李宏新，李國權(quán)

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

0 引言

航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)子需以軸承來支撐，而功率提取仍以機械傳動為基礎(chǔ)。航空發(fā)動機動力傳輸系統(tǒng)又稱為航空發(fā)動機機械系統(tǒng)（以下稱機械系統(tǒng)），包含傳動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、主軸軸承、主軸密封系統(tǒng)4大部分。隨著航空發(fā)動機的發(fā)展，機械系統(tǒng)的重要性被逐漸體現(xiàn)，成為繼壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、控制系統(tǒng)之后的發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的六大部件(系統(tǒng))之一。由于新一代先進航空發(fā)動機對機械系統(tǒng)提出更高更新的要求，決定了其必須具有體積小、質(zhì)量輕、安全性高、可靠性高等性能特點，而且其在發(fā)動機上實現(xiàn)的功能多、組成構(gòu)件多，又決定了其在發(fā)動機上的可靠性相對偏低。近年來，中國航空發(fā)動機技術(shù)已經(jīng)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(jù)相關(guān)資料，對航空發(fā)動機機械系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，并指出中國在該系統(tǒng)的研究中所存在的主要技術(shù)問題，提出未來發(fā)動機機械系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向。

1 航空發(fā)動機機械系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展趨勢與特點概述

美、俄、英、法等國極其重視航空推進技術(shù)的發(fā)展，投入巨資進行了一系列航空推進技術(shù)基礎(chǔ)研究，先后為F-22、F-35、T50、EF2000等新一代戰(zhàn)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(fā)動機和功質(zhì)比為10.4的T800渦軸發(fā)動機。為了滿足高性能發(fā)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(tǒng)設(shè)計概念”（ATOS）研究項目[1]，以提升發(fā)動機的性能、提高可靠性、降低污染、減輕質(zhì)量、降低成本和縮短研制周期。美國F100發(fā)動機在已經(jīng)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(chǎn)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(fā)動機開始技術(shù)驗證機研制，至2005年12月裝備作戰(zhàn)部隊具備初步作戰(zhàn)能力（IOC），共經(jīng)歷了22年，在F119發(fā)動機EMD階段，共組建了近100個一體化產(chǎn)品小組，其中包括5個機械系統(tǒng)專業(yè)的一體化產(chǎn)品小組。

國外航空傳動系統(tǒng)設(shè)計公司在傳動系統(tǒng)研制過程中有著完整的設(shè)計軟件及配套的各種強度及性能測試試驗技術(shù)。在設(shè)計中，將各個部件的受力和變形等對其自身和相關(guān)聯(lián)部件產(chǎn)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(tài)和動態(tài)，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(shù)據(jù)，以獲得精確的應力水平。設(shè)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(zhì)比，發(fā)動機傳動系統(tǒng)與附件采用一體化設(shè)計技術(shù)。重視高速齒輪的動力學研究和動態(tài)設(shè)計，并在相應的規(guī)范中做了明確規(guī)定。在大涵道比發(fā)動機上，開展了齒輪傳動風扇的大功率傳動技術(shù)研究和驗證，已開始型號研制；隨著軍用多用途殲擊機的發(fā)展，開展了升力風扇傳動技術(shù)的研究，已經(jīng)應用在F135發(fā)動機上，使得美國聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機（JSF）F-35飛機技術(shù)得到進一步提升。

目前，齒輪傳動仍是發(fā)動機傳動系統(tǒng)的主要形式,但根據(jù)有關(guān)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(fā)動機傳動系統(tǒng)的發(fā)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(tǒng)設(shè)計技術(shù)的研究、潤滑系統(tǒng)部件的研究及高溫潤滑油的應用研究一直是航空發(fā)動機技術(shù)研究的重點之一。在潤滑系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)方面，其主要是在潤滑系統(tǒng)循環(huán)量的精確設(shè)計、熱分析、軸承腔油氣二相流流動與換熱、滑油通風系統(tǒng)設(shè)計與分析和仿真技術(shù)等領(lǐng)域開展了大量基礎(chǔ)研究。在部件方面，各個部件從高速、高效、緊湊、輕質(zhì)量、小外廓等方面進行先進技術(shù)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(shè)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(fā)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(tǒng)中，其最高使用溫度達到260℃，比現(xiàn)有Ⅱ型滑油提高了50℃。

先進發(fā)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(shè)計，已給發(fā)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(nèi)性能更穩(wěn)定的氣膜密封正在積極研究。

發(fā)達國家一直把主軸軸承看作與發(fā)動機3大部件同等重要。在進行的發(fā)動機主軸軸承試驗時數(shù)已達到30余萬小時，試驗DN值達4百萬，并開發(fā)了SHABERTH和CYBEAN2個大型經(jīng)典軸承計算分析程序。從發(fā)展趨勢上看，國外新型發(fā)動機主軸軸承結(jié)構(gòu)與發(fā)動機總體結(jié)合越來越緊密，主軸承內(nèi)環(huán)趨向于與發(fā)動機主軸一體化，主軸承外環(huán)與安裝邊一體化，這有助于減少零件數(shù)量、減輕發(fā)動機質(zhì)量、提高發(fā)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(jīng)在發(fā)動機上得到應用，磁浮軸承也正在開展工程應用技術(shù)研究。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)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(fā)動機的仿制和研制工作，經(jīng)歷了由測繪仿制、改進改型到自行研制的發(fā)展階段，初步建立了科研生產(chǎn)和維護保障體系。步入80年代后期，結(jié)合第3代太行發(fā)動機的研制，對推質(zhì)比8一級渦扇發(fā)動機的設(shè)計技術(shù)進行了廣泛研究，至21世紀初期實現(xiàn)了航空發(fā)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(fā)動機工程研制。機械系統(tǒng)的研究已逐步從測繪研制走向了自行設(shè)計的道路。林基恕于2005年編著的《航空燃氣渦輪發(fā)動機機械系統(tǒng)設(shè)計》[2]一書較為詳細地闡述了機械系統(tǒng)4大專業(yè)的原理、系統(tǒng)計算、部件原理、部件設(shè)計、典型部件、狀態(tài)監(jiān)測等。該論著在中國是首次對航空發(fā)動機機械系統(tǒng)進行系統(tǒng)的論述，標志著中國航空發(fā)動機機械系統(tǒng)設(shè)計基本走出了仿制道路。另外，對滑油系統(tǒng)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(fā)展了基于有限元和網(wǎng)絡(luò)法的滑油系統(tǒng)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(shè)計水平，在不明顯增加傳動系統(tǒng)質(zhì)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(shù)得到工程應用，指尖密封取得突破性進展。

1.3 突破關(guān)鍵技術(shù)

隨著高推比發(fā)動機及長壽命大涵道比發(fā)動機的發(fā)展，中國對機械系統(tǒng)開展了大量的研究工作，采取多種措施滿足高推質(zhì)比、長壽命、高可靠性的目標，突破了一些關(guān)鍵技術(shù)，基本建成了機械系統(tǒng)設(shè)計體系，使中國發(fā)動機機械系統(tǒng)的研制上了1個新臺階，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

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

（2）針對潤滑系統(tǒng)開展了將滑油箱等滑油附件與附件機匣一體化設(shè)計，開展了滑油系統(tǒng)的熱分析技術(shù)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(jiān)控和預測發(fā)動機滑油系統(tǒng)狀態(tài)的健康管理技術(shù)研究。

（3）刷式密封技術(shù)在設(shè)計、制造工藝、對偶摩擦涂層的篩選等方面實現(xiàn)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(xiàn)了工程應用。

（4）在主軸軸承技術(shù)方面，開發(fā)了軸承分析設(shè)計軟件，研制了多型新材料，優(yōu)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(shè)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(tǒng)構(gòu)件多和使用環(huán)境惡劣等特點，決定了其在發(fā)動機上較低的可靠性，據(jù)資料顯示，目前國內(nèi)外在役發(fā)動機中，2/3的故障是產(chǎn)生于機械系統(tǒng)及燃油系統(tǒng)，對此，需要解決如下主要問題：

（1）設(shè)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(shè)計的規(guī)范作用。

（2）設(shè)計理念需要持續(xù)改變。要改變附件傳動設(shè)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(shè)計適應附件機匣的轉(zhuǎn)速及外廓，采用一軸多附件優(yōu)化設(shè)計，大大減少傳動軸數(shù)量，提高可靠性和維護性。

（3）不斷改善相關(guān)專業(yè)發(fā)展的制約，一部分附件設(shè)計落后，部分封嚴引氣參數(shù)、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(tǒng)動態(tài)性測試技術(shù)的應用還有待提高。

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

（5）一些基礎(chǔ)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(shù)、軸承定壽等技術(shù)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(xiàn)在模擬真實環(huán)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(yè)技術(shù)水平的制約，工藝精細化與規(guī)范化程度不足，有些設(shè)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(fā)動機可靠性的降低。

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

3 技術(shù)發(fā)展方向

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

3.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計滿足高推質(zhì)比、高可靠性和長壽命的設(shè)計要求

（1）針對在役發(fā)動機傳動系統(tǒng)進行深化驗證，開展系統(tǒng)研究。重點針對附件機匣在工作及安裝狀態(tài)的受力變形及工作狀態(tài)進行仿真分析，解決在役發(fā)動機附件機匣的軸承襯套、套齒等的磨損以及高速質(zhì)載齒輪的壽命問題；實現(xiàn)對整個齒輪傳動系統(tǒng)在接近發(fā)動機實際工作狀態(tài)下動態(tài)分析，解決發(fā)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(shù)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(shù)途徑，實現(xiàn)附件機匣與滑油系統(tǒng)附件一體化設(shè)計技術(shù)的突破，通過轉(zhuǎn)變設(shè)計理念，實現(xiàn)大規(guī)模減質(zhì)，以滿足高推質(zhì)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(shù)量。

（3）開展先進發(fā)動機的載荷譜技術(shù)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(zhì)載齒輪的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究，以期在新材料及先進設(shè)計技術(shù)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(shù)研究，對齒輪軸支點布局形式、軸承安裝形式、機匣內(nèi)摩擦副的潤滑等進行深入分析。

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

3.2 降低滑油系統(tǒng)部件質(zhì)量和滑油消耗量，提高系統(tǒng)可靠性

（1）針對在役發(fā)動機的滑油系統(tǒng)使用中存在的各種問題，以提高發(fā)動機可靠性為中心進行滑油系統(tǒng)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(yōu)化等問題。開展軸承供油量和發(fā)熱量的關(guān)系計算分析、攪拌熱對回油溫度的影響分析、燃油系統(tǒng)/滑油系統(tǒng)/散熱系統(tǒng)的交互影響分析、對轉(zhuǎn)中介軸承最佳供油量的試驗以及故障診斷技術(shù)等研究工作。開展?jié)櫥到y(tǒng)軸承腔及通風系統(tǒng)計算方法、數(shù)值模擬及仿真分析、參數(shù)測試、新結(jié)構(gòu)離心通風器等研究和驗證，掌握滑油系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)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(shù)等滿足高推質(zhì)比的需要，探索Ⅲ型高溫潤滑油的應用技術(shù)研究；進行二相流條件下的滑油系統(tǒng)的精確熱分析和系統(tǒng)全流路仿真，合理協(xié)調(diào)散熱器在燃油路中的位置，將滑油熱管理系統(tǒng)與燃油系統(tǒng)、飛機的熱管理系統(tǒng)進行一體化設(shè)計、充分協(xié)調(diào)燃油、飛機與滑油熱管理系統(tǒng)的關(guān)系，使熱管理系統(tǒng)實現(xiàn)高效、合理。

（3）進行高效（蜂窩及金屬海綿型）油氣分離器技術(shù)以及低滑油消耗量的總體技術(shù)研究，并進行滑油系統(tǒng)附件全壽命期試驗研究，進行新型滑油屑沫檢測技術(shù)研究，以適應發(fā)動機PHM系統(tǒng)的需要，提升發(fā)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(tǒng)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(zhuǎn)軸間接觸式密封、反轉(zhuǎn)軸間氣膜密封技術(shù)等；另一方面，研究新型無滯后刷式密封以及指尖密封技術(shù)，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(shù)研究

進行長壽命主軸承設(shè)計技術(shù)、熱分析技術(shù)、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(shù)、磨損壽命試驗技術(shù)、陶瓷混合軸承設(shè)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(shù)、抗疲勞制造技術(shù)、殘余應力控制技術(shù)、2次淬硬技術(shù)、軸承無損檢測技術(shù)等。

3.5 開展新技術(shù)研究

當前，世界多電或全電發(fā)動機研制取得了較大進展，其中磁浮軸承與電動滑油系統(tǒng)附件的技術(shù)研究取得突破。磁浮軸承技術(shù)代表著發(fā)動機轉(zhuǎn)子支承的1種革新方法，其成功應用將使未來發(fā)動機具有新的特征：發(fā)動機質(zhì)量減輕，取消滑油系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)，減少功率消耗，簡化軸承腔密封結(jié)構(gòu)，減小葉尖和密封間隙、減少飛機機動飛行時轉(zhuǎn)子與機匣的偏移，減少封嚴用氣，具有優(yōu)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(chǔ)和應用研究，突破一批關(guān)鍵技術(shù)，包括高精度、高穩(wěn)定性專用傳感器技術(shù)、高穩(wěn)定性專用功率放大器技術(shù)、高溫磁浮軸承設(shè)計與制造、高性能輔助軸承設(shè)計與制造、小型化磁浮軸承電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與制造、內(nèi)置式起動/發(fā)電機與磁浮軸承集成一體化技術(shù)研究。

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

4 結(jié)束語

綜上所述，航空發(fā)動機機械系統(tǒng)應著重圍繞以下方面重點發(fā)展：

（1）針對使用中存在的問題，對現(xiàn)役發(fā)動機進行深化驗證，實現(xiàn)自主保障。

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

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

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

（5）跟蹤國際先進發(fā)動機技術(shù)，加快磁浮軸承及多電發(fā)動機技術(shù)研究。

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

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