航空发动机中介圆柱滚子轴承抗倾斜能力分析及优化设计

针对某航空发动机中介圆柱滚子轴承由于内、外圈倾斜而导致滚子与内圈滚道出现剥落的问题,提出采用内、外圈许用倾斜角评价圆柱滚子轴承的抗倾斜能力,基于该方法分析得到轴承许用倾斜角随着滚子凸度和内圈滚道有效宽度增大而增大,故提出将滚子凸度增大到原结构的3.2倍,内圈滚道有效宽度比原结构增加6%的改进措施,改进后的轴承许用倾斜角提升到优化前的4~9倍,仿真和试验结果表明优化后的轴承能够避免滚子与内圈滚道一端出现应力集中。

航空涡扇发动机机械系统架构和技术综述

航空涡扇发动机机械系统对发动机的性能、可靠性、寿命具有重要作用。介绍了国内外航空涡扇发动机机械系统在发动机中的层级、架构组成及其演变,梳理了近30年来该系统的相关技术现状,提出该系统的技术发展方向为构建具有深度关联的系统架构,在系统架构的需求牵引下,从设计、材料、制造、试验等方面统筹协调、系统性发展。重点分析了中国航空涡扇发动机机械系统相关技术与国外的主要差距为现有的系统架构关联性不够紧密,系统性需求捕获不够完整,导致部件或系统在设计、材料、制造和验证上考虑不够全面,部分技术先进性不够。为中国的航空发动机机械系统技术发展提出了优化现有航空涡扇发动机机械系统架构,在系统需求牵引下系统性提升传统机械系统技术并发展磁浮轴承等先进技术的建议。虽然中国在航空涡扇发动机机械系统架构合理性和技术先进性上与国外相比存在一定的不足,但中国研究力量充沛,在国家相关部门围绕航空涡扇发动机机械系统统筹规划下协调发展,中国的航空涡扇发动机机械系统会很快达到国际先进水平。

航空发动机主轴轴承剥落扩展试验

为探索轴承的剥落极限,开展了航空发动机主轴轴承的剥落扩展试验研究。介绍了轴承损伤的形式以及国内外关于疲劳剥落损伤的研究现状;介绍了试验轴承的初始剥落状态以及试验器的基本情况,明确了轴承的润滑条件和监测方式;按照发动机的真实工况和载荷谱制定试验方案并开展试验,定期分解监控轴承的剥落扩展趋势;对试验过程中金属屑末质量分数、轴承温度以及转子振动的监测结果进行了分析。结果表明:小面积剥落的轴承在18 h试验时间内仍能继续工作,轴承温升未发生明显改变,轴承外圈温度大部分时间内保持在150~190℃,但金属屑末质量分数及转子振动时域幅值不断增大,金属屑末累计增长约9500个,振动时域幅值已超过600g。各项参数的监测结果对发动机地面试车或飞行具有重要的参考价值。

航空发动机球轴承剥落故障模式分析

为研究航空发动机球轴承的剥落故障模式,利用原子发射光谱技术、自动磨粒分析技术、铁谱技术及能谱分析技术对球轴承加速等效试验滑油中磨粒的数量、大小、形貌及成分等信息进行分析。结果表明:金属颗粒污染物导致轴承出现初始疲劳剥落;球轴承剥落的特征磨粒为滚动疲劳磨粒和球形磨粒,内衬套微动磨损的特征磨粒为铁的黑色氧化物和红色氧化铁磨粒;临近轴承失效时,滑油中Fe元素质量分数由7.49×10-6增大至21.74×10-6,特征磨粒数量也由48.9个/mL急剧增加至1433.8个/mL,且特征磨粒直径主要分布在25~50μm。金属颗粒污染物的存在使轴承承力内半圈滚道加速出现接触疲劳剥落,滚道剥落到一定程度后,在轴向力、摩擦力及预紧力等综合作用下在内衬套与承力内半圈接触处发生微动磨损,进一步加剧了滚道的疲劳剥落,最终导致球轴承失效。

基于Flowmaster的发动机滑油供油系统流量压力换热特性建模与仿真

为了分析滑油从滑油泵组流经燃滑油散热器、喷嘴至轴承腔内的流动换热特性,基于Flowmaster流体系统仿真平台,以发动机滑油供油系统为研究对象,通过各支点喷嘴模型建立及仿真计算,验证喷嘴设计符合性。根据燃滑油散热器结构特点,计算流阻和换热特性,建立仿真计算模型,验证散热器流阻特性及换热性能;建立滑油供油系统模型,仿真计算轴承腔、附件机匣、转接齿轮箱等处供油流量、供油压力及供油温度,分析评估系统流量压力换热特性,支撑滑油系统正向设计。

某发动机杯形锁圈碎裂原因分析

针对某航空发动机杯形锁圈发生碎裂的故障情况,进行检查和经验分析,列出故障树,然后通过扫描电镜对杯形锁圈碎片进行了材料分析和断口性质分析。结果表明,断裂性质为疲劳断裂,首断位置位于锁窝处。为了解锁窝处是否存在原始缺陷,对冲锁后的残余应力进行了仿真,结果表明锁窝附近部分区域残余应力大。根据设计复查、故障树排查、断口和仿真分析结果,找到故障原因为冲锁方式不当,并给出了解决措施。

航空发动机滑油喷嘴尺寸敏感性仿真分析

某型航空发动机滑油系统为全流量供油系统,不设置溢流流路,因此滑油喷嘴的尺寸直接影响滑油系统供油压力的高低。为了研究喷嘴尺寸公差对滑油系统压力的影响的大小,运用FLOWMASTER软件,首先建立了系统喷嘴的部件仿真模型,根据喷嘴流量检查试验压力、温度、流量的要求,仿真计算出各处喷嘴的上限和下限尺寸,喷嘴计算结果通过某台发动机试验数据校核;然后根据得到的喷嘴尺寸,建立滑油供油系统级的仿真模型,计算评估喷嘴的极限尺寸对滑油系统供油压力的影响。结果表明:喷嘴尺寸的极限尺寸公差对滑油系统供油压力的影响在慢车状态达到57 kPa,在地面最大状态可以达到130 kPa,即极限状态下不同批次发动机滑油系统的试车参数范围差异最大可达130 kPa。计算结果对于发动机滑油系统供油压力范围设定、整机试车问题处理具有指导意义。

航空发动机渐开线圆柱齿轮修形设计及试验分析

通过齿轮合理修形能够改善齿轮传动接触状况及降低由几何传动误差产生的振动和噪声,减小齿轮啮入啮出干涉冲击,提高齿轮寿命。以航空发动机附件机匣渐开线圆柱齿轮为例,通过附件机匣整体仿真、离心力影响分析、轮齿热弹耦合分析,确定齿轮修形方案,有效降低了齿轮啮入及啮出位置最大等效应力。通过附件机匣振动测量试验,对比修形前后齿轮振动能量变化规律,结果表明修形后齿轮振动能量降低17%~80%,有效验证了齿轮修形效果。

航空发动机润滑油使用需求及应用验证流程

航空发动机具有设计技术先进,研制周期长及工作条件苛刻等特点。航空发动机润滑油用于主轴轴承、传动齿轮的润滑与冷却,对航空发动机的正常工作起着至关重要的作用。随着航空发动机推重比的不断提高,航空发动机热负荷和机械负荷也不断增大,对航空润滑油的性能要求越来越高,其技术性能也必须随着发动机的使用需求而不断提升。为此对典型航空发动机润滑油的使用情况、标准和研制流程以及使用需求进行了介绍。同时,必须开展耐高温航空润滑油材料特性试验方法的研究以及防腐型航空润滑油应用技术的研究。

基于灰色理论的航空发动机剩余寿命预测

针对航空发动机健康监测数据繁杂、性能退化特征不明显、缺乏有效的健康指数构建与剩余寿命预测难的问题,提出了基于灰色理论的多监测参量优化选择与融合及全阶时间幂灰色预测模型(FOTP-GM(1,1))方法。首先,采用灰色关联分析法对航空发动机的高维监测物理参量的性能退化状态表征能力进行参数化度量,结合线性相关分析对监测参量进行优化选择;其次,利用灰色接近关联度对优化选择的特征进行加权融合,构建航空发动机的统一健康指标(HI),并以训练发动机HI失效阈值为参照,采用滑动窗欧氏距离比对法确定测试发动机的HI失效阈值;最后,采用FOTP-GM(1,1)对测试发动机的剩余寿命进行预测。通过实验分析,该方法能够有效地对航空发动机的剩余寿命进行预测,并比传统方法得到更高的预测准确度,该方法为实现航空发动机的故障预测与健康管理提供一种新的思路与手段。

航空发动机气膜密封技术的发展

动密封技术是航空发动机关键技术之一,对发动机整体性能具有重要影响。气膜密封结构是一种性能先进、潜力巨大的航空发动机密封型式。介绍了几种典型气膜密封结构的工作原理、结构特点和发展历程,分析其在航空发动机上应用中的存在的优势和问题。从理论研究、试验研究2方面综述了国内外气膜密封技术的发展现状。对航空发动机气膜密封技术的发展现状和需要关注的研究方向进行了总结,表明气膜密封是航空发动机密封技术中具有巨大发展潜力的重要方向,但已有的大部分气膜密封技术尚不能满足高性能航空发动机的技术需求,仍需要加快相关基础技术的研究与发展。

航空发动机石墨圆周密封接触特性分析

基于结构受力分析,利用ANSYS分析某型在役航空发动机石墨圆周密封的接触特性,研究不同工况参数对密封环最高温度、最大变形、最大应力及接触压力作用规律。结果表明:石墨圆周密封环主密封面应力分布比较均匀,密封环接头处应力最大,这与应用时接头处磨损较重的实际情况相符;辅助密封面和密封跑道应力分布均匀,密封座端面应力沿径向呈梯度分布,最大应力位于密封座靠近密封跑道边缘处;随滑动速度的增大,密封环主密封面最高温度增大,而最大变形、最大应力和接触压力表现为先减小后增大;石墨密封环主密封面最高温度、最大变形、最大应力和接触压力随密封压差增大而增大。

涡扇发动机主轴承试验器考核试验方法

针对涡扇发动机主轴承试验器考核试验,从验证轴承的自身质量和轴承与发动机工况适应性的角度出发,以GJB7268-2011为指导,提出了一种基于发动机常规工况和极限工况的轴承试验器考核方法。该方法在传统试验基础上,对常规试验项目的试验程序进行了细化,增设了短时多频次滑油中断试验、超温试验、超转试验、陀螺力矩试验及不对中试验等项目,提供了各试验程序的编制要点和示例,并在涡扇发动机主轴承研制过程中对该方法进行了应用,结果表明:试验轴承通过了全部试验项目考核,且成功装配发动机通过了持久试车验证。该试验方法可以基本覆盖该型涡扇发动机的使用工况边界,达到了在发动机整机装配前考核主轴承工况适应性的目的,对涡扇发动机主轴承试验器考核的发展具有重要的工程指导意义。

基于面齿轮传动的航空发动机中央传动设计分析

为系统性解决传统齿轮传动在航空发动机大功率提取传动系统中应用产生的承载能力不足、质量超限、稳定性较低等问题,设计了基于面齿轮传动的航空发动机中央传动,并进行LTCA分析,得到接触区面积比和应力等计算结果。研究结果表明,基于面齿轮传动的中央传动具有承载能力高、质量轻、运转平稳性好等优点,面齿轮传动可以为现有航空发动机传动系统提供一条可行的新型传动设计路线。

基于多物理场耦合的航空发动机燃油泵液膜密封仿真分析与试验

针对航空发动机燃油增压泵接触式机械密封润滑失效问题,通过多物理场耦合仿真和试验分析人字槽液膜密封用于燃油增压泵的可行性。基于考虑粗糙度的雷诺方程、能量方程和热传导方程建立液膜密封多物理场模型,分析密封温度特性、泄漏特性等关键性能参数,并针对人字槽液膜密封开展密封性能试验研究。结果表明:与平端面接触式机械密封相比,人字槽型密封端面平均温度降低约50℃,有利于密封运行稳定性的提高;试验运行过程中密封各处温度稳定,泄漏量为0,满足燃油增压泵对密封的性能要求。

航空发动机回油管路油气两相空隙率测量及温度补偿方法的研究

航空发动机回油管路处于润滑油和空气两相混合流动状态,实现管路中油气两相空隙率的测量对深入了解回油管路工作特性,进行管路流动分析及设计具有重要的意义。本文根据回油管路的运行状态,设计了适用于高温工况的8电极电容层析成像(electrical capacitance tomography,ECT)传感器;利用采集的阵列电容信号,建立了基于主成分回归(principle component regression,PCR)的空隙率测量模型;并针对回油管路温度变化范围大所引起的测量误差,提出了一种基于满管电容标定值的空隙率测量温度补偿方法,并进行了实验研究,结果表明,本文所提出的空隙率测量模型及温度补偿方法是有效的,在20℃~180℃温度变化范围内,空隙率测量的绝对误差均在10%以内。

考虑热、弹、流耦合的航空发动机齿轮箱壳体拓扑优化分析

为提高航空发动机齿轮箱壳体的结构性能,减小发动机恶劣工况对壳体产生的不利影响,采用基于变密度法的拓扑优化理论,以最小柔度指数和加权平均模态特征值为目标函数,考虑壳体所处环境的热、弹、流等耦合影响,以最大变形不超过0.15 mm、等效应力不大于材料屈服应力为约束条件,对航空发动机齿轮箱壳体进行了拓扑优化设计;根据拓扑优化结果,对壳体结构进行了几何重构,并对优化前、后壳体结构的强度、刚度、质量进行了对比分析。结果表明,优化后的壳体质量由5.53 kg下降到5.107 kg,减重7.64%;壳体最大变形由0.1731 mm下降到0.127 mm,变形减小26.6%;壳体最大等效应力由124 MPa下降到116.9 MPa,等效应力减小5.7%。在减小壳体质量的同时,有效地降低了壳体的最大变形和等效应力,显著提升了壳体的强度和刚度。对提高航空发动机齿轮箱传动壳体可靠性和寿命具有重大意义。

航空发动机高压轴止推轴承载荷分析

针对航空发动机高压轴止推轴承载荷分析不准确的问题,提出1种综合考虑发动机转子质量、高压转子气动轴向力、机动过载以及中央锥齿轮附加载荷的载荷计算方法。以某发动机高压轴止推轴承为研究对象,采用新计算方法完成了载荷分析,并与常规计算方法得到的结果进行对比。结果表明:新计算方法可以得到更全面的载荷谱组合状态,计算结果也更加精确;计算结果表明轴承轴向载荷在慢车工况下较轻,与轴向力测量结果更加接近,且在该工况下容易引起轴承打滑,这与该轴承的实际使用情况相符,验证了新计算方法的有效性。

航空发动机离心通风器断裂故障分析与排除

针对某型离心通风器断裂故障,进行结构分析、断口金相检查,并对离心通风器的强度、固有频率、共振转速进行计算和动应力试验。结果表明:该离心通风器断裂故障属高周疲劳破坏;离心通风器与齿轮轴定位结构不合理,使离心通风器齿轮轴在工作转速范围内发生共振,是造成离心通风器断裂的主要原因。根据故障原因制定了排故措施,并进行了动态特性分析与试验验证,取得良好效果。

某型航空发动机密封跑道篦齿裂纹分析

为解决某型航空发动机密封跑道篦齿裂纹问题,对篦齿裂纹分布、微观形貌及断口形态进行观察和分析,对密封跑道的成分、组织及硬度进行检测,对密封跑道的强度及结构设计进行计算分析,确定篦齿裂纹产生的原因:密封跑道上裂纹为疲劳裂纹,裂纹的产生主要与基体材料的硬度低及齿形结构设计强度低有关,同时提出了改进措施。