沈伟

摘要： 航空发动机机械系统主要包括传动系统、润滑系统、密封系统以及主轴轴承系统这四个部分，该机械系统具有结构复杂、故障频发和涉及学科内容多等的特点，而从我国既有航空发动机机械系统故障统计数据来看，其故障发生概率始终居高不下，这与设计人员水平低下、装配手段落后以及投资力度小等的方面具有直接的关系。因此，探究航空发动机机械系统技术具有极其重要的现实意义。

Abstract： Aircraft engine system mainly includes the mechanical transmission system， lubrication system， sealing system and the spindle bearing system which four parts， the mechanical system has complex structure， frequent failure and subject involving many characteristics， such as from both aircraft engine mechanical system fault statistics in our country， its failure probability is always high， This is directly related to the low level of designers， backward means of assembly and small investment. Therefore， it is of great practical significance to explore the mechanical system technology of aeroengine.

关键词： 航空发动机;机械系统;技术探究

Key words： aeroengine;mechanical system;technical inquiry

中图分类号：V23                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0068-03

0  引言

针对航空发动机机械结构复杂、故障频发以及学科内容多等的特点，详细阐述了传动系统、润滑系统、密封系统以及主轴轴承系统技术，旨在希望能更好的促进航空发动机机械系统技术的长足发展。

1  传动系统技术

传动系统（如图1所示）一直以来都是航空发动机机械系统研究的重点内容之一，就目前的情况来看，较为先进的航空发动机传动系统是在高速运转、重载工作、缩小体积质量、降低成本以及提高使用寿命为主要发展趋势的。现阶段，我国已经建立了较为完整的航空发动机机械计算机分析系统，通过将传动传动系统的受力、变形以及对相关联部件产生的影响利用计算机技术，可以比较准确的模拟真实机械系统的运行情况。随着此轮技术的不断发展，国外专家也对航空发动机的转动系统进行了深入的研究，并建立了比较完善的计算分析系统，该计算分析系统的出现可以实现对传动系统强度和性能的检测，从而将各个部件的受力情况自动信息传递于该系统中，实现对传动系统的静态和动态分析，以此有效传动系统的实际工作情况。而在我国相关学者和专家则对传动系统的噪声、振动以及声振粗糙度加大研究力度，有效解决了因机械系统设计误差带来的噪声问题。

另外，在試验方面，通过对航空发动机机械系统的疲劳程度和使用寿命的试验，从中获得的S-N曲线可以精准的预测传动系统的使用寿命，提高其抗疲劳程度;在润滑方面，通过对1组传功系统的磨损试验得出：不同运行环境下的传动系统和温深情况都是不尽相同的。通过上述实验得出的大量数据，并在建立了丰富数据库的基础上将其作为传统系统的设计依据，既可以满足传动系统的使用需求，又兼顾了经济效益原则。所以，通过对传动系统疲劳程度、使用寿命以及润滑方面的试验，构成了健全与完善的传动系统设计体系，保证了传动系统设计的一次性成功。

西方发达国家第4代传动系统设计最典型的设计理念是对不同附件的串联于集成设计，比如燃油泵与加力泵的组合，高空活门与电机系统的串联，减少了传动系统轴的使用数量，缩短传动系统设计时间，简化传功系统结构，从而提升了传动系统的性能。在比如某公司自行开发与研究的行星齿轮减速器，传动功率高达20MW，传速为10000r/min，质量比为30：1，其在断油情况下还可以连续工作1min。

我国的航空发动机机械系统技术与西方发达国家相比差距主要体现在：机械系统齿轮咬合仿真、机匣一体化设计以及新型传动技术等的方面。另外，由于航空发动机机械机械系统配件数量多，外廓尺寸大等因素的影响和制约，传动系统设计人员在具体的设计过程中比较被动，导致传动链条长、机匣壳体积大等的问题频频出现。“十五”“十一五”传动系统研究技术的不断发展，我国的航空机械系统技术已经达到了世界县级的水平。但是，由于缺乏对传动系统试验的验证和准确的试验数据，设计方法还有待进一步提高，这也在一定程度上影响了传动设计信息数据的准确性。

2  润滑系统技术

航空发动机机械润滑系统（如图2所示）由于涉及到两厢流动、弹流润滑等这样难度较大的学科，使得润滑系统技术可以见解的理论知识少之又少。而现阶段，随着航空发动机设计技术的不断提高，社会各界对润滑系统技术提出了更高的要求，20世纪90年代，开始注重对航空发动机先机设计技术的应用，而在21世纪的早期，德国、法国、英国联合进行了航空发动机机械润滑系统的预先研发项目，并耗时8天，专门针对润滑系统进行了大量的实验、其中的仿真以及新技术的运用，取得了较为理想的技术成功，比如润滑系统内部的流动与换热、润滑系统的着火与防火以及金属海绵离心通风器等的技术，并已逐步应用到了航空发动机机械系统中。

为了更好的满足未来时期航空发动机机械润滑系统设计需求，国内对于润滑系统主要进行了以下几个方面的研究：

①润滑系统的设计与分析研究。润滑系统的设计与分析研究主要包括循环量准确设计、润滑系统热分析研究以及仿真技术等的研究内容，在具体的研究过程中，相关学者与专家润滑系统的轴承和此轮为研究对象，得出了油气分离两厢条件下润滑系统的压力承受、流量与温度等的性能数据，保证润滑系统可以获得准确的润滑与冷却数据，并在后期进行的附件实验、整机试验和飞行实验中得到了逐步修正与完善。

②润滑系统的热管理系统研究。经济与社会的不断发展，航空发动机机械润滑系统热负荷会越来越高，润滑系统需要分散的热量也会逐渐升高，而航空发动机自身携带的机械设备发热量也需要通过燃油进行散热，此时发动机入口燃油的温度就会逐渐上升，这就需要通过更为精准的热系统分析技术对润滑系统设计理念进行不断的优化与完善，从而使发动机的热量可以分配至各个系统中，这样既可以实现对润滑系统的冷却效果，还不会产生大量的搅拌热，保证润滑系统可以始终为最理想的供油状态。

③润滑系统高效率、轻量化技术研究。高效、轻量化指的是通过运用新技术提升通风器润滑系统的工作效率，以此保证润滑系统可以达到高速运转的设计能力，该技术根据润滑附件体积小的特点，来减少附件机匣传动轴数，从而使润滑系统附件机匣的外轮廓尺寸大幅度的减小。同时，还需要利用新型的散热技术，提升润滑系统散热效率，实现润滑系统各个部件高效率和轻量化的目的。

④润滑系统试验验证技术。与国内既有的航空发动机型号相比，在对每一个航空发动机型号的研究过程中，国外对于航空发动机润滑系统的研究技术高达20余项，除了对组成润滑系统的各个附件进行试验研究之外，在将其装入发动机之前，还需要对润滑系统进行全状态、全包线的性能与可靠性试验，这在国内航空发动机的型号研制工作中还是望尘莫及的。

⑤润滑子系统仿真技术研究。就目前的润滑子系统仿真分析技术之外，西方发达国家对于油气两厢的回油和通风子系统的管路流阻和腔压计算更加精准，这就使得润滑系统与整个航空发动机機械系统的关联更加紧密，为此可以准确计算出润滑系统各附件在不同工作状态下的参数信息，既保证了润滑系统主轴承传动与静子的封严压差，又可以有效控制润滑系统的油腔空气量。

⑥润滑系统的喷油润滑研究。相关学者和专家通过磨损试验，认真的分析了润滑系统在不同喷油状态下的温度变化情况极磨损情况，并得出了最佳的喷油润滑方案，有效提升了航空发动机润滑系统的使用寿命，而从以上研究中得出了这些数据，也为后续润滑系统的高效运行提供了重要的理论依据。

3  密封技术

航空发动机对密封技术有着十分严格的要求，这也是西方发达国家投入大量人力、财力对其进行研究的根本目的。所以，在航空发动机机械系统先进密封技术的迫切需求下，早在上世纪80年代，美国作为航空大国，其在研究的综合高性能涡轮发动机的研制过程中，多项技术被列为重点项目，比如气模密封技术（气模密封原理如图3所示）、反转气模密封技术以及石墨机械密封技术等等，并对其进行大量的分析与试验研究。目前，既有的密封技术基本可以满足当前航空发动机机械的使用条件。未来时期内，航空发动机密封技术将会面临更加严峻的挑战与考验，比如高温环境、高速运转以及低发热量等等。另外，在第航空发动机的结构技术中，材料的使用、计算分析能力将会全面上升，只有这样才能满足未来航空发动机对密封技术的实际需求。

西方发达国家对航空机械系统密封技术的研究主要在专业的公司和高等院校中开展，再将研究的内容由发动机研制部门统一整理与汇总。经过整理与汇总的密封技术与发动机系统的结合更加紧密，不仅仅体现在设计方面的密封，更是与传动系统、润滑系统的密封设计。特别是对于新型密封材料、表面处理技术以及结构的密封，不同的密封配件需要与跑道实现最佳配对，实现最理想的密封效果。

在航空发动机的机械性能方面，由于接触式气路密封会被大量的使用，可以有效提升发动机的运行效率，国内已有学者和专家对其进行了大量的研究，研究内容主要包括刷丝材料研究、跑道涂层研究、单级承受压差研究等等。通过对以上内容的研究，密封技术现已被逐渐运用到了新型的航空发动机机械系统中，提高了机械系统的使用性能，降低和减少了油耗率。另外，随着科学技术的日新月异，航空发动机机械技术日趋成熟，比如带有蓄能环的唇式密封技术、静密封技术以及金属密封圈等等，这些也都是由专业的公司设计与制造完成的，现已在航空发动机中得到了迅速的推广与应用，并被应用到了其他的行业领域中。

随着我国航空事业的不断发展，在未来时期内，即使是不同用途的航空发动机，密封技术也都可以满足其实际发展需要，不论是民用发动机还是军用发动机，其密封技术均可以实现良好的应用效果，下一代航空发动机可能会对密封技术提出更高的要求，特别是在参数方面，比如高温、高速等。基于此，密封技术还需要紧跟时代发展脚步进行进一步的改进和完善，比如结构设计、材料选择等等以此达到更高的密封压差和更长的使用寿命。

4  主轴轴承技术

主轴轴承（如图4所示）是航空发动机转动的关键组成部分，而在航空发动机的主轴轴承技术方面，西方发达国家具备成熟与完善的轴承系统分析技术和丰富的研究经验为支撑，可以实现对航空发动机三维数字仿真的设计与分析。所以，对于主轴轴承技术的运用采用了与支撑结构一体化的专用轴承设计理念，使得轴承设计与发动机设计有机地融为了一起，在保证轴承基本功能的基础上，为有效减轻发动机质量、改善转子振动等的方面作出了巨大的贡献。

科学合理的主轴轴承技术对于轴承在静态和动态的计算十分准确，而在常规的轴承运行计算分析中，可以利用主轴轴承技术对其进行准确的评估与分析。近些年来，我国的学者与专家经过对主轴轴承的不断研究，数据库中的数据信息更加准确，主轴轴承的设计也更加符合航空发动机的实际需求。而在主轴轴承的使用方面，轴承设计部门联合研发部门，建立了较为完善的主轴轴承数据库，双方技术的相互渗透与促进，有效的防止了其他零部件对主轴轴承造成的损坏。

5  结语

综上所述，航空发动机机械系统所包含的零部件数量众多，专业技术要求较高，在具体的设计过程中需要注意的问题也有很多，绝不是笔者区区几千字就可以全面概述的。在当前经济社会不断发展的大背景下，航空发动机机械系统的传动技术、润滑技术、密封技术以及主轴轴承技术既是机遇也是挑战，需要设计人员能从各个细节出发，注重经验积累，用数据信息说话，从而更好的促进航空发动机机械技术专业的不断向前发展。

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