【航空小课堂】用身躯转动大发的机械系统！

机械系统给航空发动机设计与研制带来了不同于一般机械学的技术难题，设计上受到了日新月异的挑战。航空发动机技术领先的国家都具备强劲的机械设计力量，比如美国航空宇航局（NASA）的动力传输研究室、普惠公司发展部轴承密封部等。

长期以来，我国在发动机研制过程中，重视三大部件而轻视机械系统的思想制约了机械系统的发展，导致航空附件传动系统的发展落后于航空发动机的研究发展，成为了中国航空发动机的软肋！

振奋人心的是，商发非常重视机械系统的研发，已经成立了由传动团队和润滑与支撑团队组成的机械系统部，成为卓越机械设计力量的重担就落在我们身上！

那么机械系统在什么地方呢？我们来看看“大发”的解剖图——绿色的部分是传动系统，黄色的部分是润滑与支撑系统，合起来就是机械系统咯：

中航商发自主研制的窄体客机发动机剖面图

机械系统家族成员大巡礼

下面这个图简要介绍了机械系统大家族——注意，只是“简要”介绍~~

机械系统家谱传动系统主要具有两大功能：一是在发动机起动时，传动系统从起动机提取功率带动发动机转动；二是在发动机正常运行时，从发动机高压转子提取功率带动各附件工作。感觉有点绕对吧，已经给各位备好图啦：

发动机起动原理图

我们通常把传动系统称为动力之源，为什么呢？

因为飞机液压、气压、电气系统的动力都是它提供的，而且保证发动机有效工作的各种泵和控制系统的动力也全是由它提供的，是不是棒棒哒~~由于这些装置存在很高的依赖性，所以传动系统的可靠性要求是非常非常高的！

下面来看传动系统总体结构。以最唯美的45度角给传动系统来张全身像——完美！传动系统包括中央传动齿轮箱（IGB）、径向传动杆（RDS）、转接齿轮箱（TGB）、水平传动杆（HDS）及附件传动齿轮箱（AGB）。

发动机传动系统

传动系统是相当和谐的三口之家：IGB是家里的顶梁柱，与发动机的旋转轴相连，发动机转起来之后，IGB就担任起养家糊口的大梁，从旋转轴提取功率送给爱妻AGB，确保她能永葆青春活力无限~~TGB就是IGB与AGB爱的纽带啦，RDS和HDS是TGB的胳膊，一边拉着爸爸IGB，一边拉着妈妈AGB，两只小胳膊虽然很细，但是非常坚定！

为了向大家清晰地描述传动系统的子结构，我只能暂时拆散这个美满的家庭了~T_T~

中央传动齿轮箱IGB

IGB处在“大发”的核心部位，要想让它舒舒服服安顿好可不是那么容易的事情！因为既要让RDS能够自由伸展，又不能占用“大发”核心太多空间。经历一番思量，最终决定给IGB与高压压气机亲密接触的机会。

径向传动杆RDS

为了减少对空气流的干扰，RDS的直径应该尽可能小。直径越小，为了提供同样的功率，轴就应当转动得越快。大家想想，一根直径不到4厘米的轴以每分钟25000圈的速度高速旋转，会振得多厉害！因此要在RDS中间安装一个轴承才能保证RDS平稳运转。

转接齿轮箱TGB+水平传动杆HDS

此时TGB俨然成了独臂大侠~~跟TGB连着的另一条胳膊就是刚刚介绍过的RDS。通常将AGB安装在高压压气机外壳上，并通过里面的锥齿轮来改变通向AGB的传动方向。

附件传动齿轮箱AGB

这只没熟的香蕉就是AGB~~不是因为设计师们最爱吃香蕉哦，完全出于科学考虑，为了降低飞机飞行中的阻力，尽可能地减小迎风面积，这点非常重要！AGB包括各附件的传动装置，来自起动机的传动装置，为各个附件装置提供安装座。为了维护方便，AGB配有可以手动起动发动机的手动杆，并且通常位于发动机的下部，以方便地勤人员接近。

传动链是传动系统的精髓，传递能量带动发动机和附件运转全靠它！脱掉外套就可以清晰地看见整个传动链：

传动系统的传动链

有没有发现AGB的直齿轮大小各不相同？这可是设计师们精心策划的哦，为了保证齿轮上的每一个齿在每转一圈时不与它对应的齿再度啮合，从而可以将磨损均匀地分布到所有的齿上，很机智吧！

看到这里，相信聪明的亲们对传动系统已经有了大概的印象了吧~~

现在来点国际尖端的！

高大上的GTF

商发肩负着“为世界提供绿色动力”的使命，并且紧跟国际潮流，已经全面展开了齿轮传动涡扇（GTF）发动机的研制工作，GTF中的“G”指“Gear”，是齿轮传动的意思，由我们机械系统的传动团队进行风扇驱动齿轮箱的关键技术攻关与产品设计研发哦！

为了同时满足传动比与同轴度的要求，GTF的风扇驱动齿轮箱采用星型齿轮传动系统。为什么叫这个名字呢？因为它跟太阳系的形状非常相似，中间绿色的齿轮叫太阳轮，周围灰色的齿轮叫行星轮，不过所有的齿轮都只在原地自转，所以叫星型齿轮传动系统。

风扇驱动齿轮箱

GTF的研制比传统双转子发动机更加困难，研制成本更高，周期更长，其中的关键部件——星型传动系统齿轮箱的研发是一项“前无古人，后靠我们”的挑战！那我们为什么还要迎难而上呢？

发动机的风扇、低压压气机和低压涡轮共享一根主轴，所以它们转速相同。

很久以前，当发动机外涵道还很窄的时候，风扇相对小巧，转得快，这并不成问题，小风扇的好处是飞得快，战斗机最喜欢。但是民用客机不用像战斗机飞的那么快，还要省油，于是上世纪70年代初，出现了大涵道比涡扇发动机，风扇变成动辄直径两三米的了庞然大物，这东东的特点是转的越慢越省油，噪音还越小，于是拴在一根身上的蚂蚱们都只能跟着慢悠悠地转，这时候为了保证足够的功率和总体性能，设计师们不得不抬高低压压气机的直径与增加低压涡轮的级数。搞得部件越来越重，涵道比也提不上去，这对于上天的发动机是非常不利的。    

如何解决呢？

可以再加一根轴变成三转子发动机，就是罗罗公司干的事情，不过那样结构太复杂，想当年罗罗为了搞定三转子生生把自己玩倒闭了一回，。我们选择在风扇转子与低压转子之间加一个齿轮箱，让风扇慢慢转，而低压转子可以转得快，即成为GTF。风扇驱动齿轮箱只有一个抱枕那么大，却可以完美地解决上述难题，所以就算再艰辛，我们也要研制出来！

颜值爆表的滑油系统

传动家族介绍到此结束，下面请颜值爆表的滑油家族成员们闪亮登场！

滑油箱

滑油箱具备贮存润滑油、散发滑油热量、沉淀滑油中杂质、分离滑油中的油气的功能，保证发动机滑油的循环使用。

润滑组件

润滑组件由一级供油泵和若干级级回油泵及供油滤、卸压活门组成。主供油滤保证供给发动机的压力油清洁，为了防止主供油滤堵塞后无法给发动机提供滑油的现象发生。卸压活门能防止系统中滑油压力过高，保证系统安全。

伺服燃油加温器

伺服燃油加热器主要功能是用高温滑油来加热驱动伺服机构工作的燃油。

燃滑油散热器

燃滑油散热器主要功能是使用燃油来冷却润滑系统中的高温滑油。

回油滤

回油滤布置在润滑组件至滑油箱回油管路上，用于对各腔回油进行过滤，保证滑油的清洁度，设置旁路活门和堵塞指示器。

滑油家族是齿轮箱和轴承腔的专业服务团队，很大程度上确保了“大发”动力传输系统的可靠性！

滑油系统示意图

如果你以为滑油家族只提供润滑服务的话，就太小看人家啦！减少运动接触面的摩擦与磨损，传走摩擦所产生的热量和高温零件传给滑油的热量，带走接触面间形成的硬夹杂物等等都是滑油家族的经典服务项目哦！

介绍完机械系统的两大家族之后，再带亲们认识一下机械系统的另外两个家族——主轴轴承和轴承腔。看名字就知道它们是近亲~~

发动机的主轴转速非常高，我们需要在主轴上安装几个轴承。这可不是随随便便安装的，轴承的数量与安装位置都对发动机的总体性能有很大影响！

综合考虑多种因素，最终我们决定采用五个主轴轴承：

发动机主轴支承方案示意图

既然有轴承，就肯定要给轴承安家咯，我们称之为轴承腔。它绝对是个安全屋，可以保证轴承正常、安全可靠地工作，顺利将轴承所受的载荷传出去，与此同时，还能防止腔内滑油泄露。因此，设计轴承小屋绝非易事！

发动机轴承腔示意图

为了让轴承在豪宅里住得舒坦，我们为其配备了完善的安保设施——密封系统。轴承腔外面的一团增压空气以柔克刚，完美地堵截了试图逃跑的滑油，并且以柔软的身躯挤走了高温气体，确保持续工作的轴承和滑油不会热死。没用完的滑油就通过回油管流回油箱。

先进航空发动机要求机械系统在高温、高速、重负荷、轻重量、激烈的状态变化、紧凑的空间限制、长寿命和高可靠性下完成其功能，那么面对机械系统设计的重重挑战我们该如何应对？敬请期待下一期——机械系统设计为什么难？

（本文由中航商用航空发动机有限责任公司提供）