【李其汉】航空发动机结构完整性研究进展

航空发动机性能及故障诊断技术研究近年来，随着航空事业的快速发展，航空安全也成为了一个备受关注的问题。

而航空发动机是航空器的核心，其性能和故障诊断技术的优化和改进成为了航空工业的重中之重。

本文将会探讨航空发动机性能及故障诊断技术研究的现状、问题和未来发展方向。

一、航空发动机性能研究航空发动机是航空器的重要动力装置，其性能的好坏直接影响着飞机的速度、载重能力和燃油消耗率等。

在飞机设计的过程中，航空发动机的性能表现也是设计师们十分关注的一个问题。

因此，航空发动机性能研究是一个极其重要的领域。

航空发动机性能的研究主要包括以下几个方面：1.燃油消耗率的优化燃油消耗率是航空发动机性能优化中的一个重要指标。

通过改进设计和改进工艺等手段，可以降低航空发动机的燃油消耗率，以实现更高效的性能表现。

2. 减少排放的目标环保和能效一直是航空工业发展的两大主题，航空发动机的建设也不例外。

因此，如何减少航空发动机的排放量成为了当前研究的重点。

3.提高推力和动力性能推力和动力性能是航空发动机的核心，是其最主要的功能之一。

因此，研究如何提高推力和动力性能，来提升航空发动机性能是十分必要的。

二、航空发动机故障诊断技术研究随着科技的发展，航空发动机故障诊断技术水平也在不断提高。

航空发动机故障一旦发生，会对航班的正常运行带来极大的影响，因此如何有效诊断并修复故障也成为了研究热点。

航空发动机的故障包括机械、电气、能源系统等多个方面。

现在，在航空发动机故障诊断技术研究上我们主要采用以下方法：1.上机故障诊断技术在机上进行故障诊断技术可以帮助工程师更快速、准确地查找故障的源头。

这些技术可以通过独特的FPGA逻辑设计算法，抽取航空发动机的数值信号特征。

在飞行中进行实时监控和数据处理，以便提前发现潜在的故障隐患。

2.人工智能技术当前，人工智能技术也被广泛应用于航空发动机故障诊断技术。

通过各种算法模型，将已经发生过的机械故障、电气故障以及能源系统故障存储在库中，利用生成式模型对新的故障现象进行诊断的同时，根据已经发生的故障及其原因，自动提供解决方案，以便更加快速、准确地解决航空发动机故障诊断问题。

航空器结构可靠性与安全性研究航空器是现代化社会的重要交通工具，其结构可靠性与安全性是航空运输事业的重中之重。

因为飞行中的一丝差错，就可能导致重大的飞行事故，给人民生命和财产带来巨大的损失。

因此，研究航空器结构的可靠性与安全性，具有极其重要的意义。

一、航空器结构的可靠性航空器结构的可靠性指的是承载机构、建造和使用的航空器各部件的性能、寿命等能够在设计寿命期间满足使用要求的能力。

航空器结构的可靠性评估需要从理论和实践两个方面来考虑：1.理论方面航空器结构的可靠性理论主要是基于概率论、统计学和可靠性分析的理论研究，建立了航空器结构可靠性的评估方法。

以概率论为例，其研究方法是先研究某件事情是否会发生，再研究它发生的可能性大小。

其可靠性分析方法主要是集成统计方法、系统工程学和工程管理等一系列因素的理论研究，使得评估功调度、配件库存管理、故障检测系统、装备可靠性保证和维护计划可以得到优化和安排。

2.实践方面从实践角度来看，航空器结构的可靠性评估主要是通过实验数据的解释、理论研究的验证和年审检验等方法完成的。

实验数据分析是通过对航空器使用过程中收集的数据进行分析，确定航空器结构的可靠性，同时也可以指导飞行公司对航空器进行维护保养。

理论研究的验证主要是通过复杂的仿真实验和测试验证理论，来评估结构部件的可靠性。

年审检验是指在航空器的设计寿命期满后进行的一系列检验，以确定其是否可以继续使用。

二、航空器结构的安全性航空器结构的安全性指的是航空器在使用过程中，遭遇各种困难，操作人员能够对困境进行应对，并且使所有人员不受到伤害的能力。

航空器结构的安全性评估，需要考虑以下几个方面：1.故障诊断和维修的能力在航空器使用过程中，通常会遭遇一些故障，包括机械故障、电气故障等。

当发生这些故障时，操作人员需要能够快速地迅速诊断故障根源，并及时地进行维修，以保证航空器的安全性。

2.航空器的设计和制造质量航空器的设计和制造质量对航空器的安全性至关重要。

航空发动机维修技术的研究与发展随着现代航空工业的不断发展，航空发动机已成为航空器的核心装备之一。

然而，由于其结构复杂、工作环境恶劣以及高耗能等特点，航空发动机维修技术一直是一个有待突破的难题。

近年来，随着科技的不断进步和航空工业的飞速发展，航空发动机维修技术也呈现出了一系列新动向。

一、航空发动机维修技术现状目前，航空发动机的维修技术已经发展成熟，在维修实践中取得了显著成效。

现代航空发动机维修技术的核心是使用先进的故障诊断、维修技术和设备，并采取全面的维修方法和严格的质量控制措施，提高发动机的可靠性、安全性和经济性。

在维修诊断上，航空发动机使用先进的诊断设备、故障分析软件和维修记录系统，结合专业的维修技术和经验，对发动机进行全面、准确的故障检测和定位。

在维修技术方面，航空发动机维修技术主要包括以下几个方面：1.拆装维修技术：包括解体、清洗、检查、检测、维修、组装和试车等各个环节。

2.修复技术：包括热喷涂、化学镀、电镀等技术，修复各类发动机叶片、壳体、涡轮盘等损伤。

3.改进技术：包括各种先进的改进和升级方案，如叶轮镶补、新的防腐蚀涂层、新材料和新工艺等。

二、航空发动机维修技术的发展趋势随着现代航空工业的飞速发展和技术的进步，航空发动机维修技术也不断发展。

未来，航空发动机维修技术将在以下几个方面呈现新的发展趋势：1.先进材料的应用：航空发动机维修技术将大量应用先进材料，比如碳纤维等材料，以提高发动机的性能和耐用性。

2.智能化技术的应用：航空发动机维修技术将以智能化为发展方向，通过机器人和人工智能等技术，实现更高效、更准确地维修服务。

3. 数据分析技术的应用：通过数据分析技术，对航空发动机的维修情况、故障信息、维修记录等进行全面监控和分析，实现更精准的诊断和更优秀的维修方案。

4. 模块化设计和装配：通过模块化设计和装配，将航空发动机分为多个模块，达到更快、更简单、更准确的维修目的。

5. 绿色航空发动机维修技术：采用环保、节能的维修技术和材料，优化航空发动机系统，达到更高的效益。

航空发动机是飞机的心脏，是建立在工程热物理学、化学、材料学、结构力学、信息科学、机械制造等等多个学科最顶尖技术基础之上的综合高技术产品，具有价值高昂、研制周期长、技术复杂、材料高端等特点，被誉为“工业之花”、“皇冠上的明珠”，是一个国家工业基础、科技水平、经济和国防实力的重要标志。

人类在航空领域的每一次重大的革命性进展，无不与航空发动机技术的突破和进步紧密相关。

当前，世界上已有20多个国家可制造飞机，但能够独立研制航空发动机的国家仅有英、法、美、俄、中5个联合国常任理事国。

（文章来源：）在过去100年里，人类所使用的主要的航空发动机，基本上分为活塞式发动机与喷气式发动机两大类。

以1903年莱特兄弟“飞行者”1号所用的发动机为重要起点，到上世纪40年代末，活塞式发动机达到发展的顶峰，年产量达数十万台，装备上百万架飞机。

由于活塞式发动机的根本原理限制了其速度的提升（难以接近或超过声速），此后60年，功率更大、重量更轻、高速性能更好的涡轮发动机逐步取代了活塞式发动机。

在技术发展的推动下，涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴和桨扇发动机在不同时期、不同飞行领域内发挥着各自的作用，使航空器性能不断跨越新台阶。

在世界范围内，军用航空发动机往往是先于战斗机进行研制，以配合战斗机对动力性能的需求，因此其发展历程与战斗机的发展分代有明显对应关系。

二战结束后，战斗机进入喷气时代，但东西方两大阵营的冷战，使得对于喷气式战斗机的划代出现了两种标准，一种是前苏联（俄罗斯）的五代标准，一种是美国的四代标准，而美国目前也逐步转为五代标准。

近几年来，美国对战机的分代逐渐转为新的五代标准，美国官方、媒体等都越来越广泛的使用“第五代战斗机”的说法。

曾任美国航空航天博物馆馆长、现为美国国家航空协会主席的沃尔特?博伊恩撰写《代沟》一文，系统回顾并总结了世界喷气式战斗机的发展史，明确将喷气式战斗机划分为五代（F-15、F-16为四代，F-22为五代）；美国空军协会官方刊物《空军》杂志责任编辑约翰-特帕克为该刊撰写的《第六代战斗机》一文中，将F-22称为五代战机；美国国防部在其2011年的《中国军力报告》中，将F-11、Su-27称为四代战机，将歼-20划为五代；等等。

图1叶根榫槽颈部宽度示意叶片中间体与叶根设计依据气动设计确定的叶片型线，匹配合适的叶根中间体与叶根结构，叶片安装方式为轴向安装，且与轴向有一定的安装角。

叶片中间体设计需保证叶型底部截面内背弧线及进出气测圆角与中间体各边需保持一定距离。

叶片整体重心应尽量靠近坐标原点。

中间体轴向保留一定的安装同时，需要设计动叶与静叶环间气封结构，中间体轴向两侧各伸出1.5mm，与静叶环相应结构配合。

叶型根部导圆按设计经验与实际加工需求，取2.5mm。

榫槽与中间体之间分别保留合理的空腔尺寸，轮盘隔热要求。

最终设计的动叶结构示意图见图固有模态FEA计算网格与边界条件通过Hypermesh软件进行有限元网格划分，有限元网格模型示意图见图3。

叶片FEA分析采用三维模型开展，叶片采用带中间节点的高阶六面体Solid186单元；②材料为铸造镍基高温合金K438；③静强度分析时，约束条件为榫头齿面上建立局部直角坐标系，施加局部坐标系下的法向约束，叶片榫头与后挡板接触位置施加轴向约束；④振动特性分析时，约束条件为榫头齿面上建立局部直角坐标系，施加全约束；⑤叶型厚度方向网格不低于4层；⑥施加额定转速下的离心载荷及温度场、空气系统二次流腔压与主流道气动压力分布。

2.2叶片振动特性分析采用ANSYS Workbench模块进行有限元前处理与相关FEA分析。

分别计算了静频与动频，用于绘制坎贝尔图，评估该级叶片是否满足设计准则中共振裕度的要求。

计算动频时，需要全部载荷加载完成后进行静强度分析，再考虑预应力进行model分析。

计算了该级叶片固有频率与设计点动频，根据频率计算结果，绘制了坎贝尔图，见图4。

图4该叶片坎贝尔图由坎贝尔图可知，该级叶片振动特性满足设计要求。

3网格密度对频率的影响在设计阶段，必须要保证叶片振动共振特性能满足强度设计准则，而在实际分析过程中发现，网格对叶片固有频率计算有着不可忽视的影响。

由于叶片网格划分的密度不同，对计算结果会产生一定的影响，甚至可能会出现某种网格下，满足共振裕度要求，而更改网格后计算出的动频不能满足共振裕度要求的情况。

第 44 卷第 2 期2024 年 4 月振动、测试与诊断Vol. 44 No. 2Apr.2024 Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis某型航空发动机振动值波动故障诊断和排除∗丁小飞1，2，廖明夫1，韩方军2，王俨剀1（1.西北工业大学动力与能源学院西安，710072）（2.中国航空发动机集团沈阳发动机研究所沈阳，110015）摘要针对某型航空发动机试车过程中的稳态振动波动问题，开展了时域和频域分析，指出振动波动是由于低压2倍频和高压基频振动拍振所引起。

推导了航空发动机拍振引起的振动响应，建立了某型航空发动机双转子动力学模型，并进行了仿真分析。

仿真结果表明，当发动机两个激振力频率相近时，会产生拍振引起振动波动，仿真结果与试验结果相吻合。

结合发动机结构和其工作特点，分析了发动机形成低压倍频⁃高压基频耦合拍振的条件，给出了拍振排除方法，并通过试验验证了方法的正确性。

工程上可以通过调整高压和低压转子转差关系，将转速比调整到合理范围内即可消除拍振。

关键词航空发动机；双转子；拍振；振动波动中图分类号V231.96引言航空发动机整机振动问题是制约发动机发展、影响发动机结构完整性和可靠性的关键故障之一［1］。

针对航空发动机整机振动的故障特征和识别问题，国内外学者在航空发动机不平衡［2⁃3］、不对中［4⁃5］、热变形［6］、碰摩［7⁃8］和积油［9］等方面开展了大量的仿真和试验研究，得到了典型的振动特征和表现。

多数工作是基于理论和试验开展的单一影响因素的分析研究，但在实际工作过程中，航空发动机整机振动的特点是多频、多源耦合的振动［10］。

现代涡扇发动机均采用双转子甚至三转子结构［11］，同时又存在复杂的连接结构，在装配过程中大多数工艺参数难以测量，无法保证装配质量的重复性［12］，导致航空发动机整机振动问题异常复杂。

当两个激振源比较接近时，发动机容易出现拍振现象，继而引发发动机振动监测值的波动。