国内外航空发动机机械系统的关键技术分析

唐元恒，邹刚，刘振岗

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

国内外航空发动机机械系统的关键技术分析

唐元恒，邹刚，刘振岗

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

结合国内外的航空发动机机械系统发展实际情况，对其中的传动系统技术、润滑系统技术、主轴承系统技术以及密封技术等关键技术进行了着重分析。

航空发动机；机械系统；关键技术分析

由于航空发动机具有相当高的精密性与复杂性，各个零部件之间又有着密切的关联性，所以相关技术人员再进行航空发动机的设计制造过程中，不仅会用到大量的机械零部件，而且自身还需掌握各个领域的专业知识，能够全面把握航空发动机制造的技术性要求。这就在无形之中对技术人员提出了更高的要求，只有明确技术关键，拥有过硬的专业技术知识，才能够在实际的设计过程中实现灵活的运用进而推动我国航空发动机系统的长远发展。

为了能够促进我国航空发动机技术的进步，缩小与国外发达国家之间的技术差距，需要我国广大的科技工作者在开展航空发动机机械系统的设计时，对航空发动机机械系统的传动系统技术、润滑系统技术、主轴承系统技术以及密封技术等关键技术进行全面的了解把握。就国外先进国家的航空发动机机械系统的实际情况来看，其技术是在钢铁、船舶、机床、化工、汽车等众多领域的技术为基础并与航空发动机的具体需求进行有机结合进行研发而成的。反观我国现状，有大量的研究单位的能力仍然停留在仿制、排故以及改进等初级阶段，不仅涉及的方法、试验、装配、载荷等方面存在不足，而且其基础能力欠缺的问题尤为突出。因此，希望通过此次研究能够为国内航空发动机机械系统的关键技术方面提供切实有力的帮助。

1 传动系统技术

传动装置作为航空发动机研究的重难点内容，一直广受关注。当今国内外对航空发送机传动系统技术研究的主要方向是：在确保其能够正常工作的基础上，将传动系统的体积与重量控制在最小的范围内，不仅能够提升传动系统的使用周期，还能够节约制造成本，提高经济效益。目前，国外不仅发展出较为完备的计算机分析系统，而且还拥有先进的强度与性能测试技术，通过对传动系统的所有部件进行计算，能够将其受力与变形对本身以及其他部件产生的影响进行静态以及动态两方面的分析，并且计算结果具有高度的准确性与真实性[1]。与此同时，得益于齿轮动态技术的进步，传动系统的噪声（Noise）、振动（Vibration）、声振粗糙度（Harshness）也开始加大研究的步伐，能够对对齿轮的齿形误差与随之造成的其他问题进行有效地评估。与此同时，还可以对齿轮构件进行疲劳与寿命的相关性实验，通过对得出的S-N曲线进行分析，能够精确的对齿轮的使用时间做出判断，促进其疲劳强度增加。此外，还可以利用齿轮磨损对比试验分析在喷油不同的情况下，齿轮的升温与磨损的情况存在哪些具体差异。总之，国外的航空发动机传动系统技术在通过以上一系列实验后能够获取大量的基础数据，在此基础上形成自己庞大的数据库自愿，以满足自身的设计需求。

由于我国的航空发动机机械系统关键技术与国外相比确实存在着明显的差距，因此传动系统技术也与存在不足的情况，尤其以附件集成整合、整体动态化设计与齿轮啮合仿真技术等方面的差距尤为显著。由于上述原因，我国的发动机传动系统普遍存在着体积与重量较大、轴数量较多以及传动链较长等问题，严重制约了传动系统的发展。

2 润滑系统技术

润滑系统，简言之在发动机工作时，为了保证期能够正常运转，需要在发动机内部的摩擦表面覆盖一层机油或者是油脂等润滑剂，使得不同的金属表层之间都能够形成一层油膜，进而减少器件之间的摩擦力，降低器件的功率损耗与磨损力度，延长发动机的使用时间。由于发动机的润滑与其运行状态有着直接的关系，所以润滑系统的精细化发展程度越来越深。就国外的发展情况来说，自上世纪以来，发动机研发技术领先的美国等欧美国家已经开始对润滑系统进行研究。在本世纪初，以英国、法国、德国、意大利等欧洲国家为代表的欧盟国家开始携手开始研究用于商业与军事领域的航空发动机传动润滑系统项目，历经数年，为取得技术突破，对仿真以及新材料的研究进行了无数次的实验，最终取得了丰硕的成果。例如开发出新型电驱动润滑油泵、金属海绵高效离心通风器等，使得润滑系统中的防火技术与发动机轴承腔内的流动与换热技术不断优化与改善[2]。

目前我国的发动机润滑系统技术发展还不尽如人意，但是随着人们对其重视程度不断加深，我国也开始加大对其研究步伐，未来主要朝着以下几方面进行研究。首先是超高温润滑油的使用。通过对发动机在使用超高温润滑油的状态下进行分析，评估出超高温润滑油对发动机的轴承腔隔热、空气系统带来的影响，同时要对适滑油箱以及散热器等技术进行研究，从而减轻发动机的重量，提高使用性能，此外，还要考虑到总体设计以及空气系统；其次是润滑油系统热计算不断朝着精确化的方向发展。利用现在的计算机算法技术不断优化计算方法，通过实验的手段获取轴承腔内、外的热传递性能，了解各个附件的载荷谱与温度之间的对应关系；最后是对不断优化与完善对润滑系统的检测体系。通过建立与完善润滑系统的检测体系，能够及时发现发动机润滑系统中存在的安全隐患问题，进而能够采取有针对性的预防与解决措施，将安全事故的发生率降到最低。此外，还需要加大对新型检测传感器的研究，使其能够更好地服务于发动机PHM系统。

3 主轴承系统技术

由于主轴承既可以起到支撑机械旋转体的作用，而且还能够有效地降低运行过程中的摩擦力，因此对发动机的正常运转起到了强有力的保障。对于国外的航空发动机的主轴承设计技术来说，不仅有着专业的轴承系统耦合分析软件，而且经过漫长的发展及通过不断地研究实验还获取了大量的数据资料以及丰富的经验，从而实现了三维数字仿真设计与研究。与此同时，在主轴轴承的设计制造方面，还大规模的应用了二次碎硬技术，进而能够对制造时产生的剩余应力进行合理的解决，增加了轴承表层的硬度性能，因此能够满足更高的应力使用要求。

我国现今在轴承技术的应用方面也逐渐起步，轴承研发部门与发动机设计部门之间进行全面合作，在实际需求的基础上一同对轴承的应用要求制定出科学的标准，通过大量的实验研究得到相应的基础数据，并在此基础上建立起较为成熟的轴承应用数据库系统。不仅如此，两部门还在设计工作中对专业技术进行研究，在对整机进行设计时加大对主轴承的设计工作环境的关注力度，有效地避免发动机的其他部件对轴承造成不必要的破坏。

4 密封技术

国外的发动机密封技术大都是在专业程度较高的高校以及企业中进行，并且有专门的发动机研制机构进行总结分析。在进行发动机研究设计时，不仅仅要注重密封技术，还要将密封与发动机的空气系统等其他相关系统进行有机结合，注重对发动机的整体性能进行提升。其中，对于密封技术来说，主要是对新型密封材料、密封的方式、相应的密封零部件与机场跑之间最佳组合等方面进行着重研究，进而实现磨损程度最小以及密封效果最大度的目标。

目前条件下的密封技术分为以下三种：首先是端面密封，主要有密封圈、动环等部件，通过将这些部件安装在传动轴中能够有效地提升密封的效果；其次是技术密封技术，使用技术密封，主要是利用专门的金属刷对发动机中的部件进行处理，通过静件与动件之间的有效联系能够实现理想的密封效果；最后是迷宫密封技术，使用迷宫密封技术时，需要注意对转轴周边进行一圈环形的密封齿轮设计，这样一来，对应的齿轮就会产生间隙，进而达到密封的目的。

5 结论

综上所述，尽管我国与国外先进的航空发动机机械技术强国之间还存在着明显的差距，但是只要能够明确设计制造时的关键技术，才能够在实际的工作中有目的的开展各个关键系统的设计，进而设计出符合我国实际发展需要的航空发动机机械系统。

[1]陈聪慧，葛泉江，李季，等.航空发动机机械系统技术研究[J].航空发动机，2015，41（5）：86-91.

[2]姜会泽，费逸伟，姚婷，等.航空发动机结构及其关键材料技术分析[J].广州化工，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，山东莱芜人，硕士研究生，工程师，研究方向：装备综合保障。