航空发动机机械系统设计- 大数跨境

科学出版社

2022-03-19

导读：一个涉及众多学科且相互交叉、综合的极其复杂的研究领域

航空发动机是为航空飞行器提供动力的高度复杂和精密的热力机械，被喻为飞机的“心脏”。发动机的各大部件（压气机、燃烧室、涡轮等），决定了发动机的“好”与“不好”，即是否具有高的性能指标；而发动机的机械系统则决定了发动机的“行”与“不行”，即能否安全、可靠工作。

现代航空发动机正朝着高推重比、低油耗、高可靠性和长寿命的方向发展，严苛的参数指标对发动机各个零部件都提出了近乎苛刻的性能要求。发动机既需要经受高转速、高温、高载荷的考验，同时又必须满足结构紧凑、重量轻、高可靠性及长寿命的要求。因此，与一般动力装置的机械系统不同，航空发动机的机械系统集中了大量非常尖锐的矛盾：如高载荷与轻质量、高温环境与低耐热能力的工作介质、结构复杂与空间狭小、条件恶劣与高可靠性和长寿命等，由此也带来了大量的技术难题。而且相对于各大部件的研究，机械系统还有一个显著的特点就是它的零部件种类繁多，这些零部件的材料、结构特征、工作原理各不相同，导致机械系统实际上是一个涉及众多学科且相互交叉、综合的极其复杂的研究领域。

事实上，发动机故障中机械系统故障的占比一直较高。20 世纪80 年代初，英国罗·罗公司RB211 发动机连续三次发生风扇部件甩出的严重事故，其原因就是风扇前滚子轴承滑油供油不足，滑油冷却不好，造成轴承损伤，引发转子偏斜、封严件磨损、封严间隙加大和滑油外溢；美国空军的TF34 发动机在1983 年发生90 次事故，其中因机械系统问题引起的事故26 次，约占28. 89%；JT3D 型号的发动机滑油系统故障率也达到37. 95%。国内由于曾经片面地将机械系统放在从属地位，忽视了其中关键技术的基础研发工作，也使得机械系统故障频发。这也从另一个角度反映出机械系统在航空发动机研制中的重要性。

基于机械系统的重要性及其零部件种类繁多且涉及众多学科领域的特点，航空发动机技术先进的国家在很早就针对航空发动机机械系统设立了专门的研究部门，建立了相应的研究队伍，如美国NASA 的动力传输试验室、普惠公司的发展部轴承密封分部、德国MTU 航空发动机公司的空气与滑油系统研究团队。他们还设立了多个相关的研究计划，从基础研究一直到应用研究，投入大量资金，并取得了丰富的经验。我国从“十五”计划开始，各发动机研究所针对机械系统先后设立了独立的研究部门，并在几个发动机技术研究计划中，将机械系统研究提高到重要的位置。

《航空发动机机械系统设计》（刘振侠等编著. 北京:科学出版社，2022. 1）针对航空发动机机械系统中附件传动系统、轴承应用设计、滑油系统和发动机密封四部分内容，分为四篇进行系统介绍。希望通过各篇的阐述，让读者在掌握相关技术研究现状的同时也了解其未来的发展趋势。

▍航空发动机附件传动系统主要包括中央传动装置、传动杆、附件传动机匣以及联轴器等。附件传动系统的主要作用是起动时将起动机的扭矩通过起动链传递给发动机主轴，从而起动发动机，正常工作时从发动机主轴提取功率，以驱动发动机和飞机附件等。对于高性能航空发动机来说，传动系统需满足轻重量、长寿命、高可靠性要求。齿轮的运转条件较为苛刻，其工作负荷、线速度、工作温度等都较高，因此，传动系统设计时必须进行系统综合匹配优化（如结构布局优化、传动链优化及系统动态分析等），采用合理的结构（如集成化的附件机匣）、材料、工艺。

本书第一篇为航空发动机附件传动系统，共11 章。主要介绍了传动系统的类型及布局、传动系统设计的基本要求或准则、齿轮及支承结构和附件机匣壳体结构设计、齿轮强度和振动设计、传动轴及花键连接设计、传动机匣壳体联轴器和离合器设计、附件传动系统试验验证项目及传动系统常见故障、附件传动系统未来发展趋势等方面，较为全面地阐述了传动系统的研制过程和发展方向。

▍轴承的主要功能是支承发动机转子和传动轴，引导旋转件精确转动，传递旋转件的载荷，为转子提供良好的定位精度和足够的支承刚性。根据轴承在发动机中安装部位的不同，航空发动机轴承分为主轴轴承、附件传动轴承、减速器轴承等。随着航空发动机推重比/ 功重比及寿命需求的不断提升，对轴承的性能、寿命和可靠性提出了更高的要求。对于航空发动机轴承，除了轴承自身在设计、材料、制造等方面的优化和改进等外，轴承应用设计则是通过合理选择轴承配置和类型、尺寸，设计合适的安装和润滑，提高轴承与转速、载荷、环境条件的适应性，满足发动机需求。

本书第二篇为轴承应用设计，共11 章，仅包含轴承应用设计方面的内容。从常用轴承的基础知识出发，介绍了航空发动机常见的轴承选型和配置形式、轴承初步设计和分析方法，特别对轴承的润滑与冷却、轴承安装、轴承集成等通过应用案例进行了重点阐述，另外还简要介绍了轴承的主要试验项目和轴承失效模式及预防措施。

▍滑油系统是航空发动机机械系统的重要组成部分，主要功能是向发动机供给滑油，保证轴承、齿轮等机械零部件的有效润滑和冷却，并带走运动表面的磨粒和污物。对于目前仍以机械传动为基础的绝大多数航空发动机，高温、高转速、高负荷条件下，其主轴轴承、传动齿轮等零部件的工作环境十分恶劣，必须配备滑油系统，以保证发动机的可靠工作。滑油系统涉及的部件种类繁多、安装分散，其外部管路及附件大多分布于发动机机匣外部，任一部件出现问题都可能会影响整个系统的正常运转。西方航空发达国家针对发动机滑油系统制定了一系列专门的研究计划，取得了许多突破性的成果，有些已经应用于实践。随着我国航空发动机技术的发展，相关投入不断增加，发动机设计研究机构积累了丰富的工程经验，针对其中的生热、两相流传热等基础前沿问题不断探索，基本形成了滑油系统的设计分析能力。

本书第三篇为航空发动机滑油系统，共10 章。从滑油系统的类型出发，介绍了滑油系统三大子系统（供油、回油和通风系统）及其主要部件的功能、设计要求、设计和分析方法、验证试验等，特别对滑油系统中“热问题”最集中、最突出的部位——轴承腔及其热分析进行了重点阐述。

▍发动机密封技术研究重点是发动机流路动密封、主轴承腔动密封、附件传动轴端动密封以及发动机静密封的设计技术与试验技术等。发动机自诞生时起，密封问题导致的故障和事故时有发生，对发动机的性能、可靠性、寿命和维护性具有重大的影响。随着发动机技术的发展，密封技术已成为影响发动机性能和寿命的重要因素，高性能的密封可以提高发动机效率，减少污染物的排放，例如某些先进的发动机密封技术可使发动机推力提高1% ~3%，耗油率降低3% ~5%。下一代发动机将会逐渐提高压比和循环温度，因此能在高转速、高环境温度和高压比的条件下，并且保持高性能、高可靠性和长寿命的发动机密封技术将成为发动机是否能达到设计目标的重要技术之一。

本书第四篇为发动机密封，共8 章。首先从系统设计方面阐述了发动机密封系统的设计理念，然后对发动机典型的静密封装置和动密封装置的设计和故障进行介绍；同时还对发动机密封相关的材料和试验项目进行了介绍。发动机密封系统的设计与发动机的总体结构、发动机空气系统、发动机滑油系统、发动机通风系统紧密相关，发动机密封技术还考虑到材料、流体（气体、液体）、运动、摩擦学、热力学、传热学、机械加工和气动学等多个学科的耦合影响。

上述四个子系统，关注对象、研究重点、学科专业均有不同，各具特色。从基本概念出发，对机械系统各部分涉及的结构形式、设计要求、设计方法、分析流程、应用设计案例、试验验证、发展展望及新技术等进行全面论述，充分结合典型发动机相关设计实践，力求内容全面、准确、深入浅出。本书面向工程技术人员、高年级本科生及研究生，可以作为航空发动机专业高年级本科生和研究生到航空发动机工程技术人员过渡阶段的参考书。

本文摘编自《航空发动机机械系统设计》（刘振侠等编著. 北京:科学出版社，2022. 1）一书“前言”，有删减，标题为编者所加。

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