國內外航空發動機機械系統的關鍵技術分析

唐元恒，鄒剛，劉振崗

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

國內外航空發動機機械系統的關鍵技術分析

唐元恒，鄒剛，劉振崗

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

結合國內外的航空發動機機械系統發展實際情況，對其中的傳動系統技術、潤滑系統技術、主軸承系統技術以及密封技術等關鍵技術進行了著重分析。

航空發動機；機械系統；關鍵技術分析

由于航空發動機具有相當高的精密性與復雜性，各個零部件之間又有著密切的關聯性，所以相關技術人員再進行航空發動機的設計制造過程中，不僅會用到大量的機械零部件，而且自身還需掌握各個領域的專業知識，能夠全面把握航空發動機制造的技術性要求。這就在無形之中對技術人員提出了更高的要求，只有明確技術關鍵，擁有過硬的專業技術知識，才能夠在實際的設計過程中實現靈活的運用進而推動我國航空發動機系統的長遠發展。

為了能夠促進我國航空發動機技術的進步，縮小與國外發達國家之間的技術差距，需要我國廣大的科技工作者在開展航空發動機機械系統的設計時，對航空發動機機械系統的傳動系統技術、潤滑系統技術、主軸承系統技術以及密封技術等關鍵技術進行全面的了解把握。就國外先進國家的航空發動機機械系統的實際情況來看，其技術是在鋼鐵、船舶、機床、化工、汽車等眾多領域的技術為基礎并與航空發動機的具體需求進行有機結合進行研發而成的。反觀我國現狀，有大量的研究單位的能力仍然停留在仿制、排故以及改進等初級階段，不僅涉及的方法、試驗、裝配、載荷等方面存在不足，而且其基礎能力欠缺的問題尤為突出。因此，希望通過此次研究能夠為國內航空發動機機械系統的關鍵技術方面提供切實有力的幫助。

1 傳動系統技術

傳動裝置作為航空發動機研究的重難點內容，一直廣受關注。當今國內外對航空發送機傳動系統技術研究的主要方向是：在確保其能夠正常工作的基礎上，將傳動系統的體積與重量控制在最小的范圍內，不僅能夠提升傳動系統的使用周期，還能夠節約制造成本，提高經濟效益。目前，國外不僅發展出較為完備的計算機分析系統，而且還擁有先進的強度與性能測試技術，通過對傳動系統的所有部件進行計算，能夠將其受力與變形對本身以及其他部件產生的影響進行靜態以及動態兩方面的分析，并且計算結果具有高度的準確性與真實性[1]。與此同時，得益于齒輪動態技術的進步，傳動系統的噪聲（Noise）、振動（Vibration）、聲振粗糙度（Harshness）也開始加大研究的步伐，能夠對對齒輪的齒形誤差與隨之造成的其他問題進行有效地評估。與此同時，還可以對齒輪構件進行疲勞與壽命的相關性實驗，通過對得出的S-N曲線進行分析，能夠精確的對齒輪的使用時間做出判斷，促進其疲勞強度增加。此外，還可以利用齒輪磨損對比試驗分析在噴油不同的情況下，齒輪的升溫與磨損的情況存在哪些具體差異。總之，國外的航空發動機傳動系統技術在通過以上一系列實驗后能夠獲取大量的基礎數據，在此基礎上形成自己龐大的數據庫自愿，以滿足自身的設計需求。

由于我國的航空發動機機械系統關鍵技術與國外相比確實存在著明顯的差距，因此傳動系統技術也與存在不足的情況，尤其以附件集成整合、整體動態化設計與齒輪嚙合仿真技術等方面的差距尤為顯著。由于上述原因，我國的發動機傳動系統普遍存在著體積與重量較大、軸數量較多以及傳動鏈較長等問題，嚴重制約了傳動系統的發展。

2 潤滑系統技術

潤滑系統，簡言之在發動機工作時，為了保證期能夠正常運轉，需要在發動機內部的摩擦表面覆蓋一層機油或者是油脂等潤滑劑，使得不同的金屬表層之間都能夠形成一層油膜，進而減少器件之間的摩擦力，降低器件的功率損耗與磨損力度，延長發動機的使用時間。由于發動機的潤滑與其運行狀態有著直接的關系，所以潤滑系統的精細化發展程度越來越深。就國外的發展情況來說，自上世紀以來，發動機研發技術領先的美國等歐美國家已經開始對潤滑系統進行研究。在本世紀初，以英國、法國、德國、意大利等歐洲國家為代表的歐盟國家開始攜手開始研究用于商業與軍事領域的航空發動機傳動潤滑系統項目，歷經數年，為取得技術突破，對仿真以及新材料的研究進行了無數次的實驗，最終取得了豐碩的成果。例如開發出新型電驅動潤滑油泵、金屬海綿高效離心通風器等，使得潤滑系統中的防火技術與發動機軸承腔內的流動與換熱技術不斷優化與改善[2]。

目前我國的發動機潤滑系統技術發展還不盡如人意，但是隨著人們對其重視程度不斷加深，我國也開始加大對其研究步伐，未來主要朝著以下幾方面進行研究。首先是超高溫潤滑油的使用。通過對發動機在使用超高溫潤滑油的狀態下進行分析，評估出超高溫潤滑油對發動機的軸承腔隔熱、空氣系統帶來的影響，同時要對適滑油箱以及散熱器等技術進行研究，從而減輕發動機的重量，提高使用性能，此外，還要考慮到總體設計以及空氣系統；其次是潤滑油系統熱計算不斷朝著精確化的方向發展。利用現在的計算機算法技術不斷優化計算方法，通過實驗的手段獲取軸承腔內、外的熱傳遞性能，了解各個附件的載荷譜與溫度之間的對應關系；最后是對不斷優化與完善對潤滑系統的檢測體系。通過建立與完善潤滑系統的檢測體系，能夠及時發現發動機潤滑系統中存在的安全隱患問題，進而能夠采取有針對性的預防與解決措施，將安全事故的發生率降到最低。此外，還需要加大對新型檢測傳感器的研究，使其能夠更好地服務于發動機PHM系統。

3 主軸承系統技術

由于主軸承既可以起到支撐機械旋轉體的作用，而且還能夠有效地降低運行過程中的摩擦力，因此對發動機的正常運轉起到了強有力的保障。對于國外的航空發動機的主軸承設計技術來說，不僅有著專業的軸承系統耦合分析軟件，而且經過漫長的發展及通過不斷地研究實驗還獲取了大量的數據資料以及豐富的經驗，從而實現了三維數字仿真設計與研究。與此同時，在主軸軸承的設計制造方面，還大規模的應用了二次碎硬技術，進而能夠對制造時產生的剩余應力進行合理的解決，增加了軸承表層的硬度性能，因此能夠滿足更高的應力使用要求。

我國現今在軸承技術的應用方面也逐漸起步，軸承研發部門與發動機設計部門之間進行全面合作，在實際需求的基礎上一同對軸承的應用要求制定出科學的標準，通過大量的實驗研究得到相應的基礎數據，并在此基礎上建立起較為成熟的軸承應用數據庫系統。不僅如此，兩部門還在設計工作中對專業技術進行研究，在對整機進行設計時加大對主軸承的設計工作環境的關注力度，有效地避免發動機的其他部件對軸承造成不必要的破壞。

4 密封技術

國外的發動機密封技術大都是在專業程度較高的高校以及企業中進行，并且有專門的發動機研制機構進行總結分析。在進行發動機研究設計時，不僅僅要注重密封技術，還要將密封與發動機的空氣系統等其他相關系統進行有機結合，注重對發動機的整體性能進行提升。其中，對于密封技術來說，主要是對新型密封材料、密封的方式、相應的密封零部件與機場跑之間最佳組合等方面進行著重研究，進而實現磨損程度最小以及密封效果最大度的目標。

目前條件下的密封技術分為以下三種：首先是端面密封，主要有密封圈、動環等部件，通過將這些部件安裝在傳動軸中能夠有效地提升密封的效果；其次是技術密封技術，使用技術密封，主要是利用專門的金屬刷對發動機中的部件進行處理，通過靜件與動件之間的有效聯系能夠實現理想的密封效果；最后是迷宮密封技術，使用迷宮密封技術時，需要注意對轉軸周邊進行一圈環形的密封齒輪設計，這樣一來，對應的齒輪就會產生間隙，進而達到密封的目的。

5 結論

綜上所述，盡管我國與國外先進的航空發動機機械技術強國之間還存在著明顯的差距，但是只要能夠明確設計制造時的關鍵技術，才能夠在實際的工作中有目的的開展各個關鍵系統的設計，進而設計出符合我國實際發展需要的航空發動機機械系統。

[1]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.

[2]姜會澤，費逸偉，姚婷，等.航空發動機結構及其關鍵材料技術分析[J].廣州化工，2014（15）：45-47.

Key Technology Analysis of Aero-Engine Mechanical System at Home and Abroad

TANG Yuan-heng，ZOU Gang，LIU Zhen-gang
（Naval Aeronautical Engineering Institute，Qingdao Shandong 266041，China）

In this paper，combined with the development of aeroengine mechanical system at home and abroad，the key technologies such as transmission system technology，lubrication system technology，main bearing system technology and sealing technology are analyzed emphatically.

aeroengine；mechanical system；key technical analysis

V233.4

A

1672-545X（2017）06-0189-03

2017-03-29

唐元恒（1974-），男，山東萊蕪人，碩士研究生，工程師，研究方向：裝備綜合保障。