TRIZ 理论在航空发动机涡轮轴承外环封严结构设计中的应用

聂建豪

（中国航发湖南动力机械研究所，中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲 412002）

在现代航空动力装置中，主轴轴承是其关键件之一，其中位于涡轮处的轴承在高温、高速及高负荷的条件下运转，其质量和性能直接影响到了发动机的性能、翻修寿命和可靠性。

在一个典型的航空发动机结构设计中，核心机为单级转子结构，采用了1-0-1 支点布局方式，在燃气涡轮转子后侧布置了一个滚棒轴承。为了满足转子动力学特性要求，如图1 所示，轴承外环装配在轴承座上，两者之间布置了非定心油膜结构，而后采用外环限位环对轴承外环进行轴向限位，同时控制滑油向右侧的泄露。现在需要设计一个压紧装置，保持外环限位环压紧轴承外环的状态，使轴承座与轴承外环在A 面保持压紧状态，控制滑油从A面处泄露。

本文基于TRIZ 理论，针对该技术问题，提出了解决方案。

图1 轴承结构装配示意图

1. TRZI 理论

目前在航空发动机结构设计中，设计师普遍采用了试错法解决技术难题，因为知识储备和心理惯性的局限，这种方法的解题过程如图2 所示，从中可以看出这种方法耗时长，而且难以得到最佳解决方法。

在已知的所有解决问题的方法论中，TRIZ 理论虽然无法解决所有的技术难题，但是它可以解决多数最困难的技术问题。

TRIZ 理论解决问题的一般流程是：在TRIZ 理论中的39 个标准技术参数中选择适合具体问题的欲改善和欲恶化的技术参数，然后根据所选的这两个技术参数从矛盾矩阵中找出推荐的发明原理，最后在所推荐的发明原理的启发下，提出适合具体问题的有效解决方案[1]。

图2 试错法解题过程

2.问题分析

在TRIZ 理论中，物质—场分析法是其重要的分析手段，其基本方法是将具体问题涉及的功能抽象出来，然后将所有的功能分解到基本单元，每个基本单元包括两个物质和一种场[2]。其具体分析问题的过程如下：

指定物质：S1-轴承座；S2-轴承外环；S3-外环限位环。

确定场：F1-机械力场；F2-机械力场；图3 为物质—场分析图。

图3 物质—场分析图

图4 物质—场模型

将图3 所示的系统进行分解后，可运用符号进行表示，如图4 所示。由物质—场分析模型可得：（1）外环限位环S3 通过机械力场F2 压紧轴承外环S2；（2）轴承外环S2 通过机械力场F1 压紧轴承座S1。要求在发动机工作时，轴承座S1 和轴承外环S2 在A 面处始终保持压紧状态，控制滑油的泄露，同时也要控制滑油向右侧的泄露。

3.问题求解

3.1 确定技术参数

在实际结构设计中，需要控制滑油的泄露量，以维持油膜正常工作，因此欲改善的通用技术参数选择No.23（物质损失）。

从发动机零件的发展历程可以看出，发动机的结构越来越复杂，所以选择No.36（系统的复杂性）作为欲恶化的通用技术参数。

3.2 求通用解—发明原理[3]

在确定通用技术参数后，从矛盾矩阵表中可得到推荐的发明原理。

表1 TRIZ矛盾矩阵表

从表1 可以看出，推荐的发明原理分别是：

3—局部质量原理；

13—反向作用原理；

27—廉价替代品原理；

10—预先作用原理。

3.3 发明原理分析

3—局部质量原理：

（1）在一个物体结构中，将其内部的某种参数从均匀状态变为非均匀，或把其外部影响因素从均匀状态变为非均匀；

（2）调整一个物体的各处结构，使其各处结构发挥其最合适的作用；

（3）对一个物体的不同部分进行重组，使其各部分发挥不同的有效功能。

13—反向作用原理：

（1）将原来的动作反向（例如用“冷却”替代“加热”）；

（2）针对需求所规定的动作，采用其相反的动作（比如，机加过程中刀具不动而零件转动，现在改为刀具转动而零件不动）；

（3）将固定的外界环境改为全部或部分可移动，或者将移动的外界环境固定；

（4）把物体或过程颠倒过来。

27—廉价替代品原理：

用多个廉价的物体替代一个昂贵的物体（比如用一次性产品替代耐用品，避免清洗和储藏的费用）。

10—预先作用原理：

（1）在需求之前，预先对一个物体进行全部或局部改变（例如自粘邮票）；

（2）对物体进行预先安置，使其可以在最方便的地方起作用，而且节省运送时间。

4.解决方案

结合推荐的发明原理，进行了以下的分析：

思路1：发明原理3（局部质量原理）可以启发我们设计若干个弹性件压住外环限位环，而再通过螺栓结构将弹性件固定在轴承座上。

思路2：发明原理13（反向作用原理）可以启发我们在轴承座A 面处布置动态封严结构。

思路3：发明原理27（廉价替代品原理）可以启发我们采用橡胶圈等结构压住外环限位环。

思路4：发明原理10（预先作用原理）可以启发我们采用异形圈对外环限位环进行压紧和封严。

综上所述，同时考虑方案的可行性和可靠性，现不考虑思路2 和3，而基于思路1 和4 提出相应的结构方案。

4.1 结构方案一

根据思路1，提出了如图5 所示的结构，在外环限位环后面增加几片弹性压片，同时采用螺栓结构将弹性压片固定在轴承座上，工作条件下，压片保持压紧状态，确保A 面贴紧。

图5 结构方案1

4.2 结构方案二

根据思路4，提出了如图6 所示的结构，用异形环替代外环限位环，采用螺旋挡圈将其与轴承外环轴向相互压紧。

图6 结构方案2

5.结论

针对轴承外环封严问题，本文采用了TRIZ 理论进行了相关的分析，其中：

（1）本文采用了物质—场分析法将具体问题进行了定义，并将问题模型化。

（2）本文采用了TRIZ 矛盾矩阵得出了推荐的发明原理，提出了4 种备选思路，通过综合分析，提出了两种结构方案。