航空發動機機械系統技術的探討

沈偉

摘要： 航空發動機機械系統主要包括傳動系統、潤滑系統、密封系統以及主軸軸承系統這四個部分，該機械系統具有結構復雜、故障頻發和涉及學科內容多等的特點，而從我國既有航空發動機機械系統故障統計數據來看，其故障發生概率始終居高不下，這與設計人員水平低下、裝配手段落后以及投資力度小等的方面具有直接的關系。因此，探究航空發動機機械系統技術具有極其重要的現實意義。

Abstract： Aircraft engine system mainly includes the mechanical transmission system， lubrication system， sealing system and the spindle bearing system which four parts， the mechanical system has complex structure， frequent failure and subject involving many characteristics， such as from both aircraft engine mechanical system fault statistics in our country， its failure probability is always high， This is directly related to the low level of designers， backward means of assembly and small investment. Therefore， it is of great practical significance to explore the mechanical system technology of aeroengine.

關鍵詞： 航空發動機;機械系統;技術探究

Key words： aeroengine;mechanical system;technical inquiry

中圖分類號：V23 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0068-03

0 ?引言

針對航空發動機機械結構復雜、故障頻發以及學科內容多等的特點，詳細闡述了傳動系統、潤滑系統、密封系統以及主軸軸承系統技術，旨在希望能更好的促進航空發動機機械系統技術的長足發展。

1 ?傳動系統技術

傳動系統（如圖1所示）一直以來都是航空發動機機械系統研究的重點內容之一，就目前的情況來看，較為先進的航空發動機傳動系統是在高速運轉、重載工作、縮小體積質量、降低成本以及提高使用壽命為主要發展趨勢的?，F階段，我國已經建立了較為完整的航空發動機機械計算機分析系統，通過將傳動傳動系統的受力、變形以及對相關聯部件產生的影響利用計算機技術，可以比較準確的模擬真實機械系統的運行情況。隨著此輪技術的不斷發展，國外專家也對航空發動機的轉動系統進行了深入的研究，并建立了比較完善的計算分析系統，該計算分析系統的出現可以實現對傳動系統強度和性能的檢測，從而將各個部件的受力情況自動信息傳遞于該系統中，實現對傳動系統的靜態和動態分析，以此有效傳動系統的實際工作情況。而在我國相關學者和專家則對傳動系統的噪聲、振動以及聲振粗糙度加大研究力度，有效解決了因機械系統設計誤差帶來的噪聲問題。

另外，在試驗方面，通過對航空發動機機械系統的疲勞程度和使用壽命的試驗，從中獲得的S-N曲線可以精準的預測傳動系統的使用壽命，提高其抗疲勞程度;在潤滑方面，通過對1組傳功系統的磨損試驗得出：不同運行環境下的傳動系統和溫深情況都是不盡相同的。通過上述實驗得出的大量數據，并在建立了豐富數據庫的基礎上將其作為傳統系統的設計依據，既可以滿足傳動系統的使用需求，又兼顧了經濟效益原則。所以，通過對傳動系統疲勞程度、使用壽命以及潤滑方面的試驗，構成了健全與完善的傳動系統設計體系，保證了傳動系統設計的一次性成功。

西方發達國家第4代傳動系統設計最典型的設計理念是對不同附件的串聯于集成設計，比如燃油泵與加力泵的組合，高空活門與電機系統的串聯，減少了傳動系統軸的使用數量，縮短傳動系統設計時間，簡化傳功系統結構，從而提升了傳動系統的性能。在比如某公司自行開發與研究的行星齒輪減速器，傳動功率高達20MW，傳速為10000r/min，質量比為30：1，其在斷油情況下還可以連續工作1min。

我國的航空發動機機械系統技術與西方發達國家相比差距主要體現在：機械系統齒輪咬合仿真、機匣一體化設計以及新型傳動技術等的方面。另外，由于航空發動機機械機械系統配件數量多，外廓尺寸大等因素的影響和制約，傳動系統設計人員在具體的設計過程中比較被動，導致傳動鏈條長、機匣殼體積大等的問題頻頻出現?！笆濉薄笆晃濉眰鲃酉到y研究技術的不斷發展，我國的航空機械系統技術已經達到了世界縣級的水平。但是，由于缺乏對傳動系統試驗的驗證和準確的試驗數據，設計方法還有待進一步提高，這也在一定程度上影響了傳動設計信息數據的準確性。

2 ?潤滑系統技術

航空發動機機械潤滑系統（如圖2所示）由于涉及到兩廂流動、彈流潤滑等這樣難度較大的學科，使得潤滑系統技術可以見解的理論知識少之又少。而現階段，隨著航空發動機設計技術的不斷提高，社會各界對潤滑系統技術提出了更高的要求，20世紀90年代，開始注重對航空發動機先機設計技術的應用，而在21世紀的早期，德國、法國、英國聯合進行了航空發動機機械潤滑系統的預先研發項目，并耗時8天，專門針對潤滑系統進行了大量的實驗、其中的仿真以及新技術的運用，取得了較為理想的技術成功，比如潤滑系統內部的流動與換熱、潤滑系統的著火與防火以及金屬海綿離心通風器等的技術，并已逐步應用到了航空發動機機械系統中。

為了更好的滿足未來時期航空發動機機械潤滑系統設計需求，國內對于潤滑系統主要進行了以下幾個方面的研究：

①潤滑系統的設計與分析研究。潤滑系統的設計與分析研究主要包括循環量準確設計、潤滑系統熱分析研究以及仿真技術等的研究內容，在具體的研究過程中，相關學者與專家潤滑系統的軸承和此輪為研究對象，得出了油氣分離兩廂條件下潤滑系統的壓力承受、流量與溫度等的性能數據，保證潤滑系統可以獲得準確的潤滑與冷卻數據，并在后期進行的附件實驗、整機試驗和飛行實驗中得到了逐步修正與完善。

②潤滑系統的熱管理系統研究。經濟與社會的不斷發展，航空發動機機械潤滑系統熱負荷會越來越高，潤滑系統需要分散的熱量也會逐漸升高，而航空發動機自身攜帶的機械設備發熱量也需要通過燃油進行散熱，此時發動機入口燃油的溫度就會逐漸上升，這就需要通過更為精準的熱系統分析技術對潤滑系統設計理念進行不斷的優化與完善，從而使發動機的熱量可以分配至各個系統中，這樣既可以實現對潤滑系統的冷卻效果，還不會產生大量的攪拌熱，保證潤滑系統可以始終為最理想的供油狀態。

③潤滑系統高效率、輕量化技術研究。高效、輕量化指的是通過運用新技術提升通風器潤滑系統的工作效率，以此保證潤滑系統可以達到高速運轉的設計能力，該技術根據潤滑附件體積小的特點，來減少附件機匣傳動軸數，從而使潤滑系統附件機匣的外輪廓尺寸大幅度的減小。同時，還需要利用新型的散熱技術，提升潤滑系統散熱效率，實現潤滑系統各個部件高效率和輕量化的目的。

④潤滑系統試驗驗證技術。與國內既有的航空發動機型號相比，在對每一個航空發動機型號的研究過程中，國外對于航空發動機潤滑系統的研究技術高達20余項，除了對組成潤滑系統的各個附件進行試驗研究之外，在將其裝入發動機之前，還需要對潤滑系統進行全狀態、全包線的性能與可靠性試驗，這在國內航空發動機的型號研制工作中還是望塵莫及的。

⑤潤滑子系統仿真技術研究。就目前的潤滑子系統仿真分析技術之外，西方發達國家對于油氣兩廂的回油和通風子系統的管路流阻和腔壓計算更加精準，這就使得潤滑系統與整個航空發動機機械系統的關聯更加緊密，為此可以準確計算出潤滑系統各附件在不同工作狀態下的參數信息，既保證了潤滑系統主軸承傳動與靜子的封嚴壓差，又可以有效控制潤滑系統的油腔空氣量。

⑥潤滑系統的噴油潤滑研究。相關學者和專家通過磨損試驗，認真的分析了潤滑系統在不同噴油狀態下的溫度變化情況極磨損情況，并得出了最佳的噴油潤滑方案，有效提升了航空發動機潤滑系統的使用壽命，而從以上研究中得出了這些數據，也為后續潤滑系統的高效運行提供了重要的理論依據。

3 ?密封技術

航空發動機對密封技術有著十分嚴格的要求，這也是西方發達國家投入大量人力、財力對其進行研究的根本目的。所以，在航空發動機機械系統先進密封技術的迫切需求下，早在上世紀80年代，美國作為航空大國，其在研究的綜合高性能渦輪發動機的研制過程中，多項技術被列為重點項目，比如氣模密封技術（氣模密封原理如圖3所示）、反轉氣模密封技術以及石墨機械密封技術等等，并對其進行大量的分析與試驗研究。目前，既有的密封技術基本可以滿足當前航空發動機機械的使用條件。未來時期內，航空發動機密封技術將會面臨更加嚴峻的挑戰與考驗，比如高溫環境、高速運轉以及低發熱量等等。另外，在第航空發動機的結構技術中，材料的使用、計算分析能力將會全面上升，只有這樣才能滿足未來航空發動機對密封技術的實際需求。

西方發達國家對航空機械系統密封技術的研究主要在專業的公司和高等院校中開展，再將研究的內容由發動機研制部門統一整理與匯總。經過整理與匯總的密封技術與發動機系統的結合更加緊密，不僅僅體現在設計方面的密封，更是與傳動系統、潤滑系統的密封設計。特別是對于新型密封材料、表面處理技術以及結構的密封，不同的密封配件需要與跑道實現最佳配對，實現最理想的密封效果。

在航空發動機的機械性能方面，由于接觸式氣路密封會被大量的使用，可以有效提升發動機的運行效率，國內已有學者和專家對其進行了大量的研究，研究內容主要包括刷絲材料研究、跑道涂層研究、單級承受壓差研究等等。通過對以上內容的研究，密封技術現已被逐漸運用到了新型的航空發動機機械系統中，提高了機械系統的使用性能，降低和減少了油耗率。另外，隨著科學技術的日新月異，航空發動機機械技術日趨成熟，比如帶有蓄能環的唇式密封技術、靜密封技術以及金屬密封圈等等，這些也都是由專業的公司設計與制造完成的，現已在航空發動機中得到了迅速的推廣與應用，并被應用到了其他的行業領域中。

隨著我國航空事業的不斷發展，在未來時期內，即使是不同用途的航空發動機，密封技術也都可以滿足其實際發展需要，不論是民用發動機還是軍用發動機，其密封技術均可以實現良好的應用效果，下一代航空發動機可能會對密封技術提出更高的要求，特別是在參數方面，比如高溫、高速等?；诖?，密封技術還需要緊跟時代發展腳步進行進一步的改進和完善，比如結構設計、材料選擇等等以此達到更高的密封壓差和更長的使用壽命。

4 ?主軸軸承技術

主軸軸承（如圖4所示）是航空發動機轉動的關鍵組成部分，而在航空發動機的主軸軸承技術方面，西方發達國家具備成熟與完善的軸承系統分析技術和豐富的研究經驗為支撐，可以實現對航空發動機三維數字仿真的設計與分析。所以，對于主軸軸承技術的運用采用了與支撐結構一體化的專用軸承設計理念，使得軸承設計與發動機設計有機地融為了一起，在保證軸承基本功能的基礎上，為有效減輕發動機質量、改善轉子振動等的方面作出了巨大的貢獻。

科學合理的主軸軸承技術對于軸承在靜態和動態的計算十分準確，而在常規的軸承運行計算分析中，可以利用主軸軸承技術對其進行準確的評估與分析。近些年來，我國的學者與專家經過對主軸軸承的不斷研究，數據庫中的數據信息更加準確，主軸軸承的設計也更加符合航空發動機的實際需求。而在主軸軸承的使用方面，軸承設計部門聯合研發部門，建立了較為完善的主軸軸承數據庫，雙方技術的相互滲透與促進，有效的防止了其他零部件對主軸軸承造成的損壞。

5 ?結語

綜上所述，航空發動機機械系統所包含的零部件數量眾多，專業技術要求較高，在具體的設計過程中需要注意的問題也有很多，絕不是筆者區區幾千字就可以全面概述的。在當前經濟社會不斷發展的大背景下，航空發動機機械系統的傳動技術、潤滑技術、密封技術以及主軸軸承技術既是機遇也是挑戰，需要設計人員能從各個細節出發，注重經驗積累，用數據信息說話，從而更好的促進航空發動機機械技術專業的不斷向前發展。

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