航空發動機機械系統技術研究

陳聰慧，葛泉江，李 季，信 琦，毛宏圖

（1.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；2.中國人民解放軍駐哈軸軍代表室，哈爾濱150036；3.空軍駐沈陽地區軍事代表局，沈陽110034）

航空發動機機械系統技術研究

陳聰慧1，葛泉江2，李 季3，信 琦1，毛宏圖1

（1.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；2.中國人民解放軍駐哈軸軍代表室，哈爾濱150036；3.空軍駐沈陽地區軍事代表局，沈陽110034）

針對航空發動機機械系統具有專業技術復雜，故障多發等特點，通過對國內外航空發動機機械系統的技術分析，闡述了傳動、潤滑、密封和主軸軸承4個專業的技術水平現狀及未來技術發展趨勢，并歸納總結了目前國內、外在航空發動機機械系統研制過程中的常規做法。認為提高從業人員技術能力，完善專業設計規范和提升機械系統技術水平是當務之急。從業人員應關注設計細節，注重經驗積累，用數據說話，重視基礎研究工作；同時建議積極開展國際技術合作，加強航空發動機機械系統專業技術交流。

機械系統；傳動；潤滑；密封；軸承；航空發動機

0 引言

航空發動機的機械系統包括傳動、潤滑、密封和主軸軸承系統4大部分。該系統具有結構復雜、故障多發、牽涉的學科多、國內基礎相對薄弱等特點。國內外出現的機械系統故障主要包括設計、制造、裝配、使用及試驗驗證等方面。從中國現役發動機的故障統計來看，機械系統的故障始終居高不下，包含其接觸副摩擦磨損易發、零組件數量多等結構特點因素；設計水平偏低、制造水平跟不上、試驗裝配手段落后等客觀事實；同時國內技術環境重視程度不夠、投資力度偏弱、基礎和規范建設工作不到位等均有重要影響。因此，若要有效降低機械系統故障率，要求管理、設計、加工、試驗等人員共同努力。

國外發達國家的航空發動機機械系統的技術水平是在其他相關領域（汽車、化工、機床、船舶、鋼鐵等）的技術水平的基礎上，結合航空發動機的自身特點發展起來的。但國內大部分研究部門的水平還處于仿制、設計、試驗驗證、排故、改進、驗證的初級循環過程中。除了設計方法、手段、材料、加工、裝配、載荷、試驗等方面的影響，最重要的是基礎，也就是基本功和細節。當然，設計體系和規范是保證設計水平的根本要素，但在目前相對不完善的前提下，細節顯得格外重要。

本文概括地分析了國內外航空發動機機械系統的技術水平，并簡單介紹了國外典型的常規做法，目的是使從業人員能夠認識自身不足，努力提高技術水平，并提醒各方面人員對航空發動機機械系統加強重視，進而提升機械系統的技術水平。

1 傳動系統

傳動系統一直是國外航空發動機技術研究的重點之一。目前先進航空發動機傳動系統的發展趨勢是在滿足高速、重載工作條件的前提下，減小傳動系統的體積和質量，提高其壽命和可靠性，并降低成本、提高經濟可承受性[1]。

國外已建立了完整地計算分析系統、強度及性能試驗技術，將各個部件的受力、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，靜、動態分析都比較完善，計算方法能夠比較準確地模擬真實工作情況。隨著齒輪動態技術的發展，已開展了傳動系統的噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness）技術研究，評估齒輪的齒形誤差及由此帶來的噪聲等問題；在試驗方面，通過齒輪構件的疲勞-壽命特性試驗，獲得構件的S-N曲線，可以準確地預測齒輪的壽命，提高其疲勞強度；在噴油潤滑方面，通過進行1組齒輪磨損試驗，對不同噴油狀況下齒輪磨損和溫升情況進行對比研究。通過上述基礎試驗，得到了大量數據，建立了豐富的數據庫，來作為設計的依據；既可滿足使用要求，又兼顧了經濟性。這些計算分析系統、測試試驗技術、計算方法構成了完整的傳動系統設計體系，可以確保一次性設計成功。

國外第4代先進發動機中傳動系統設計的典型特征是附件機匣與潤滑系統附件一體化集成，比上一代發動機傳動系統的明顯優勢在于，通過多個附件的串聯或集成設計，如主燃油泵和加力泵的組合泵，高空活門與電機的串聯，以及超高轉速傳動附件（高轉速滑油泵組、超高轉速離心通風器等）的設計，從而減少附件傳動軸的數量，縮短附件傳動鏈，簡化附件機匣結構，減輕系統質量，提高其可靠性，進而提高發動機性能。PW公司自行研發的星型齒輪減速器，傳遞功率達20 MW，傳動比為3∶1，輸入轉速10000 r/min。目前最先進的垂直/短距起降升力風扇形式推進系統，其離合器系統可傳遞22 MW功率，具有較長壽命。齒輪箱的功率質量比高達30∶1，能在全部載荷下斷油工作1 min。

與國外航空發動機的傳動系統技術水平相比，國內的技術差距主要體現在齒輪嚙合仿真、傳動機匣與附件一體化設計、整體動態設計、優化設計及新型傳動技術等方面。由于受制于發動機附件數量多、轉速不同、外廓尺寸較大等因素影響，傳動系統設計較為被動，傳動鏈長、軸數量多、機匣殼體體積和質量較大。

通過“十五”、“十一五”的技術研究，國內的傳動領域已擁有了較為先進的設計分析軟件，并結合型號研制工作，形成了設計方法和準則[2]。但由于缺乏試驗驗證，沒有準確的試驗數據，難以將設計方法修正完善，影響了設計的準確性。

2 潤滑系統

潤滑系統的設計知識牽涉到大量的2相流動、彈流潤滑、復雜換熱等較邊緣、難度大的學科，且經典理論較少。隨著航空發動機設計技術的不斷進步和深入，對于潤滑系統的精細化設計要求越來越高。因此，從20世紀90年代以來，歐美航空發動機研發水平先進國家逐漸重視航空發動機潤滑系統的預先研究以及先進設計技術。在21世紀初期，德、法、英、比、意等歐洲國家聯合開展了未來商用及軍用航空發動機傳動潤滑系統的預先研究項目，耗時8 a，針對潤滑系統開展了大量地試驗、設計、仿真及新材料的技術探索，取得了一批技術成果，主要包括航空發動機軸承腔內部的流動和換熱、潤滑系統著火和防火、新型電驅動滑油泵及潤滑系統設計、金屬海綿高效離心通風器等技術，并已逐步應用到商用發動機中。

為滿足未來商用航空發動機及軍用戰斗機發動機的潤滑系統設計需求，國內主要開展了以下方向的技術研究[3-6]。

（1）潤滑系統的設計與分析技術研究。主要包括潤滑系統循環量的精確設計、熱分析研究、軸承腔油氣2相流流動與換熱研究、滑油通風系統設計與分析基礎研究、仿真技術等內容。國外研究者以大量的軸承和齒輪試驗為基礎，結合先進的CFD流體分析軟件，能夠分析出油氣2相流條件下整個潤滑系統的壓力、流量、溫度場等性能數據，確保軸承及齒輪獲得可靠的潤滑和冷卻數據，并在隨后開展的部件試驗、整機試驗以及飛行驗證試驗中逐步修正完善。

（2）潤滑系統的精確分析及與飛機共同開發的熱管理系統設計技術研究。由于未來航空發動機的熱負荷越來越高，潤滑系統需要帶走的熱量逐漸升高；而飛機由于攜帶的機載設備發熱量也需要燃油進行散熱，使發動機入口的燃油溫度逐步上升。需要更精確的系統熱分析技術，與飛機、燃油系統進行系統優化設計，盡量合理地將熱量產生與發散分配到各個系統狀態運行點。滑油腔的溫度場計算更為精確，2相流的分析進入實際應用階段。準確地給定各摩擦副的供油量，既能保證有效的冷卻效果又不會產生過多的攪拌熱，達到最佳供油狀態。

（3）高效、輕量化的潤滑系統部件設計技術。例如通過新設計技術提升通風器分離和滑油泵工作效率，以達到高轉速、小體積的滑油部件的設計能力。該技術結合燃油附件的小體積技術，可以減少附件機匣的傳動齒輪軸數，進而使發動機附件機匣的外廓尺寸大幅減小；采用新型散熱技術，可以提升潤滑系統散熱器的散熱效率，縮小散熱器體積；應用新材料、新工藝技術來達到潤滑系統各部件輕量化的目的。

（4）潤滑系統全面的試驗驗證技術。與國內現行規定使用的發動機型號規范中的內容相比，在每個型號研制過程中，國外對潤滑系統的試驗項目達20余項，除對組成潤滑系統的各滑油附件進行試驗研究工作外，其在裝至發動機整機之前，還需在潤滑系統的姿態模擬試驗器上開展全狀態、全包線范圍的系統級性能試驗及初始可靠性驗證試驗，這在國內型號研制過程中是望塵莫及的。

（5）滑油的選取范圍更加廣闊。國外在常規的普通型（STD）的潤滑油基礎上，研制了高溫型（HTS）潤滑油，以及防腐型（C/I）潤滑油。其中，高溫型潤滑油在普通型的基礎上，更加注重高溫性能，包括高溫下的油膜強度、抗氧化安定性、結焦特性等。而防腐型潤滑油則更側重防腐性能。此外，國外發動機在潤滑油的使用方面，已經表現出向更趨近于兼顧高、低溫性能且成本低廉的4mm2/s滑油方向發展。

（6）潤滑子系統仿真分析技術快速發展。除目前能夠實現的潤滑油供油子系統的仿真分析計算外，國外對于油氣2相介質的回油和通風子系統的管路流阻和腔壓計算方面更為精確，使得潤滑系統與空氣系統的關聯更加緊密，可精確計算出其在各狀態下的工況參數，既保證各主軸承腔的轉、靜子之間的封嚴壓差，又控制了進入滑油腔的熱空氣量相對較少。

3 密封技術

在軍、民用航空發動機對先進密封技術的緊迫需求條件下，在20世紀80年代，美國為首的航空大國，在IHPTET計劃（綜合高性能渦輪發動機技術）中，多項密封技術被列為攻關項目，如刷密封、氣膜密封、反轉氣膜密封、石墨機械密封、篦齒密封等，并開展了大量分析計算及試驗研究。目前，現有密封技術基本能夠滿足現有軍、民用發動機的使用條件。下一代航空發動機密封技術面臨著更高參數的挑戰，包括高溫、高速、長壽命、無磨損或低磨損、低發熱量等。航空發動機主要密封的技術現狀見表1。

表1 航空發動機現有密封技術現狀

下一代航空發動機對氣路密封及滑油密封的要求使密封技術面臨著更高參數的挑戰，要求其在結構設計、材料應用及計算分析能力上全面提升，才能滿足未來發動機對密封技術的需求。包括更高的使用溫度、密封速度、密封壓差及長壽命和低磨損或無磨損、低發熱量等要求。下一代航空發動機對密封技術的需求指標見表2。

表2 下一代密封技術需求指標

發達國家對密封技術的研究由專業化公司和院校中開展，并由發動機研制部門進行匯總。密封和潤滑專業及發動機空氣系統結合地更加緊密，不單單是設計密封，而是將發動機的密封和潤滑系統、空氣系統結合起來進行設計。尤其注重基礎研究，像新型密封材料、表面處理技術、涂層、結構密封形式、不同配對的密封件和跑道之間的最佳配對，關注最低發熱量、最小磨損和最佳密封效果等。

在提高發動機性能方面，刷式密封等接觸式氣路密封大量應用，可以提高發動機的效率，國內已有專業公司進行刷式密封研究，包括刷絲材料、配偶跑道涂層、刷封和跑道的過盈量、單級承受的壓差、密封的發熱如何排出、刷絲的直徑、低滯后型刷式密封結構、刷絲表面處理等技術。通過上述研究，使刷封得以應用推廣到新型發動機上，從而提高其性能，降低耗油率。

此外，各種新型密封技術日趨成熟，包括帶有蓄能環的唇式密封、靜密封，新型材料的靜密封，O型、C型、E型等金屬密封圈，磁力密封，機械密封等，都是由專業的密封公司設計和制造的，已在航空發動機上得到使用，并廣泛應用到其他領域。

4 主軸軸承

在軸承設計分析技術方面，國外發達國家擁有成熟的軸承系統耦合分析軟件，和大量的使用經驗數據支撐，能夠進行3維數字仿真分析與設計；大量采用了與支撐結構一體化結構的專用軸承，使軸承設計與發動機結構設計融為一體，在保持軸承基本功能的同時，為減輕發動機質量、改善轉子振動特性等作出了重要貢獻。

詳細、嚴謹、科學的計算分析，對軸承的靜態、準動態、動態的分析計算形成分析模式。在常規計算中對軸承供油噴嘴的壓力、最佳供油、表面應力等進行較準確地分析評估。其計算工具經多年完善和試驗數據修正變得更為精確。通過多年的試驗數據統計和積累，數據庫數據齊全，使軸承的設計更能滿足實際需求。通過計算分析并與數據庫的數據進行對比即可估算軸承的初始壽命，并能選取正確的材料、加工參數，使軸承的實際壽命通常高于設計壽命。

在軸承應用技術方面，發動機設計部門聯合軸承企業研發部門，共同制訂了較完善的軸承應用技術規范，建立了較完整的軸承應用數據庫。雙方技術相互滲透、相互促進，在整機設計時充分重視為主軸承工作創造合理的工作環境、防止其他系統及零件對軸承造成傷害；在軸承設計時考慮其對整機性能的影響。軸承工況條件給出的更為全面、準確。軸承公司根據發動機設計人員給出的初始條件進行詳細溝通，并由發動機設計方進行軸承腔的溫度場測量，從而使軸承設計條件更為準確。

國外從第4代軍用發動機開始，主軸軸承與其他結構件同機同壽、視情維護；民機、燃機主軸軸承壽命達到了數萬小時，建立了長壽命軸承壽命評估技術體系，主要根據理論分析結合使用經驗和飛行考核結果給定[13]。

除常規軸承以外，國外已在地面燃機和直升機和新研制的航機上采用了混合陶瓷軸承，利用了陶瓷軸承高強度、低摩擦系數、耐熱及長壽命的特性，為降低整機質量，優化潤滑系統設計提供了條件[14]。

磁浮軸承已被國外列為21世紀先進航空發動機的關鍵高新技術之一，歐美國家投入了大量的資金，期望占領航空高技術領域的制高點[15]。美國在2個徑向和1個軸向磁浮軸承作為發動機轉子支承的單軸發動機模型上成功試驗，軸承最高轉速為22000 r/min，DN值為450萬（mm.r/min），前、后徑向和軸向的軸承載荷分別為18700、17000、12000 N，軸承的工作溫度為510℃。

在軸承試驗研究方面，成熟材料的軸承很少做全尺寸軸承耐久性試驗、基本不做壽命試驗；對于新材料、新結構軸承主要進行軸承零件和系統試驗。國外更加重視軸承基礎研究方面的試驗工作，常規軸承試驗DN值已經達到400萬（mm.r/min）。在軸承試驗設備方面，國外具有多種軸承試驗臺，按用途可分為疲勞、摩擦轉矩、潤滑測試、密封性、通用測試和特殊應用試驗器。具備開展收油效率、溫度場測量、功率消耗、保持架剎車特性、密封溫度和流量、耐久性、加速/減速剎車測試、滑油中斷、失效擴展等試驗能力。

在軸承基礎研究方面，針對軸承損傷擴展與再現、工作面及次表面殘余應力與壽命的關系、滑油污染對壽命的影響等性能方面進行了大量試驗，通過設定材料疲勞壽命極限，發展了軸承新壽命理論，確定各種材料的壽命、潤滑和滑油污染度系數[16-17]。

在軸承先進制造技術方面，向材料表面強化方向發展，領先的2次淬硬技術優化了殘余應力分布，增加了表面硬度，適用于表面應力為2200 MPa以上以及滑油污染度較高的軸承工況條件，其壽命可達到雙真空冶煉M50鋼的14倍。

國外在軸承冷熱加工方面具有完善的標準和嚴格的質量管理體系，加工現場已開始采用流程控制系統對加工過程、熱處理或鍍銀時間進行管理，保證加工一致性，避免受到不同加工者的影響。加工時注重鍛造流線、組織分布、表面應力狀態控制以提高和保證軸承的疲勞壽命；同時，國外已采取一系列有效的無損檢測手段，包括磁粉熒光檢查、酸洗、渦流檢測、X射線衍射儀檢測、巴克豪森噪聲儀檢測等，來控制產品的質量。

在故障診斷方面，分析手段和方法更為科學和齊備，能夠較快定位各類故障并迅速解決。對于軸承的失效分析，國外已建立了軸承失效數據庫，對每次失效的軸承進行拍照、分析、編寫故障特征和原因以及相關信息，庫中含有豐富的軸承失效圖片及信息庫，技術人員可以通過圖片信息比對來分析類似失效故障。

5 國外機械系統研制常規做法

綜上所述，國外在航空發動機機械系統研制過程中的常規做法主要體現在以下方面：

（1）注重設計細節。設計規范中詳細規定了倒角、倒圓、光度、擰緊力矩、不平衡量要求等數值。

（2）注重基礎性試驗。如軸承和齒輪的最佳供油，軸承的抗污染能力，潤滑系統最佳循環量，密封摩擦副的配對試驗，構件的S-N試驗，接觸副的表面應力狀態控制等，注重試驗數據的累積。

（3）專業化設計。機械系統各專業產品的設計加工由專業公司完成，如傳動方面的意大利的愛維歐（AVIO）公司，密封方面的法國圣戈班（Saint Gobain)公司，軸承方面的FAG、SKF公司，潤滑方面的比利時Techspace Aero公司等。

（4）專業化技術咨詢。有些技術難題的解決由專業咨詢公司來完成，由各知名公司的高級技術和軟件專家組成專家組，把解決技術難題的過程做成專業化軟件。例如英國SMT公司等。

（5）主導性設計。以輕量化、簡潔化設計，要求附件廠和飛機部門滿足發動機的要求。設計部門給飛機和附件廠提要求，輸入條件使得設計更簡潔，零件數量極大縮小，可靠性更高。

（6）集成化設計。潤滑系統的許多部件和傳動機匣組合設計，軸承、密封件和發動機主機件設計成一體，附件軸承采用帶有安裝邊的外、內圈，可以減少構件數。減輕質量，提高可靠性。

（7）與其他行業的技術融合。航空業界的專家也是其他行業的專家，高難度的研究項目一般從航空領域開始，研制成功后，移植到其他領域，當然航空領域也要借鑒其他領域的技術。比如汽車行業的傳動、密封技術等。

6 結束語

航空發動機機械系統包含的零部件數量多，涉及的專業技術紛繁復雜，在設計過程中需要注意的問題很多，絕不是一篇文章就能全面概述。在當前的環境條件下，對于傳動、潤滑、密封、主軸軸承4個系統技術的發展，是挑戰，也是機遇。希望從業人員能從設計細節出發，注重積累，用數據說話，重視基礎研究工作；同時建議積極開展國際技術合作，加強航空發動機機械系統專業技術交流。

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（編輯：肖磊）

Study on Aeroengine Mechanical System Technology

CHEN Cong-hui1,GE Quan-jiang2,LI Ji3,XIN Qi1,MAO Hong-tu1
（1.Key Laboratory of Power Transmission Technology for Aeroengine，AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China；2.The Chinese People's Liberation Army(PLA)Customer Representative Office in Harbin Bearing Co.，Ltd，Harbin 150036，China；3.Airforce Military Representative Office in Shenyang,Shenyang 110034,China）

Aiming at characteristics of complicated technology and multiple failure for aeroengine mechanical system,the status and future development trends of four professional technologies including transmission，lubrication，sealing and bearing were illustrated by analyzing the aeroengine mechanical system technology in the world,and conventional method in the development process of the aeroengine mechanical system in the West was concluded and summarized.All in all,the urgent thing is improving the design capability，perfecting the technical design specifications and promoting the mechanical technology levels now.Practitioners should pay attention to detailed design，experience and data accumulation，and basic the fundamental research.Meanwhile，it is a good advice to develop the technological exchange and cooperation of the aeroengine mechanical system in the world.

mechanical system；transmission；lubrication；sealing；bearing；aeroengine

V 233

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.05.018

2014-11-23 基金項目：國家重大基礎研究項目資助

陳聰慧（1964），男，碩士，自然科學研究員，主要從事航空發動機傳動潤滑技術研究工作；E-mail：cch6065@hotmail.com。

陳聰慧，葛泉江，李季，等.航空發動機機械系統技術研究[J].航空發動機，2015，41（5）：86-91.CHEN Conghui，GE Quanjiang，Liji，et al. Study on aeroengine mechanical system technology[J].Aeroengine，2015，41（5）：86- 91.