TRIZ 理論在航空發動機渦輪軸承外環封嚴結構設計中的應用

聶建豪

（中國航發湖南動力機械研究所，中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

在現代航空動力裝置中，主軸軸承是其關鍵件之一，其中位于渦輪處的軸承在高溫、高速及高負荷的條件下運轉，其質量和性能直接影響到了發動機的性能、翻修壽命和可靠性。

在一個典型的航空發動機結構設計中，核心機為單級轉子結構，采用了1-0-1 支點布局方式，在燃氣渦輪轉子后側布置了一個滾棒軸承。為了滿足轉子動力學特性要求，如圖1 所示，軸承外環裝配在軸承座上，兩者之間布置了非定心油膜結構，而后采用外環限位環對軸承外環進行軸向限位，同時控制滑油向右側的泄露。現在需要設計一個壓緊裝置，保持外環限位環壓緊軸承外環的狀態，使軸承座與軸承外環在A 面保持壓緊狀態，控制滑油從A面處泄露。

本文基于TRIZ 理論，針對該技術問題，提出了解決方案。

圖1 軸承結構裝配示意圖

1. TRZI 理論

目前在航空發動機結構設計中，設計師普遍采用了試錯法解決技術難題，因為知識儲備和心理慣性的局限，這種方法的解題過程如圖2 所示，從中可以看出這種方法耗時長，而且難以得到最佳解決方法。

在已知的所有解決問題的方法論中，TRIZ 理論雖然無法解決所有的技術難題，但是它可以解決多數最困難的技術問題。

TRIZ 理論解決問題的一般流程是：在TRIZ 理論中的39 個標準技術參數中選擇適合具體問題的欲改善和欲惡化的技術參數，然后根據所選的這兩個技術參數從矛盾矩陣中找出推薦的發明原理，最后在所推薦的發明原理的啟發下，提出適合具體問題的有效解決方案[1]。

圖2 試錯法解題過程

2.問題分析

在TRIZ 理論中，物質—場分析法是其重要的分析手段，其基本方法是將具體問題涉及的功能抽象出來，然后將所有的功能分解到基本單元，每個基本單元包括兩個物質和一種場[2]。其具體分析問題的過程如下：

指定物質：S1-軸承座；S2-軸承外環；S3-外環限位環。

確定場：F1-機械力場；F2-機械力場；圖3 為物質—場分析圖。

圖3 物質—場分析圖

圖4 物質—場模型

將圖3 所示的系統進行分解后，可運用符號進行表示，如圖4 所示。由物質—場分析模型可得：（1）外環限位環S3 通過機械力場F2 壓緊軸承外環S2；（2）軸承外環S2 通過機械力場F1 壓緊軸承座S1。要求在發動機工作時，軸承座S1 和軸承外環S2 在A 面處始終保持壓緊狀態，控制滑油的泄露，同時也要控制滑油向右側的泄露。

3.問題求解

3.1 確定技術參數

在實際結構設計中，需要控制滑油的泄露量，以維持油膜正常工作，因此欲改善的通用技術參數選擇No.23（物質損失）。

從發動機零件的發展歷程可以看出，發動機的結構越來越復雜，所以選擇No.36（系統的復雜性）作為欲惡化的通用技術參數。

3.2 求通用解—發明原理[3]

在確定通用技術參數后，從矛盾矩陣表中可得到推薦的發明原理。

表1 TRIZ矛盾矩陣表

從表1 可以看出，推薦的發明原理分別是：

3—局部質量原理；

13—反向作用原理；

27—廉價替代品原理；

10—預先作用原理。

3.3 發明原理分析

3—局部質量原理：

（1）在一個物體結構中，將其內部的某種參數從均勻狀態變為非均勻，或把其外部影響因素從均勻狀態變為非均勻；

（2）調整一個物體的各處結構，使其各處結構發揮其最合適的作用；

（3）對一個物體的不同部分進行重組，使其各部分發揮不同的有效功能。

13—反向作用原理：

（1）將原來的動作反向（例如用“冷卻”替代“加熱”）；

（2）針對需求所規定的動作，采用其相反的動作（比如，機加過程中刀具不動而零件轉動，現在改為刀具轉動而零件不動）；

（3）將固定的外界環境改為全部或部分可移動，或者將移動的外界環境固定；

（4）把物體或過程顛倒過來。

27—廉價替代品原理：

用多個廉價的物體替代一個昂貴的物體（比如用一次性產品替代耐用品，避免清洗和儲藏的費用）。

10—預先作用原理：

（1）在需求之前，預先對一個物體進行全部或局部改變（例如自粘郵票）；

（2）對物體進行預先安置，使其可以在最方便的地方起作用，而且節省運送時間。

4.解決方案

結合推薦的發明原理，進行了以下的分析：

思路1：發明原理3（局部質量原理）可以啟發我們設計若干個彈性件壓住外環限位環，而再通過螺栓結構將彈性件固定在軸承座上。

思路2：發明原理13（反向作用原理）可以啟發我們在軸承座A 面處布置動態封嚴結構。

思路3：發明原理27（廉價替代品原理）可以啟發我們采用橡膠圈等結構壓住外環限位環。

思路4：發明原理10（預先作用原理）可以啟發我們采用異形圈對外環限位環進行壓緊和封嚴。

綜上所述，同時考慮方案的可行性和可靠性，現不考慮思路2 和3，而基于思路1 和4 提出相應的結構方案。

4.1 結構方案一

根據思路1，提出了如圖5 所示的結構，在外環限位環后面增加幾片彈性壓片，同時采用螺栓結構將彈性壓片固定在軸承座上，工作條件下，壓片保持壓緊狀態，確保A 面貼緊。

圖5 結構方案1

4.2 結構方案二

根據思路4，提出了如圖6 所示的結構，用異形環替代外環限位環，采用螺旋擋圈將其與軸承外環軸向相互壓緊。

圖6 結構方案2

5.結論

針對軸承外環封嚴問題，本文采用了TRIZ 理論進行了相關的分析，其中：

（1）本文采用了物質—場分析法將具體問題進行了定義，并將問題模型化。

（2）本文采用了TRIZ 矛盾矩陣得出了推薦的發明原理，提出了4 種備選思路，通過綜合分析，提出了兩種結構方案。