唐元恒，鄒剛，劉振崗

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

唐元恒，鄒剛，劉振崗

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

結(jié)合國內(nèi)外的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)發(fā)展實(shí)際情況，對(duì)其中的傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)、潤滑系統(tǒng)技術(shù)、主軸承系統(tǒng)技術(shù)以及密封技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了著重分析。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；機(jī)械系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)分析

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有相當(dāng)高的精密性與復(fù)雜性，各個(gè)零部件之間又有著密切的關(guān)聯(lián)性，所以相關(guān)技術(shù)人員再進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造過程中，不僅會(huì)用到大量的機(jī)械零部件，而且自身還需掌握各個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，能夠全面把握航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的技術(shù)性要求。這就在無形之中對(duì)技術(shù)人員提出了更高的要求，只有明確技術(shù)關(guān)鍵，擁有過硬的專業(yè)技術(shù)知識(shí)，才能夠在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)靈活的運(yùn)用進(jìn)而推動(dòng)我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

為了能夠促進(jìn)我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，縮小與國外發(fā)達(dá)國家之間的技術(shù)差距，需要我國廣大的科技工作者在開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)、潤滑系統(tǒng)技術(shù)、主軸承系統(tǒng)技術(shù)以及密封技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面的了解把握。就國外先進(jìn)國家的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)際情況來看，其技術(shù)是在鋼鐵、船舶、機(jī)床、化工、汽車等眾多領(lǐng)域的技術(shù)為基礎(chǔ)并與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的具體需求進(jìn)行有機(jī)結(jié)合進(jìn)行研發(fā)而成的。反觀我國現(xiàn)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(jìn)等初級(jí)階段，不僅涉及的方法、試驗(yàn)、裝配、載荷等方面存在不足，而且其基礎(chǔ)能力欠缺的問題尤為突出。因此，希望通過此次研究能夠?yàn)閲鴥?nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)方面提供切實(shí)有力的幫助。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)

傳動(dòng)裝置作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究的重難點(diǎn)內(nèi)容，一直廣受關(guān)注。當(dāng)今國內(nèi)外對(duì)航空發(fā)送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)研究的主要方向是：在確保其能夠正常工作的基礎(chǔ)上，將傳動(dòng)系統(tǒng)的體積與重量控制在最小的范圍內(nèi)，不僅能夠提升傳動(dòng)系統(tǒng)的使用周期，還能夠節(jié)約制造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。目前，國外不僅發(fā)展出較為完備的計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)，而且還擁有先進(jìn)的強(qiáng)度與性能測(cè)試技術(shù)，通過對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的所有部件進(jìn)行計(jì)算，能夠?qū)⑵涫芰εc變形對(duì)本身以及其他部件產(chǎn)生的影響進(jìn)行靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)兩方面的分析，并且計(jì)算結(jié)果具有高度的準(zhǔn)確性與真實(shí)性[1]。與此同時(shí)，得益于齒輪動(dòng)態(tài)技術(shù)的進(jìn)步，傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲（Noise）、振動(dòng)（Vibration）、聲振粗糙度（Harshness）也開始加大研究的步伐，能夠?qū)?duì)齒輪的齒形誤差與隨之造成的其他問題進(jìn)行有效地評(píng)估。與此同時(shí)，還可以對(duì)齒輪構(gòu)件進(jìn)行疲勞與壽命的相關(guān)性實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)得出的S-N曲線進(jìn)行分析，能夠精確的對(duì)齒輪的使用時(shí)間做出判斷，促進(jìn)其疲勞強(qiáng)度增加。此外，還可以利用齒輪磨損對(duì)比試驗(yàn)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?？傊?，國外的航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)在通過以上一系列實(shí)驗(yàn)后能夠獲取大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上形成自己龐大的數(shù)據(jù)庫自愿，以滿足自身的設(shè)計(jì)需求。

由于我國的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與國外相比確實(shí)存在著明顯的差距，因此傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)也與存在不足的情況，尤其以附件集成整合、整體動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)與齒輪嚙合仿真技術(shù)等方面的差距尤為顯著。由于上述原因，我國的發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)普遍存在著體積與重量較大、軸數(shù)量較多以及傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)等問題，嚴(yán)重制約了傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展。

2 潤滑系統(tǒng)技術(shù)

潤滑系統(tǒng)，簡(jiǎn)言之在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，為了保證期能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦表面覆蓋一層機(jī)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(jìn)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(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用時(shí)間。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑與其運(yùn)行狀態(tài)有著直接的關(guān)系，所以潤滑系統(tǒng)的精細(xì)化發(fā)展程度越來越深。就國外的發(fā)展情況來說，自上世紀(jì)以來，發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)技術(shù)領(lǐng)先的美國等歐美國家已經(jīng)開始對(duì)潤滑系統(tǒng)進(jìn)行研究。在本世紀(jì)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(yè)與軍事領(lǐng)域的航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)潤滑系統(tǒng)項(xiàng)目，歷經(jīng)數(shù)年，為取得技術(shù)突破，對(duì)仿真以及新材料的研究進(jìn)行了無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，最終取得了豐碩的成果。例如開發(fā)出新型電驅(qū)動(dòng)潤滑油泵、金屬海綿高效離心通風(fēng)器等，使得潤滑系統(tǒng)中的防火技術(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔內(nèi)的流動(dòng)與換熱技術(shù)不斷優(yōu)化與改善[2]。

目前我國的發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展還不盡如人意，但是隨著人們對(duì)其重視程度不斷加深，我國也開始加大對(duì)其研究步伐，未來主要朝著以下幾方面進(jìn)行研究。首先是超高溫潤滑油的使用。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在使用超高溫潤滑油的狀態(tài)下進(jìn)行分析，評(píng)估出超高溫潤滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承腔隔熱、空氣系統(tǒng)帶來的影響，同時(shí)要對(duì)適滑油箱以及散熱器等技術(shù)進(jìn)行研究，從而減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，提高使用性能，此外，還要考慮到總體設(shè)計(jì)以及空氣系統(tǒng)；其次是潤滑油系統(tǒng)熱計(jì)算不斷朝著精確化的方向發(fā)展。利用現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)算法技術(shù)不斷優(yōu)化計(jì)算方法，通過實(shí)驗(yàn)的手段獲取軸承腔內(nèi)、外的熱傳遞性能，了解各個(gè)附件的載荷譜與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；最后是對(duì)不斷優(yōu)化與完善對(duì)潤滑系統(tǒng)的檢測(cè)體系。通過建立與完善潤滑系統(tǒng)的檢測(cè)體系，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)中存在的安全隱患問題，進(jìn)而能夠采取有針對(duì)性的預(yù)防與解決措施，將安全事故的發(fā)生率降到最低。此外，還需要加大對(duì)新型檢測(cè)傳感器的研究，使其能夠更好地服務(wù)于發(fā)動(dòng)機(jī)PHM系統(tǒng)。

3 主軸承系統(tǒng)技術(shù)

由于主軸承既可以起到支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體的作用，而且還能夠有效地降低運(yùn)行過程中的摩擦力，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起到了強(qiáng)有力的保障。對(duì)于國外的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸承設(shè)計(jì)技術(shù)來說，不僅有著專業(yè)的軸承系統(tǒng)耦合分析軟件，而且經(jīng)過漫長(zhǎng)的發(fā)展及通過不斷地研究實(shí)驗(yàn)還獲取了大量的數(shù)據(jù)資料以及豐富的經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字仿真設(shè)計(jì)與研究。與此同時(shí)，在主軸軸承的設(shè)計(jì)制造方面，還大規(guī)模的應(yīng)用了二次碎硬技術(shù)，進(jìn)而能夠?qū)χ圃鞎r(shí)產(chǎn)生的剩余應(yīng)力進(jìn)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(yīng)力使用要求。

我國現(xiàn)今在軸承技術(shù)的應(yīng)用方面也逐漸起步，軸承研發(fā)部門與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)部門之間進(jìn)行全面合作，在實(shí)際需求的基礎(chǔ)上一同對(duì)軸承的應(yīng)用要求制定出科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，通過大量的實(shí)驗(yàn)研究得到相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上建立起較為成熟的軸承應(yīng)用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。不僅如此，兩部門還在設(shè)計(jì)工作中對(duì)專業(yè)技術(shù)進(jìn)行研究，在對(duì)整機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)加大對(duì)主軸承的設(shè)計(jì)工作環(huán)境的關(guān)注力度，有效地避免發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部件對(duì)軸承造成不必要的破壞。

4 密封技術(shù)

國外的發(fā)動(dòng)機(jī)密封技術(shù)大都是在專業(yè)程度較高的高校以及企業(yè)中進(jìn)行，并且有專門的發(fā)動(dòng)機(jī)研制機(jī)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)分析。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)研究設(shè)計(jì)時(shí)，不僅僅要注重密封技術(shù)，還要將密封與發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)等其他相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，注重對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能進(jìn)行提升。其中，對(duì)于密封技術(shù)來說，主要是對(duì)新型密封材料、密封的方式、相應(yīng)的密封零部件與機(jī)場(chǎng)跑之間最佳組合等方面進(jìn)行著重研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磨損程度最小以及密封效果最大度的目標(biāo)。

目前條件下的密封技術(shù)分為以下三種：首先是端面密封，主要有密封圈、動(dòng)環(huán)等部件，通過將這些部件安裝在傳動(dòng)軸中能夠有效地提升密封的效果；其次是技術(shù)密封技術(shù)，使用技術(shù)密封，主要是利用專門的金屬刷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的部件進(jìn)行處理，通過靜件與動(dòng)件之間的有效聯(lián)系能夠?qū)崿F(xiàn)理想的密封效果；最后是迷宮密封技術(shù)，使用迷宮密封技術(shù)時(shí)，需要注意對(duì)轉(zhuǎn)軸周邊進(jìn)行一圈環(huán)形的密封齒輪設(shè)計(jì)，這樣一來，對(duì)應(yīng)的齒輪就會(huì)產(chǎn)生間隙，進(jìn)而達(dá)到密封的目的。

5 結(jié)論

綜上所述，盡管我國與國外先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械技術(shù)強(qiáng)國之間還存在著明顯的差距，但是只要能夠明確設(shè)計(jì)制造時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)，才能夠在實(shí)際的工作中有目的的開展各個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出符合我國實(shí)際發(fā)展需要的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)。

[1]陳聰慧，葛泉江，李季，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2015，41（5）：86-91.

[2]姜會(huì)澤，費(fèi)逸偉，姚婷，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵材料技術(shù)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。