第1章绪论
航空发动机机械系统是航空发动机的一个重要组成部分，美国航空发动机研究领域的综合高性能涡轮发动机技术（Integrated High Performance Turbine Engine Technology，IHPTET）计划中将发动机划分为压气机、燃烧室／加力燃烧室、涡轮、喷管、操纵系统和机械系统六大部分，其中机械系统也称为动力传输系统或传动与润滑系统［1］，技术内容一般包括中央传动与附件传动装置（简称附件传动）、滑油系统与组件（简称滑油系统）、主轴承及密封装置（分别称为轴承、密封装置）、减速器［涡轴、涡桨发动机可能包含减速器部件，传动齿轮涡轮风扇发动机（geared turbofan engine，GTF）含减速器］等的设计与试验研究。
机械系统功能多、构件分散、维护烦琐、故障率高，是影响航空发动机可靠性、安全性、维护性和寿命的重要因素。机械系统试验是机械系统研制过程中的重要一环，机械系统的先进性很大程度上取决于机械系统试验技术的先进性，其中设计分析与试验测试是研制航空发动机机械系统的两个基本环节。
机械系统试验按技术内容可分为附件传动试验、滑油系统试验、轴承试验、密封试验、减速器试验等。本章主要介绍机械系统的研究现状、发展趋势及试验需求。
1.1航空发动机附件传动试验
1.1.1航空发动机附件传动研究现状及发展趋势
附件传动是航空发动机的重要组成部分之一，其功能是将起动机功率传递给发动机，以起动发动机，并在发动机工作时从发动机转子提取功率传递给附件（如起动机、发电机、滑油泵、燃油泵、液压泵、鼓风机等）。附件传动一般采用齿轮传动方式，通常设计成可单独进行维护和检查的单元体结构。涡扇发动机附件传动典型结构如图1.1所示，涡轴发动机附件传动典型结构如图1.2所示。
附件传动具有转动件数量多、摩擦副多样、转速范围广、结构复杂等特点。为了满足航空发动机高推重比（或高功重比）、低油耗、高可靠性和长寿命等发展需求，附件传动不断朝着高速化、小型化、轻质化及集成一体化的方向发展。世界上研制航空发动机的主要国家都十分重视航空发动机附件传动技术的发展，开展了一系列的先进附件传动研究计划，在高效率、高可靠性、高推重比（或高功重比）、新材料、新工艺等方面进行了一系列基础研究及应用试验研究，并取得了相应成果，以确保其在发动机附件传动方面处于领先地位。
对于先进发动机的研制商来说，附件传动设计技术已较为成熟。在附件传动的设计方面主要注重于系统集成化、附件高速化与小型化、零件轻量化、高维护性及可靠性等方面的设计。高转速小型化附件设计、附件集成化设计、传动链动态特性设计、附件与机匣集成一体化设计等技术在先进航空发动机附件传动设计中已广泛采用，其技术成熟度等级达到了7～8级。目前，正在朝着发动机主轴内置发电机、附件传动的高集成度优化设计、轻量化设计及高可靠性设计等方向发展。经验丰富的航空发动机研制商在附件传动研制过程中有着完备的设计软件及各种与之配套的强度及性能测试试验技术。设计时，可将各个部件的受力、变形、传热等对其自身和相关联部件产生的影响综合考虑到强度计算中，传动部件的静态和动态分析都比较完善，计算方法能够较好地模拟真实工作情况。此外，还可以通过完善的试验方法取得准确的试验数据，以获得精确的应力水平。高速齿轮的啮合仿真、动力学研究和动态设计已广泛应用于工程实际，形成了完整的航空发动机传动系统设计体系，能保证发动机传动系统一次设计成功。在齿轮润滑方面，弹流润滑理论已在齿轮设计中应用，螺旋锥齿轮线速度达到了189m／s以上。随着齿轮动态性能设计技术的发展，国外已开展了传动系统的噪声、振动、声振粗糙度（noise，vibration，harshness，NVH）技术研究，用来评估齿轮的齿形误差及由此带来的噪声等问题。
目前，齿轮传动是发动机附件传动的主要结构形式，但国外在新型传动方面也做了大量研究工作，根据已公开资料，新型传动方式至少有6种，包括滚柱传动、自由行星传动、液压传动、电磁传动、喷气传动、分流涡轮传动等，这些研究为发动机附件传动的发展提供了新的思路。1.1.2航空发动机附件传动研制的试验需求
航空发动机附件传动的研制是设计、制造、试验的反复迭代过程。附件传动是包含材料、复杂构形机匣、齿轮、润滑、密封、轴承等的多学科集成部件，很多特性难以完全从理论或计算得到，需要依靠试验验证。附件传动试验是考核附件传动功能、性能、寿命、可靠性及结构完整性的必要手段，也是新材料、新结构、新工艺、新技术应用验证的有效途径。附件传动试验结果为设计改进提供了有力支撑，是附件传动研制过程中的重要环节。
航空发动机附件传动试验主要依据国家军用标准、航空发动机适航标准及产品研制关键技术验证需求进行，其中《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》（GJB 241A—2010）［2］、《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》（GJB 242A—2018）［3］规定的附件传动试验科目包括附件机匣静力试验、齿轮／机匣模态试验、附件传动装置静扭试验、附件传动装置振动特性试验、附件传动装置300h持久试验、附件传动装置的悬臂力矩试验；《航空发动机适航规定》（CCAR33R2）［4］规定了带滑油箱附件机匣的防火试验。
根据产品研制具体要求，航空发动机附件传动可进行如下试验： 传动轴扭断试验、传动轴临界转速试验、机匣压力试验、齿轮接触印痕试验。在航空发动机附件传动关键技术研究过程中，在功能结构、性能、强度、寿命、润滑、可靠性等方面均提出了试验验证需求，以突破技术瓶颈，根据需要可进行如下试验： 振动特性试验、耐久性试验、润滑特性试验、齿轮动应力测量试验、齿轮传动误差测量试验、轮齿弯曲／接触疲劳强度试验、齿面接触磨损发展试验等。
近年来，随着人们对航空发动机零部件试验重要性认识的不断提高，我国已建设了相当规模的航空发动机附件传动试验设备，基本具备了适应我国航空发动机研发需求的附件传动试验条件并掌握了试验手段，在附件传动试验方面进行了大量卓有成效的研究工作，应用相关的试验方法和测试技术逐步开展了附件传动的性能、强度、可靠性和寿命等试验，相继进行了多型航空发动机附件传动的振动特性试验、持久试验、加速等效试验、悬臂力矩试验、齿轮动应力测量试验、齿轮传动误差测量试验等工作，对在役、在研航空发动机的附件传动进行了试验验证，为航空发动机试验研究打下了良好的基础。
1.2航空发动机滑油系统试验
1.2.1航空发动机滑油系统的研究现状及发展趋势
滑油系统为航空发动机的重要系统之一，功能是为发动机提供润滑及冷却用滑油，带走摩擦副产生的热量及磨损产生的硬质杂物，防止发动机构件的表面过热，降低摩擦副的摩擦与磨损。动力装置中的滑油还可以用作各种自动装置（如螺桨叶变矩机构、发动机进口导流叶片的变矩机构、燃油调节附件等）的工作液。典型的滑油系统原理见图1.3和图1.4。
随着航空发动机技术的不断进步，为满足发动机高压比、高温、高速等发展需求，对航空发动机可靠性、维护性及寿命提出了越来越高的要求，滑油系统工作条件日益苛刻。滑油系统设计是否合理，将直接对发动机的性能、结构及可靠性产生较大的影响。过去几十年来，滑油系统的研制逐渐受到了发动机研制商的重视。
为了适应高性能航空发动机的发展需求，欧美先进航空发动机公司陆续在轴承腔热分析、油气两相流、滑油腔通风及油气分离、滑油系统姿态、应急润滑系统、高温滑油、滑油防结焦和着火、滑油附件、滑油状态监测等方面开展了深入研究，作为发动机健康状况预测［5］、视情维护和寿命管理的重要途径。
在轴承腔热分析方面，美国在大量试验的基础上，先后研发并验证了轴承和轴承腔热分析计算程序，如球轴承热分析程序BABHAP、轴轴承系统的稳态及瞬态热分析程序SHABERTH、圆柱滚子轴承的热分析程序CYBEAN、球面滚子轴承的稳态热分析软件SPHERBEAN。目前，这些热分析计算程序已得到了进一步的完善和发展。国外开展了滑油系统油气两相流的研究，如欧洲先进传动和滑油系统（Advanced Transmission and Oil System，ATOS）计划；美国普渡大学、英国诺丁汉大学和德国卡尔斯鲁厄理工学院分别进行了气液两相流的流动与传热基础研究。国外在通风系统的设计分析研究方面也开展了大量的工作，例如，在轴承腔及通风管内油气两相流流动与换热研究的基础上对通风系统进行了数值模拟研究，并开展了高性能油气分离装置分离效率试验研究。此外，对先进的高速轴心通风系统也进行了深入细致的研究，涡轴发动机高速的特点得到充分体现和应用。
对于先进的军用航空发动机来说，为了提高武装直升机和战斗机的作战性能和机动性，应相应增大发动机工作姿态角。美国、俄国等先进航空发动机研制国家针对性地开展了大量的发动机滑油系统姿态适应性研究，如用于特技飞行的PT625A发动机滑油系统姿态适应性分析及改进设计工作，T800发动机滑油系统滑油姿态设计及试验验证等。
此外，欧美国家开展了航空发动机应急润滑技术的研究，以解决涡喷涡扇发动机大机动条件下重载轴承的润滑冷却问题及涡轴发动机在主滑油系统损伤条件下的生存性问题。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）开展了大量的轴承油雾润滑技术研究，对油雾发生技术、油珠尺寸、轴承工作温度特性等进行了大量的试验，并将研究成果应用到弹用发动机滑油系统和涡轴发动机应急系统中。应急滑油系统在T700、T800、РД33、РД600等发动机上得以验证及应用。
针对航空发动机研制过程中遇到的轴承腔内滑油结焦、着火等问题，进行了大量的试验研究，使滑油性能不断提升。目前，美国空军使用的Ⅰ型滑油最新标准为《3cSt1cSt＝10-6m2/s。航空涡轮发动机合成润滑油性能规范》(MILPRF7808L)；美国海军则使用了高温氧化安定性更好的Ⅱ型润滑油，标准为《5cSt航空涡轮发动机合成润滑油性能规范》(MILPRF23699B)。美国第四代航空发动机F119及F135使用了介于Ⅰ型与Ⅱ型之间的运动黏度为4cSt的滑油，其综合了Ⅰ型、Ⅱ型滑油的高温及低温特性，更适用于航空发动机对滑油系统的要求。
近些年来，滑油附件也在朝着高速小型化及集成一体化的方向发展，如金属海绵油气分离器、带油气分离装置的高速滑油泵、油滤堵塞机械和电信号复合式指示
