航空發動機動力傳輸系統的技術發展思考

李宏新，李國權

（中航工業沈陽發動機設計研究所航空發動機動力傳輸航空科技重點實驗室，沈陽 110015）

0 引言

航空發動機的轉子需以軸承來支撐，而功率提取仍以機械傳動為基礎。航空發動機動力傳輸系統又稱為航空發動機機械系統（以下稱機械系統），包含傳動系統、潤滑系統、主軸軸承、主軸密封系統4大部分。隨著航空發動機的發展，機械系統的重要性被逐漸體現，成為繼壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、控制系統之后的發動機技術發展的六大部件(系統)之一。由于新一代先進航空發動機對機械系統提出更高更新的要求，決定了其必須具有體積小、質量輕、安全性高、可靠性高等性能特點，而且其在發動機上實現的功能多、組成構件多，又決定了其在發動機上的可靠性相對偏低。近年來，中國航空發動機技術已經從測仿研制走向自行研制的道路，但與國外先進國家相比，還存在著較大差距。

本文根據相關資料，對航空發動機機械系統的發展現狀進行分析，并指出中國在該系統的研究中所存在的主要技術問題，提出未來發動機機械系統的技術發展方向。

1 航空發動機機械系統的研究現狀

1.1 國外發展趨勢與特點概述

美、俄、英、法等國極其重視航空推進技術的發展，投入巨資進行了一系列航空推進技術基礎研究，先后為F-22、F-35、T50、EF2000等新一代戰斗機匹配了先進動力裝置，取得了顯著成效，研制出了具有代表性的推重比10一級的F119、F135、АЛ-41Ф、EJ200渦扇發動機和功質比為10.4的T800渦軸發動機。為了滿足高性能發動機的需求，在2001年，歐洲開始了為期3年的“先進傳動潤滑系統設計概念”（ATOS）研究項目[1]，以提升發動機的性能、提高可靠性、降低污染、減輕質量、降低成本和縮短研制周期。美國F100發動機在已經定型并裝備部隊后，與空軍簽定了部件改進計劃（CIP），以解決在飛行過程中或生產期間所暴露的各種問題，提高其可靠性、維護性和耐久性；1983年9月美國F119發動機開始技術驗證機研制，至2005年12月裝備作戰部隊具備初步作戰能力（IOC），共經歷了22年，在F119發動機EMD階段，共組建了近100個一體化產品小組，其中包括5個機械系統專業的一體化產品小組。

國外航空傳動系統設計公司在傳動系統研制過程中有著完整的設計軟件及配套的各種強度及性能測試試驗技術。在設計中，將各個部件的受力和變形等對其自身和相關聯部件產生的影響綜合考慮到強度計算中，比較詳細地分析傳動部件的靜態和動態，計算方法能夠比較準確地模擬真實工作情況，并通過完善的試驗方法取得準確的試驗數據，以獲得精確的應力水平。設計的螺旋錐齒輪線速度達到了189m/s。為最大限度地提高功（推）質比，發動機傳動系統與附件采用一體化設計技術。重視高速齒輪的動力學研究和動態設計，并在相應的規范中做了明確規定。在大涵道比發動機上，開展了齒輪傳動風扇的大功率傳動技術研究和驗證，已開始型號研制；隨著軍用多用途殲擊機的發展，開展了升力風扇傳動技術的研究，已經應用在F135發動機上，使得美國聯合攻擊戰斗機（JSF）F-35飛機技術得到進一步提升。

目前，齒輪傳動仍是發動機傳動系統的主要形式,但根據有關資料，國外在新型傳動方面也進行了大量研究，包括自由行星傳動、面齒輪傳動、電磁傳動、滾柱傳動、液壓傳動、噴氣傳動和分流渦輪傳動等，這些研究為發動機傳動系統的發展提供了新的思路。

從國外的公開資料中可以看到，對潤滑系統設計技術的研究、潤滑系統部件的研究及高溫潤滑油的應用研究一直是航空發動機技術研究的重點之一。在潤滑系統設計技術方面，其主要是在潤滑系統循環量的精確設計、熱分析、軸承腔油氣二相流流動與換熱、滑油通風系統設計與分析和仿真技術等領域開展了大量基礎研究。在部件方面，各個部件從高速、高效、緊湊、輕質量、小外廓等方面進行先進技術研究，將滑油箱、滑油濾、滑油供回油泵、離心通風器、通風活門等部件與附件機匣集成設計，并取得了成果。在高溫型（Ⅲ型）潤滑油的研制和應用方面，美國已成功地進行了高溫滑油的研制，并應用在SR71（黑鳥）高空偵察機J58發動機上，使用溫度最高達到300℃。俄羅斯也開展了高溫型潤滑油的研制，其研制的ВТ301型高溫潤滑油應用到巡航導彈的潤滑系統中，其最高使用溫度達到260℃，比現有Ⅱ型滑油提高了50℃。

先進發動機國家十分重視提高密封的性能，如應用在壓氣機和渦輪葉尖的級間等流路的刷式密封設計，已給發動機帶來的意想不到的收益。美國對用于二次流路、壓氣機及渦輪級間的全壽命期內性能更穩定的氣膜密封正在積極研究。

發達國家一直把主軸軸承看作與發動機3大部件同等重要。在進行的發動機主軸軸承試驗時數已達到30余萬小時，試驗DN值達4百萬，并開發了SHABERTH和CYBEAN2個大型經典軸承計算分析程序。從發展趨勢上看，國外新型發動機主軸軸承結構與發動機總體結合越來越緊密，主軸承內環趨向于與發動機主軸一體化，主軸承外環與安裝邊一體化，這有助于減少零件數量、減輕發動機質量、提高發動機可靠性。此外，新型材料的高硬度的陶瓷滾動體混合軸承已經在發動機上得到應用，磁浮軸承也正在開展工程應用技術研究。

1.2 國內研究現狀

中國于20世紀60～80年代開展了WP6、WP7、WP7甲/乙、WS6、WP13以及昆侖等航空發動機的仿制和研制工作，經歷了由測繪仿制、改進改型到自行研制的發展階段，初步建立了科研生產和維護保障體系。步入80年代后期，結合第3代太行發動機的研制，對推質比8一級渦扇發動機的設計技術進行了廣泛研究，至21世紀初期實現了航空發動機由第2代向第3代的歷史性跨越，并開始第4代航空發動機工程研制。機械系統的研究已逐步從測繪研制走向了自行設計的道路。林基恕于2005年編著的《航空燃氣渦輪發動機機械系統設計》[2]一書較為詳細地闡述了機械系統4大專業的原理、系統計算、部件原理、部件設計、典型部件、狀態監測等。該論著在中國是首次對航空發動機機械系統進行系統的論述，標志著中國航空發動機機械系統設計基本走出了仿制道路。另外，對滑油系統的防虹吸、滑油泵、防氣塞的高空性散熱器和通風器[3-5]等進行了深入研究；在熱分析和密封等方面一些學者也從不同方面進行了研究[6-10]，發展了基于有限元和網絡法的滑油系統熱分析方法；對附件機匣、軸承腔等進行了部件的熱分析方法研究；對密封的機理、特點及研究中的問題進行了分析。這些研究有力地提高了中國的設計水平，在不明顯增加傳動系統質量的條件下，傳動總功率不斷增加，主軸承的滑油主體油溫不斷提高；刷式密封技術得到工程應用，指尖密封取得突破性進展。

1.3 突破關鍵技術

隨著高推比發動機及長壽命大涵道比發動機的發展，中國對機械系統開展了大量的研究工作，采取多種措施滿足高推質比、長壽命、高可靠性的目標，突破了一些關鍵技術，基本建成了機械系統設計體系，使中國發動機機械系統的研制上了1個新臺階，主要體現在以下幾個方面：

（1）針對傳動系統進行了整體動態特性及齒輪修形和潤滑等方面的技術研究，開展了附件機匣與滑油系統一體化技術研究，開發了傳動系統設計軟件，在設計階段開展機匣及齒輪的動態特性分析等。

（2）針對潤滑系統開展了將滑油箱等滑油附件與附件機匣一體化設計，開展了滑油系統的熱分析技術研究，建立了熱分析方法，針對離心通風器研制并使用了多種葉輪式離心通風器，完成了蜂窩式離心通風器的性能試驗研究。開展了采用小型化高可靠性傳感器監控和預測發動機滑油系統狀態的健康管理技術研究。

（3）刷式密封技術在設計、制造工藝、對偶摩擦涂層的篩選等方面實現了從無到有，并對普通型和低滯后型刷式密封進行了一些性能與耐久性試驗，并實現了工程應用。

（4）在主軸軸承技術方面，開發了軸承分析設計軟件，研制了多型新材料，優化了軸承制造工藝，完善了檢測手段。

但與國外相比，在可靠性、安全性以及設計理念等方面還存在著一定的差距。

2 存在主要問題

機械系統構件多和使用環境惡劣等特點，決定了其在發動機上較低的可靠性，據資料顯示，目前國內外在役發動機中，2/3的故障是產生于機械系統及燃油系統，對此，需要解決如下主要問題：

（1）設計體系尚需要在工程應用中不斷健全，在廣度和深度方面補充完善，強化對設計的規范作用。

（2）設計理念需要持續改變。要改變附件傳動設計必須適應附件的理念，要樹立附件機匣是相對總體的思想，使附件設計適應附件機匣的轉速及外廓，采用一軸多附件優化設計，大大減少傳動軸數量，提高可靠性和維護性。

（3）不斷改善相關專業發展的制約，一部分附件設計落后，部分封嚴引氣參數、軸向力、散熱器燃油入口等邊界條件不能準確給出，部分針對傳動和軸承等系統動態性測試技術的應用還有待提高。

（4）滑油系統附件與附件機匣一體化設計問題，如一體化的滑油附件設計與管理、內部流路的優化、一體化對傳動機匣溫度場與變形的影響等。

（5）一些基礎理論還很薄弱，如附件機匣整體振動、噪聲及變形分析、圓錐齒輪接觸分析、修形理論、兩相流動參數、軸承定壽等技術還不夠成熟。

（6）試驗條件相對落后，試驗理念有待更新。突出體現在模擬真實環境的能力不夠、仿真度不高，在試驗器上暴露的問題不充分等。

（7）加工制造方面還存在問題。限于中國整體精密制造工業技術水平的制約，工藝精細化與規范化程度不足，有些設計要求難以達到，加工制造過程還存在著相對粗放、檢測能力不足等問題，這也將導致發動機可靠性的降低。

（8）新材料難以滿足設計要求，如高強度齒輪材料缺少齒輪專用材料數據，新的軸承材料缺少壽命系數、材料與鍛件熱處理工藝穩定性和工程化問題等。

3 技術發展方向

航空發動機機械系統的研究可分為5個方面：傳動系統技術；滑油系統技術；主軸承技術；密封技術；磁浮軸承與多電發動機技術的設計、制造、材料和工藝等。在機械系統的發展方面，國內學者也進行了一些探討，在一定程度上探明了發展方向。林基恕等在2001年對航空發動機機械系統進行了展望[11]，指明了在推比8～10一級航空發動機的機械系統發展方向。但要研制更高推比的發動機，以及長壽命、高可靠性大涵道比發動機還需要進行更加深入地研究。李國權在2009年對航空發動機的滑油系統的技術與應用進行了綜述[12]，并對滑油系統的未來發展進行了闡述。趙振業院士還針對中國的實際提出了抗疲勞制造技術研究，這對提高機械系統的可靠性具有非常重要的意義。整個機械系統應向幾個方面發展。

3.1 傳動系統設計滿足高推質比、高可靠性和長壽命的設計要求

（1）針對在役發動機傳動系統進行深化驗證，開展系統研究。重點針對附件機匣在工作及安裝狀態的受力變形及工作狀態進行仿真分析，解決在役發動機附件機匣的軸承襯套、套齒等的磨損以及高速質載齒輪的壽命問題；實現對整個齒輪傳動系統在接近發動機實際工作狀態下動態分析，解決發動機附件機匣傳動系的振動問題；進行齒輪振動、齒輪修形與疲勞強度等技術研究，解決附件機匣的可靠性和耐久性問題。

（2）通過理論研究、仿真、試驗驗證等技術途徑，實現附件機匣與滑油系統附件一體化設計技術的突破，通過轉變設計理念，實現大規模減質，以滿足高推質比的需要，集中維護點，以提高維護性、減少外部管路等零件數量。

（3）開展先進發動機的載荷譜技術研究，進行下一代高性能齒輪鋼的齒輪材料性能研究，進行高速質載齒輪的優化設計技術研究，以期在新材料及先進設計技術上取得突破。

（4）開展附件機匣整體變形分析和振動噪聲及修形等技術研究，對齒輪軸支點布局形式、軸承安裝形式、機匣內摩擦副的潤滑等進行深入分析。

（5）進一步開展傳動系統軸系同心度控制與高精度齒輪制造技術和裝配技術研究，提升工藝能力。

3.2 降低滑油系統部件質量和滑油消耗量，提高系統可靠性

（1）針對在役發動機的滑油系統使用中存在的各種問題，以提高發動機可靠性為中心進行滑油系統深化驗證工作。主要解決滑油腔回油溫度高、軸承與附件壽命增長、滑油消耗量、滑油光譜金屬含量標準優化等問題。開展軸承供油量和發熱量的關系計算分析、攪拌熱對回油溫度的影響分析、燃油系統/滑油系統/散熱系統的交互影響分析、對轉中介軸承最佳供油量的試驗以及故障診斷技術等研究工作。開展潤滑系統軸承腔及通風系統計算方法、數值模擬及仿真分析、參數測試、新結構離心通風器等研究和驗證，掌握滑油系統相關參數的分析及測量方法。

（2）應用高速及與附件機匣一體化的附件、高效滑油散熱技術等滿足高推質比的需要，探索Ⅲ型高溫潤滑油的應用技術研究；進行二相流條件下的滑油系統的精確熱分析和系統全流路仿真，合理協調散熱器在燃油路中的位置，將滑油熱管理系統與燃油系統、飛機的熱管理系統進行一體化設計、充分協調燃油、飛機與滑油熱管理系統的關系，使熱管理系統實現高效、合理。

（3）進行高效（蜂窩及金屬海綿型）油氣分離器技術以及低滑油消耗量的總體技術研究，并進行滑油系統附件全壽命期試驗研究，進行新型滑油屑沫檢測技術研究，以適應發動機PHM系統的需要，提升發動機視情維護能力。

3.3 延長主軸密封的壽命，加強新型流道密封的研究

一方面，對傳統主軸承密封強化長壽命和可靠性增長研究，如長壽命石墨密封、高低壓反轉軸間接觸式密封、反轉軸間氣膜密封技術等；另一方面，研究新型無滯后刷式密封以及指尖密封技術，提高流路密封的封嚴性能及工作的可靠性。

3.4 加強長壽命、高負荷主軸軸承技術研究

進行長壽命主軸承設計技術、熱分析技術、軸承損傷容限分析以及檢驗標準完善、疲勞壽命等效加速試驗技術、磨損壽命試驗技術、陶瓷混合軸承設計應用的研究等。

除此之外，還要加強軸承材料、冶金與制造工藝等方面的研究，主要包括高強軸承材料及工藝、軸承表面完整性技術、抗疲勞制造技術、殘余應力控制技術、2次淬硬技術、軸承無損檢測技術等。

3.5 開展新技術研究

當前，世界多電或全電發動機研制取得了較大進展，其中磁浮軸承與電動滑油系統附件的技術研究取得突破。磁浮軸承技術代表著發動機轉子支承的1種革新方法，其成功應用將使未來發動機具有新的特征：發動機質量減輕，取消滑油系統和傳動系統，減少功率消耗，簡化軸承腔密封結構，減小葉尖和密封間隙、減少飛機機動飛行時轉子與機匣的偏移，減少封嚴用氣，具有優良的振動響應特性，軸承可以達到無限壽命。

對此，應重點進行基礎和應用研究，突破一批關鍵技術，包括高精度、高穩定性專用傳感器技術、高穩定性專用功率放大器技術、高溫磁浮軸承設計與制造、高性能輔助軸承設計與制造、小型化磁浮軸承電氣控制系統設計與制造、內置式起動/發電機與磁浮軸承集成一體化技術研究。

此外，機械系統還應加強升力風扇傳動技術和齒輪傳動風扇發動機的傳動技術研究，解決垂直起降飛機和超大涵道比民用飛機發動機的技術瓶頸。

4 結束語

綜上所述，航空發動機機械系統應著重圍繞以下方面重點發展：

（1）針對使用中存在的問題，對現役發動機進行深化驗證，實現自主保障。

（2）更新觀念，利用現代計算機技術、材料技術以及已建成的設計體系，精確設計，從而減輕零部件質量，簡化外部管路，集中布置維護點，以適應更高推質比發動機對機械系統的質量、可靠性和維護性的技術性能要求。

（3）進行傳動系統整體變形、振動及噪聲分析、全壽命滑油系統附件、高性能密封及長壽命軸承等機械系統研究，以滿足中、大涵道比發動機長壽命、高可靠性的要求。

（4）完善滑油系統的檢測體系，使之適用于發動機PHM系統，為發動機從定期維護轉向視情維護奠定基礎。進行高效離心通風器及低滑油消耗量的滑油系統研究，滿足長航時發動機對滑油系統的要求。

（5）跟蹤國際先進發動機技術，加快磁浮軸承及多電發動機技術研究。

（6）開展升力風扇及齒輪傳動風扇（GTF）發動機的傳動技術研究，為垂直起降飛機和超大涵道比民用飛機發動機的發展奠定基礎。

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