-2.5g四种法向过载工况下的气液两相流动特性进行了系统仿真。结果表明：0g过载条件下，负过载腔内油气呈混合状态，供油流量出现波动，有效供油时间为4.8~7.9 s；负过载条件下油气相分离，供油过程平稳直至流量衰减。有效供油时间随滑油循环量增大而显著缩短，在较高循环流量下，供油时间随负过载强度增大而延长。隔板上补油孔与通气孔在零负过载条件下产生溢流，0g时补油腔向负过载腔补油有利于延长供油时间，而负过载条件下负过载腔向补油腔溢流则减少了可用滑油量。本研究为航空发动机滑油箱负过载腔的结构优化与供油能力评估提供了理论依据和数值分析手段。

关键词：航空发动机；滑油箱；负过载腔；动态供油；数值模拟；VOF方法

一、航空发动机滑油系统概述

1.1 航空发动机润滑系统的重要性

航空发动机作为现代飞行器的核心动力装置，其润滑系统承担着保障各摩擦副可靠运行的关键使命。润滑系统通过滑油的输送与循环，实现减小摩擦磨损、带走热量、清洁部件、辅助密封等多重功能，是确保发动机安全性与耐久性的基础保障系统。在航空发动机复杂的运行包线中，飞行姿态变化、过载条件转换等因素使润滑系统的供油环境呈现高度动态化特征。其中，滑油箱作为润滑系统的核心储供油部件，其设计必须能够适应从平飞到倒飞、从正过载到零负过载的各类极端工况，确保在任何飞行状态下都能向发动机提供连续、稳定的滑油供给。

发动机在实际使用过程中存在倒飞或零负过载工况，此时常规的重力供油机制失效，滑油无法依靠重力自然流入吸油口。因此，现代航空发动机滑油箱通常在箱内设置负过载腔结构，利用容积有限的独立腔室在负过载期间提供短时滑油供给，从而减少发动机机动飞行时滑油中断的频率，提高发动机的安全性与可靠性。负过载腔的设计与工作特性直接决定了滑油箱在极端工况下的供油能力，是滑油箱结构设计中的关键技术环节。

1.2 国内外液体晃荡数值仿真研究综述

由于航空发动机过载工况的特殊性，难以在部件或发动机整机的地面状态下开展过载试验验证。试验台架通常只能模拟有限的姿态变化，而真实飞行中的复合过载条件往往难以在地面试验中复现。此外，滑油箱内腔结构的复杂性以及滑油供回油的动态循环过程，使得纯试验方法存在周期长、成本高、数据获取有限等局限性。因此，基于计算流体动力学的数值仿真方法成为研究滑油箱内液体晃荡行为的重要技术途径。

针对容器内液体晃荡现象，国内外学者开展了大量数值仿真研究，形成了多种理论模型与计算方法。在数值方法方面，Chen等基于有限差分法研究了液舱内黏性流体的晃荡运动，结合坐标变换方法追踪液体晃动的自由表面；Jin等基于两相流理论对三维液舱晃荡过程中的粘性阻尼进行了深入分析；Faltinsen采用摄动法求解势流，提出了液体晃动的非线性解析法，对方形刚性容器受简谐横荡或横摇激励下的运动进行了系统分析。在界面捕捉方法方面，Akyildız等采用VOF法探究了部分充液容器内部阻尼装置对液体晃动冲击载荷的影响，并将数值模拟结果与试验结果进行了对比验证；Ha等对矩形箱内的液体晃动进行了试验研究，同时采用RANS法结合VOF法进行数值模拟，对比了k-ω与k-ε湍流模型对计算结果准确性的影响。国内方面，邓晓涛等采用位移格式的有限单元法研究液体晃荡行为，仿真结果与线性计算结果具有良好的一致性；田鑫等采用移动粒子半隐式法对三维圆柱液舱晃荡进行仿真，分析了单自由度横荡激励下激励频率对液舱晃荡现象的影响；刘岑凡等通过用户自定义函数将球罐所受随机非线性载荷施加到计算域，采用VOF方法分析了罐体内液体晃荡过程，验证了VOF方法对储液装置晃荡研究的适用性。

在航空发动机滑油箱领域，近年来国内学者也开展了有针对性的研究工作。相关研究基于VOF模型和网格自适应技术，采用三维CFD方法对发动机滑油箱在典型机动载荷运动状态下的液面晃荡情况进行了仿真研究，并通过透明试验件在二自由度姿态试验台上的对比验证，证实了数值模拟方法的仿真精度。此外，在滑油箱油量实时测量方面，研究者利用VOF数值计算模型对不同过载下滑油箱中的自由液面运动情况进行模拟，获得了油液面倾斜程度与加速度大小的关系，为油箱油量数字式测量方法的优化提供了依据。

然而，上述研究主要集中于常规过载工况下的油液晃动行为分析，对于航空发动机滑油箱中所涉及的油液循环供回油及复杂过载等综合工况的研究仍相对不足。特别是在负过载腔结构存在的情况下，滑油在吸油口抽吸作用下的动态供油过程、腔体间溢流行为以及有效供油时间的准确预测等方面，尚缺乏系统的数值模拟研究。本文正是针对这一工程需求，基于VOF方法建立了滑油箱负过载腔动态供油的仿真分析方法，通过多工况参数化计算，系统分析了过载强度与滑油循环量对负过载腔供油特性的影响规律。

二、物理模型及计算方法

2.1 几何模型及网格划分

研究对象为某型航空发动机滑油箱，其内部通过隔板划分为负过载腔和补油腔两大功能区域。负过载腔是零负过载工况下的应急供油单元，腔内滑油通过吸油口进入发动机润滑系统；补油腔则在常规工况下储存滑油，并在重力作用下通过隔板上的补油孔向负过载腔补充滑油。负过载腔隔板上还设置有通气孔，用于平衡负过载腔与补油腔之间的气压，防止因气压差导致的供油异常。发动机滑油箱负过载腔与补油腔之间共设有6个溢流通道，其中2处补油孔半径为16 mm，4处通风孔半径为2.5 mm。

在网格划分方面，采用多面体网格对计算域进行离散。多面体网格具有良好的各向同性和网格过渡平滑性，能够有效减少计算域内的数值扩散误差。针对滑油箱回油口、吸油口等流动参数变化剧烈的区域，进行了局部网格加密处理，以确保捕捉到关键区域的流动细节。通过网格无关性验证，最终确定最大网格长度约为9 mm，最小网格长度约为0.6 mm，总网格数约为340000，能够在保证计算精度的前提下控制计算资源消耗。

2.2 滑油箱负过载腔供油特性数值计算方法

在考察滑油箱负过载腔供油特性时，主要研究的是润滑油与空气的两相流动问题。该过程中气体和液体之间存在相对清晰的相界面，气液两相在过载作用下产生不同程度的混合与分离，故采用VOF多相流模型描述该物理过程。

VOF方法的基本思想是通过定义各相在网格单元中的体积分数来描述相界面的分布与演化。对于气液两相系统，引入液相体积分数αl，其控制方程为：

∂(αlρl)/∂t + ∇·(αlρlv) = S_αl (1)

式中，S_αl为质量源项，表示由气液相变传质引起的质量变化速率。在本模型中，气相和液相共用一套动量方程：

∂(ρv)/∂t + ∇·(ρv****v) = -∇p + ∇·τ + ρF (2)

式中，ρ为油气混合物的密度；v为速度矢量；p为控制体表面所受压力；τ为应力张量；F为体积力，在过载工况下即为法向过载力。

由于气液两相流体受负过载作用在滑油箱内部剧烈晃动，并且吸油管路和回油管路内部的气液两相流体以较高速度流动，所研究的流体处于湍流状态，采用可实现的k-ε湍流模型进行封闭，近壁面采用增强壁面方法处理。可实现的k-ε模型在标准k-ε模型基础上引入了对湍流粘性系数更合理的约束，在处理旋转流动、强逆压梯度流动以及复杂二次流动方面具有更好的适应性，适合描述滑油箱内受过载驱动下的复杂湍流运动。

2.3 边界条件及工况分析

根据实际滑油系统的工作参数设置边界条件。出口边界为位于箱体中下部的吸油口，管径为31 mm，采用速度出口边界，含气率为0，表示吸油口仅抽取纯滑油；入口边界为位于箱体上部的回油口，采用速度入口边界，含气率为5%，反映回油过程中携带的少量空气。箱体壁面设置为无滑移壁面边界条件，并假设箱体与外界绝热。

润滑油工作温度约为70 ℃，在该温度下滑油的密度ρ = 959.96 kg/m³，运动黏度约为7.97×10⁻⁶ m²/s，动力黏度约为0.0077 kg/(m·s)，比热容为1845.0 J/(kg·K)，导热系数为0.145 W/(m·K)。空气在70 ℃时的密度为1.02 kg/m³，动力黏度约为2.04×10⁻⁵ kg/(m·s)，比热容为1008.5 J/(kg·K)，导热系数为0.029 W/(m·K)。

根据实际飞行姿态、过载及滑油循环流量的分析需求，设置了12个计算工况，涵盖法向过载为0g、-0.5g、-1g、-2.5g四种过载条件（g = 9.8 m/s²，过载正方向为竖直向下，0g对应飞机在法向呈失重状态），以及46 L/min、57 L/min、65 L/min三种滑油系统循环流量，全面考察过载强度与滑油循环量对负过载腔供油特性的综合影响。

三、计算结果及分析

3.1 不同过载工况下的气液分布特性

当发动机处于0g过载条件时，滑油箱内油液处于失重状态，重力效应消失。虽然回油管路持续有滑油进入滑油箱，但补油腔内的滑油呈悬浮状态，无法通过重力自然进入负过载腔。随着负过载腔内滑油被吸油口持续抽吸，腔内液位逐渐下降。在一定时间后，负过载腔内滑油呈油气两相掺混状态，吸油口开始抽吸到空气，供油质量流量出现波动现象。将过载开始时刻至质量流量出现明显波动的时间区间定义为负过载腔的有效供油时间。仿真结果显示，0g过载条件下负过载腔内油气两相表现为明显的混合状态，气液相界面模糊，这与其失重条件下重力驱动的相分离机制失效密切相关。

当发动机过载为-0.5g、-1g、-2.5g时，负过载腔内滑油在负向加速度作用下向隔板方向聚集，被隔板下缘拦截，通过隔板上的吸油口供入发动机。在此类负过载条件下，油相与气相相互分离，气液相界面相对清晰。当吸油口质量流量出现下降、无法满足规定流量时，认为从过载开始至此时刻为负过载腔的有效供油时间。与0g过载工况不同，负过载条件下未出现吸油口抽吸油气混合物所产生的质量流量波动现象，而是在负过载腔滑油耗尽时，质量流量呈逐步降低的趋势。

3.2 过载条件与循环流量对供油时间的影响

对不同滑油流量工况下的滑油箱进行仿真计算，获得了各工况下负过载腔的有效供油时间。当发动机过载为0g时：循环量为46 L/min条件下，负过载腔有效供油时间为7.9 s；循环量为57 L/min条件下，有效供油时间为5.6 s；循环量为65 L/min条件下，有效供油时间为4.8 s。随滑油循环流量的增大，负过载腔有效供油时间逐渐变短。

在负过载条件下，同样呈现随流量增大有效供油时间变短的趋势。当滑油流量为46 L/min时，过载由0g增加至-2.5g，有效供油时间保持在7.9 s，表明在低循环量条件下过载强度对供油时间的影响不显著。当滑油流量为65 L/min时，过载由0g增加至-2.5g，有效供油时间由4.8 s延长至5.6 s，延长幅度约为16%。这一现象表明，负过载工况改善了负过载腔吸油口的填充性，尤其在较高循环量条件下，这种改善有效延长了供油时间。

综合对比各工况下的供油时间数据可以看出：滑油循环量是影响供油时间的主导因素——当滑油流量由46 L/min增大至65 L/min时，0g工况下的有效供油时间由7.9 s缩短至4.8 s，缩短了39.2%，负过载腔有效供油时间明显缩短。而过载强度的影响则呈现非线性特征：在低循环量条件下影响微弱，在高循环量条件下则与供油时间呈正相关。

3.3 溢流影响分析

由于滑油箱隔板上存在通风孔及补油孔等溢流通道，在零负过载状态下，负过载腔内滑油与补油腔内滑油存在相互流通，进而对有效供油时间产生影响。对不同工况下溢流量的计算分析表明，腔体间的溢流行为在不同过载条件下呈现截然不同的特征。

在0g条件下，溢流速度先稳定在负值（代表由补油腔向负过载腔流动）。这是由于负过载腔内滑油被抽吸进入发动机，腔内压力降低，导致补油腔内滑油持续流入负过载腔。在一定时间后，随负过载腔抽吸油气混合物的比例增加，溢流速度的绝对值开始波动下降。流量为65 L/min时，负过载腔内滑油更快被抽吸到发动机，因此比流量为46 L/min时更早发生流量下降现象。在-2.5g条件下，溢流速度先由负值迅速转变为正值（代表由负过载腔向补油腔流动），随后迅速降低至接近于零。这是由于负过载的作用，使得负过载腔内滑油通过溢流通道进入补油腔。

从溢流总量的时间历程来看，在0g条件下溢流量由0稳步变化为负值，在供油失效时溢流总量为负值，表明总体上润滑油由补油腔流入负过载腔，流量为65 L/min时比流量为46 L/min时的溢流总量绝对值升高更快。在-2.5g条件下，溢流量先变为负值，随后很快升高为正值并缓慢增加，表明总体上润滑油由负过载腔流入补油腔。可见，无论是失重还是负过载条件下，腔体间溢流量随时间的变化可近似视为线性变化。

进一步计算腔体间的平均溢流速率，在0g条件下，吸油流量为46 L/min时的平均溢流速率比65 L/min时低29.1%。在-2.5g条件下，吸油流量为46 L/min时的平均溢流速率比65 L/min时高33.7%。这表明，过载条件与循环流量共同决定了溢流的方向与速率，进而影响负过载腔内的可用滑油量和有效供油时间。

溢流分析结果表明：在0g条件下，补油腔通过溢流通道向负过载腔补充滑油，有利于提升滑油箱的负过载供油能力；而在-0.5g~-2.5g的负过载条件下，负过载腔内的滑油反而通过溢流通道向补油腔泄漏，减小了负过载腔内的可用滑油量，这对供油能力产生不利影响。这一发现为滑油箱隔板结构设计中溢流通道的优化布置提供了重要的理论依据。

四、湖南泰德航空核心优势

4.1 公司概况与技术布局

湖南泰德航空技术有限公司聚焦高品质航空航天流体控制元件及系统研发，深度布局航空航天、船舶兵器、低空经济等高科技领域，在航空航天燃/滑油泵、阀元件、流体控制系统及航空测试设备的研发上持续投入，为提升公司整体竞争力提供了坚实支撑。

经过十余年的技术积累，湖南泰德航空成功实现了从贸易和航空非标测试设备研制迈向航空航天发动机、无人机、靶机、eVTOL等飞行器燃油、润滑、冷却系统的创新研发转型，技术实力持续提升。

4.2 航空发动机润滑系统核心技术与产品

在润滑系统领域，湖南泰德航空积累了深厚的技术底蕴和产品优势。公司定位于为“两机”动力（航空发动机和燃气轮机）提供燃油系统和润滑系统，自主研发了高速齿轮泵、高低温燃油柱塞泵、伺服调节阀、电磁阀、减压阀、溢流阀等一系列核心产品。

公司研发的滑油系统采用复合式设计，创新性地将材料科学、流体力学与智能控制技术相结合。该系统采用变流量设计，可根据发动机工况自动调节润滑油供给量与压力，确保各摩擦副始终处于最佳润滑状态。滑油系统采用干式油槽设计，符合MIL-PRF-23699标准，系统集成双级齿轮式滑油泵，主泵流量45 L/min@5000 rpm，应急电动泵流量18 L/min。油滤采用β≥200的高效过滤元件，配备压差传感器实现堵塞预警。

在油气分离技术方面，公司开发的独特油气分离系统采用离心式分离器与聚结滤芯组合设计，分离效率达99.98%，滑油消耗率低于0.3 L/h。系统集成在线油液监测传感器，可实时检测金属磨粒（符合ASTM D6595标准）、水分含量（精度±50 ppm）及粘度变化（测量范围5~30 cSt），为发动机预防性维护提供数据支持。经实际验证，采用泰德润滑系统的航空发动机关键部件寿命延长30%以上，维护间隔提高50%，大幅降低了用户的使用成本。

针对eVTOL等新型低空飞行器的特殊需求，公司开发了轻量化、高可靠性的润滑系统，通过多级过滤和智能温控技术，确保润滑油在高温、高负荷工况下保持性能稳定，实现了燃油泵和阀元件的轻量化设计，重量较传统产品降低20%以上。

4.3 航空测试系统与数值仿真能力

湖南泰德航空在航空测试设备领域同样具有显著优势。公司依托株洲动力谷基地的全链条产业体系，构建了模拟高低温、持续耐久性的测试平台，可复现极端工况下的系统性能。公司开发的航空航天地面测试设备广泛应用于航空发动机燃油系统、润滑系统的研发验证和生产检测。在燃油冷却器测试方面，公司设计的测试台能够模拟真实工作环境，对热交换器的换热效率、密封性能、流量特性、耐压能力等关键指标进行全面检测，严格遵循航空工业标准，满足从研发验证到生产检测的全流程需求。

在数值仿真方面，公司与中国航发、中航工业、国防科技大学等国内顶尖科研单位达成深度战略合作，在滑油箱内流场分析、供油特性预测、溢流通道优化设计等方面开展联合攻关，将CFD仿真技术深度融入产品研发流程，实现了仿真驱动设计的高效研发模式。公司在滑油箱零负过载供油特性分析、腔体溢流行为模拟等方面积累了丰富的工程经验，为航空发动机润滑系统关键部件的优化设计提供了可靠的技术支撑。

五、结论与展望

5.1 主要结论

本文基于VOF多相流模型和可实现的k-ε湍流模型，建立了航空发动机滑油箱负过载腔动态供油的数值模拟方法，对0g、-0.5g、-1g、-2.5g四种法向过载工况下的滑油箱供油特性进行了系统仿真分析，得到以下主要结论：

（1）航空发动机滑油箱负过载腔结构在零过载和负过载两种工况下均能向发动机提供短时稳定的滑油供给。随着负过载腔工作过程中腔内滑油逐步减少，在零过载条件下腔内油气两相表现为更明显的混合状态，而负过载条件下油气两相趋于分离。

（2）通过数值模拟获得了滑油箱在不同过载强度与循环流量工况下的有效供油能力。负过载腔有效供油时间随滑油系统循环流量的增大而明显缩短，在46~65 L/min流量范围内，供油时间为4.8~7.9 s。在较高循环流量条件下，有效供油时间随负过载数值的增大而延长。

（3）滑油箱负过载腔隔板上的补油孔与通气孔在零负过载条件下产生溢流，对供油时间产生显著影响。在0g过载时，补油腔滑油通过溢流通道进入负过载腔形成补充，有利于提升供油能力；在-0.5g~-2.5g条件下，负过载腔向补油腔溢流，减小了可用滑油量。腔体间平均溢流速率受过载强度与循环流量的共同调控。

（4）VOF多相流模型结合可实现的k-ε湍流模型能够有效捕捉滑油箱内气液两相界面的动态演化过程，为滑油箱负过载腔的结构优化设计与供油能力评估提供了可靠的数值分析工具。

5.2 未来发展展望

当前研究针对法向过载条件下的供油过程进行了系统分析，未来工作可在以下几个方面进一步深入：

多自由度复合过载工况研究：实际飞行中飞行器同时承受法向、侧向和轴向过载的复合作用，多自由度过载耦合下的滑油晃荡行为及供油特性将更为复杂，需要建立考虑复合过载的数值模型。

结构参数优化设计：基于本文建立的数值模拟方法，可进一步开展负过载腔容积、溢流通道尺寸与位置等关键结构参数的优化设计研究，实现负过载腔供油能力与结构紧凑性的最优匹配。

试验验证与仿真精度提升：建立滑油箱过载模拟试验平台，通过透明试验件和高速摄像技术获取过载工况下的实际气液分布与供油数据，用于验证和校正数值仿真模型，进一步提升仿真精度。

全系统耦合仿真：将滑油箱供油过程的CFD仿真与发动机整机润滑系统一维仿真模型进行耦合，实现从油箱到各润滑点的全链路供油特性预测，为润滑系统的整体优化设计提供更全面的技术支撑。

面向新一代高机动战斗机、先进无人机及 eVTOL 等装备的快速发展，滑油箱负过载供油技术仍需向更高可靠性、更轻量化、更宽工况适配方向持续升级。未来可通过多物理场耦合仿真、结构多目标优化、地面过载试验验证等手段，进一步提升仿真精度与工程实用性，推动仿真成果向工程样机快速转化。随着低空经济与航空装备国产化进程不断加快，滑油箱负过载供油技术将持续发挥关键作用，在提升发动机机动安全性、延长极端工况供油时间、增强系统环境适应性等方面持续突破，为我国航空发动机润滑系统自主可控、高性能飞行器安全可靠运行提供持续有力的技术支撑。

湖南泰德航空技术有限公司于2012年成立，多年来持续学习与创新，成长为行业内有影响力的高新技术企业。公司聚焦高品质航空航天流体控制元件及系统研发，深度布局航空航天、船舶兵器、低空经济等高科技领域，在航空航天燃/滑油泵、阀元件、流体控制系统及航空测试设备的研发上投入大量精力持续研发，为提升公司整体竞争力提供坚实支撑。

公司总部位于长沙市雨花区同升街道汇金路877号，株洲市天元区动力谷作为现代化生产基地，构建起集研发、生产、检测、测试于一体的全链条产业体系。经过十余年稳步发展，成功实现从贸易和航空非标测试设备研制迈向航空航天发动机、无人机、靶机、eVTOL等飞行器燃油、润滑、冷却系统的创新研发转型，不断提升技术实力。

公司已通过 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015质量管理体系认证，以严苛标准保障产品质量。公司注重知识产权的保护和利用，积极申请发明专利、实用新型专利和软著，目前累计获得的知识产权已经有10多项。湖南泰德航空以客户需求为导向，积极拓展核心业务，与国内顶尖科研单位达成深度战略合作，整合优势资源，攻克多项技术难题，为进一步的发展奠定坚实基础。

湖南泰德航空始终坚持创新，建立健全供应链和销售服务体系、坚持质量管理的目标，不断提高自身核心竞争优势，为客户提供更经济、更高效的飞行器动力、润滑、冷却系统、测试系统等解决方案。