航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的探討

沈偉

摘要： 航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)主要包括傳動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)以及主軸軸承系統(tǒng)這四個部分，該機(jī)械系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障頻發(fā)和涉及學(xué)科內(nèi)容多等的特點，而從我國既有航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，其故障發(fā)生概率始終居高不下，這與設(shè)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(guān)系。因此，探究航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)具有極其重要的現(xiàn)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(guān)鍵詞： 航空發(fā)動機(jī);機(jī)械系統(tǒng);技術(shù)探究

Key words： aeroengine;mechanical system;technical inquiry

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

0 ?引言

針對航空發(fā)動機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障頻發(fā)以及學(xué)科內(nèi)容多等的特點，詳細(xì)闡述了傳動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)以及主軸軸承系統(tǒng)技術(shù)，旨在希望能更好的促進(jìn)航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的長足發(fā)展。

1 ?傳動系統(tǒng)技術(shù)

傳動系統(tǒng)（如圖1所示）一直以來都是航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)研究的重點內(nèi)容之一，就目前的情況來看，較為先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)傳動系統(tǒng)是在高速運轉(zhuǎn)、重載工作、縮小體積質(zhì)量、降低成本以及提高使用壽命為主要發(fā)展趨勢的?，F(xiàn)階段，我國已經(jīng)建立了較為完整的航空發(fā)動機(jī)機(jī)械計算機(jī)分析系統(tǒng)，通過將傳動傳動系統(tǒng)的受力、變形以及對相關(guān)聯(lián)部件產(chǎn)生的影響利用計算機(jī)技術(shù)，可以比較準(zhǔn)確的模擬真實機(jī)械系統(tǒng)的運行情況。隨著此輪技術(shù)的不斷發(fā)展，國外專家也對航空發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，并建立了比較完善的計算分析系統(tǒng)，該計算分析系統(tǒng)的出現(xiàn)可以實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)強(qiáng)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(tǒng)中，實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)分析，以此有效傳動系統(tǒng)的實際工作情況。而在我國相關(guān)學(xué)者和專家則對傳動系統(tǒng)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(jī)械系統(tǒng)設(shè)計誤差帶來的噪聲問題。

另外，在試驗方面，通過對航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)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(zhǔn)的預(yù)測傳動系統(tǒng)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(tǒng)的磨損試驗得出：不同運行環(huán)境下的傳動系統(tǒng)和溫深情況都是不盡相同的。通過上述實驗得出的大量數(shù)據(jù)，并在建立了豐富數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上將其作為傳統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)，既可以滿足傳動系統(tǒng)的使用需求，又兼顧了經(jīng)濟(jì)效益原則。所以，通過對傳動系統(tǒng)疲勞程度、使用壽命以及潤滑方面的試驗，構(gòu)成了健全與完善的傳動系統(tǒng)設(shè)計體系，保證了傳動系統(tǒng)設(shè)計的一次性成功。

西方發(fā)達(dá)國家第4代傳動系統(tǒng)設(shè)計最典型的設(shè)計理念是對不同附件的串聯(lián)于集成設(shè)計，比如燃油泵與加力泵的組合，高空活門與電機(jī)系統(tǒng)的串聯(lián)，減少了傳動系統(tǒng)軸的使用數(shù)量，縮短傳動系統(tǒng)設(shè)計時間，簡化傳功系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而提升了傳動系統(tǒng)的性能。在比如某公司自行開發(fā)與研究的行星齒輪減速器，傳動功率高達(dá)20MW，傳速為10000r/min，質(zhì)量比為30：1，其在斷油情況下還可以連續(xù)工作1min。

我國的航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)與西方發(fā)達(dá)國家相比差距主要體現(xiàn)在：機(jī)械系統(tǒng)齒輪咬合仿真、機(jī)匣一體化設(shè)計以及新型傳動技術(shù)等的方面。另外，由于航空發(fā)動機(jī)機(jī)械機(jī)械系統(tǒng)配件數(shù)量多，外廓尺寸大等因素的影響和制約，傳動系統(tǒng)設(shè)計人員在具體的設(shè)計過程中比較被動，導(dǎo)致傳動鏈條長、機(jī)匣殼體積大等的問題頻頻出現(xiàn)?！笆濉薄笆晃濉眰鲃酉到y(tǒng)研究技術(shù)的不斷發(fā)展，我國的航空機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了世界縣級的水平。但是，由于缺乏對傳動系統(tǒng)試驗的驗證和準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)，設(shè)計方法還有待進(jìn)一步提高，這也在一定程度上影響了傳動設(shè)計信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 ?潤滑系統(tǒng)技術(shù)

航空發(fā)動機(jī)機(jī)械潤滑系統(tǒng)（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(xué)科，使得潤滑系統(tǒng)技術(shù)可以見解的理論知識少之又少。而現(xiàn)階段，隨著航空發(fā)動機(jī)設(shè)計技術(shù)的不斷提高，社會各界對潤滑系統(tǒng)技術(shù)提出了更高的要求，20世紀(jì)90年代，開始注重對航空發(fā)動機(jī)先機(jī)設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，而在21世紀(jì)的早期，德國、法國、英國聯(lián)合進(jìn)行了航空發(fā)動機(jī)機(jī)械潤滑系統(tǒng)的預(yù)先研發(fā)項目，并耗時8天，專門針對潤滑系統(tǒng)進(jìn)行了大量的實驗、其中的仿真以及新技術(shù)的運用，取得了較為理想的技術(shù)成功，比如潤滑系統(tǒng)內(nèi)部的流動與換熱、潤滑系統(tǒng)的著火與防火以及金屬海綿離心通風(fēng)器等的技術(shù)，并已逐步應(yīng)用到了航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)中。

為了更好的滿足未來時期航空發(fā)動機(jī)機(jī)械潤滑系統(tǒng)設(shè)計需求，國內(nèi)對于潤滑系統(tǒng)主要進(jìn)行了以下幾個方面的研究：

①潤滑系統(tǒng)的設(shè)計與分析研究。潤滑系統(tǒng)的設(shè)計與分析研究主要包括循環(huán)量準(zhǔn)確設(shè)計、潤滑系統(tǒng)熱分析研究以及仿真技術(shù)等的研究內(nèi)容，在具體的研究過程中，相關(guān)學(xué)者與專家潤滑系統(tǒng)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(tǒng)的壓力承受、流量與溫度等的性能數(shù)據(jù)，保證潤滑系統(tǒng)可以獲得準(zhǔn)確的潤滑與冷卻數(shù)據(jù)，并在后期進(jìn)行的附件實驗、整機(jī)試驗和飛行實驗中得到了逐步修正與完善。

②潤滑系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)研究。經(jīng)濟(jì)與社會的不斷發(fā)展，航空發(fā)動機(jī)機(jī)械潤滑系統(tǒng)熱負(fù)荷會越來越高，潤滑系統(tǒng)需要分散的熱量也會逐漸升高，而航空發(fā)動機(jī)自身攜帶的機(jī)械設(shè)備發(fā)熱量也需要通過燃油進(jìn)行散熱，此時發(fā)動機(jī)入口燃油的溫度就會逐漸上升，這就需要通過更為精準(zhǔn)的熱系統(tǒng)分析技術(shù)對潤滑系統(tǒng)設(shè)計理念進(jìn)行不斷的優(yōu)化與完善，從而使發(fā)動機(jī)的熱量可以分配至各個系統(tǒng)中，這樣既可以實現(xiàn)對潤滑系統(tǒng)的冷卻效果，還不會產(chǎn)生大量的攪拌熱，保證潤滑系統(tǒng)可以始終為最理想的供油狀態(tài)。

③潤滑系統(tǒng)高效率、輕量化技術(shù)研究。高效、輕量化指的是通過運用新技術(shù)提升通風(fēng)器潤滑系統(tǒng)的工作效率，以此保證潤滑系統(tǒng)可以達(dá)到高速運轉(zhuǎn)的設(shè)計能力，該技術(shù)根據(jù)潤滑附件體積小的特點，來減少附件機(jī)匣傳動軸數(shù)，從而使?jié)櫥到y(tǒng)附件機(jī)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(shù)，提升潤滑系統(tǒng)散熱效率，實現(xiàn)潤滑系統(tǒng)各個部件高效率和輕量化的目的。

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

⑤潤滑子系統(tǒng)仿真技術(shù)研究。就目前的潤滑子系統(tǒng)仿真分析技術(shù)之外，西方發(fā)達(dá)國家對于油氣兩廂的回油和通風(fēng)子系統(tǒng)的管路流阻和腔壓計算更加精準(zhǔn)，這就使得潤滑系統(tǒng)與整個航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)更加緊密，為此可以準(zhǔn)確計算出潤滑系統(tǒng)各附件在不同工作狀態(tài)下的參數(shù)信息，既保證了潤滑系統(tǒng)主軸承傳動與靜子的封嚴(yán)壓差，又可以有效控制潤滑系統(tǒng)的油腔空氣量。

⑥潤滑系統(tǒng)的噴油潤滑研究。相關(guān)學(xué)者和專家通過磨損試驗，認(rèn)真的分析了潤滑系統(tǒng)在不同噴油狀態(tài)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(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的使用壽命，而從以上研究中得出了這些數(shù)據(jù)，也為后續(xù)潤滑系統(tǒng)的高效運行提供了重要的理論依據(jù)。

3 ?密封技術(shù)

航空發(fā)動機(jī)對密封技術(shù)有著十分嚴(yán)格的要求，這也是西方發(fā)達(dá)國家投入大量人力、財力對其進(jìn)行研究的根本目的。所以，在航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)先進(jìn)密封技術(shù)的迫切需求下，早在上世紀(jì)80年代，美國作為航空大國，其在研究的綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)的研制過程中，多項技術(shù)被列為重點項目，比如氣模密封技術(shù)（氣模密封原理如圖3所示）、反轉(zhuǎn)氣模密封技術(shù)以及石墨機(jī)械密封技術(shù)等等，并對其進(jìn)行大量的分析與試驗研究。目前，既有的密封技術(shù)基本可以滿足當(dāng)前航空發(fā)動機(jī)機(jī)械的使用條件。未來時期內(nèi)，航空發(fā)動機(jī)密封技術(shù)將會面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)與考驗，比如高溫環(huán)境、高速運轉(zhuǎn)以及低發(fā)熱量等等。另外，在第航空發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)技術(shù)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(fā)動機(jī)對密封技術(shù)的實際需求。

西方發(fā)達(dá)國家對航空機(jī)械系統(tǒng)密封技術(shù)的研究主要在專業(yè)的公司和高等院校中開展，再將研究的內(nèi)容由發(fā)動機(jī)研制部門統(tǒng)一整理與匯總。經(jīng)過整理與匯總的密封技術(shù)與發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的結(jié)合更加緊密，不僅僅體現(xiàn)在設(shè)計方面的密封，更是與傳動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)的密封設(shè)計。特別是對于新型密封材料、表面處理技術(shù)以及結(jié)構(gòu)的密封，不同的密封配件需要與跑道實現(xiàn)最佳配對，實現(xiàn)最理想的密封效果。

在航空發(fā)動機(jī)的機(jī)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(fā)動機(jī)的運行效率，國內(nèi)已有學(xué)者和專家對其進(jìn)行了大量的研究，研究內(nèi)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(nèi)容的研究，密封技術(shù)現(xiàn)已被逐漸運用到了新型的航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)中，提高了機(jī)械系統(tǒng)的使用性能，降低和減少了油耗率。另外，隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，航空發(fā)動機(jī)機(jī)械技術(shù)日趨成熟，比如帶有蓄能環(huán)的唇式密封技術(shù)、靜密封技術(shù)以及金屬密封圈等等，這些也都是由專業(yè)的公司設(shè)計與制造完成的，現(xiàn)已在航空發(fā)動機(jī)中得到了迅速的推廣與應(yīng)用，并被應(yīng)用到了其他的行業(yè)領(lǐng)域中。

隨著我國航空事業(yè)的不斷發(fā)展，在未來時期內(nèi)，即使是不同用途的航空發(fā)動機(jī)，密封技術(shù)也都可以滿足其實際發(fā)展需要，不論是民用發(fā)動機(jī)還是軍用發(fā)動機(jī)，其密封技術(shù)均可以實現(xiàn)良好的應(yīng)用效果，下一代航空發(fā)動機(jī)可能會對密封技術(shù)提出更高的要求，特別是在參數(shù)方面，比如高溫、高速等。基于此，密封技術(shù)還需要緊跟時代發(fā)展腳步進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，比如結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇等等以此達(dá)到更高的密封壓差和更長的使用壽命。

4 ?主軸軸承技術(shù)

主軸軸承（如圖4所示）是航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動的關(guān)鍵組成部分，而在航空發(fā)動機(jī)的主軸軸承技術(shù)方面，西方發(fā)達(dá)國家具備成熟與完善的軸承系統(tǒng)分析技術(shù)和豐富的研究經(jīng)驗為支撐，可以實現(xiàn)對航空發(fā)動機(jī)三維數(shù)字仿真的設(shè)計與分析。所以，對于主軸軸承技術(shù)的運用采用了與支撐結(jié)構(gòu)一體化的專用軸承設(shè)計理念，使得軸承設(shè)計與發(fā)動機(jī)設(shè)計有機(jī)地融為了一起，在保證軸承基本功能的基礎(chǔ)上，為有效減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量、改善轉(zhuǎn)子振動等的方面作出了巨大的貢獻(xiàn)。

科學(xué)合理的主軸軸承技術(shù)對于軸承在靜態(tài)和動態(tài)的計算十分準(zhǔn)確，而在常規(guī)的軸承運行計算分析中，可以利用主軸軸承技術(shù)對其進(jìn)行準(zhǔn)確的評估與分析。近些年來，我國的學(xué)者與專家經(jīng)過對主軸軸承的不斷研究，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息更加準(zhǔn)確，主軸軸承的設(shè)計也更加符合航空發(fā)動機(jī)的實際需求。而在主軸軸承的使用方面，軸承設(shè)計部門聯(lián)合研發(fā)部門，建立了較為完善的主軸軸承數(shù)據(jù)庫，雙方技術(shù)的相互滲透與促進(jìn)，有效的防止了其他零部件對主軸軸承造成的損壞。

5 ?結(jié)語

綜上所述，航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)所包含的零部件數(shù)量眾多，專業(yè)技術(shù)要求較高，在具體的設(shè)計過程中需要注意的問題也有很多，絕不是筆者區(qū)區(qū)幾千字就可以全面概述的。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會不斷發(fā)展的大背景下，航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的傳動技術(shù)、潤滑技術(shù)、密封技術(shù)以及主軸軸承技術(shù)既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，需要設(shè)計人員能從各個細(xì)節(jié)出發(fā)，注重經(jīng)驗積累，用數(shù)據(jù)信息說話，從而更好的促進(jìn)航空發(fā)動機(jī)機(jī)械技術(shù)專業(yè)的不斷向前發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋軍強(qiáng)，潘慕絢，黃金泉.航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)技術(shù)分析及系統(tǒng)方案[J].航空動力學(xué)報，2013（10）：391-400.

[2]李宏新，李國權(quán).航空發(fā)動機(jī)動力傳輸系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展思考[J].航空發(fā)動機(jī)，2013（02）：25-30.

[3]蘇壯，毛宏圖，宋冠麟.基于熱管理技術(shù)的航空發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)熱分析方法[J].航空發(fā)動機(jī)，2016（02）：44-50.

[4]郝立華，吳鳴宇.難加工航空發(fā)動機(jī)葉輪葉片拋光技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)械制造與自動化，2017（06）：54-56.

[5]王帥，江平，李超，等.某型航空發(fā)動機(jī)附件傳動系統(tǒng)新型的中央傳動齒輪結(jié)構(gòu)[J].機(jī)械設(shè)計與研究，2017（6）：71-73.

[6]林小鳳.航空發(fā)動機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)分析[J].內(nèi)燃與配件，2019（18）：51-52.

[7]王貴春.航空發(fā)動機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2018（01）：41-42.

[8]高奇.航空發(fā)動機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)研究[J].航空發(fā)動機(jī)，2015（05）：86-91.

[9]朱敏.航空發(fā)動機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（12）：70-72.