航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的通風(fēng)裝置對控制滑油消耗、保障發(fā)動機(jī)續(xù)航能力具有關(guān)鍵作用。針對某型采用滑油附件與附件機(jī)匣一體化設(shè)計的航空發(fā)動機(jī)，其金屬海綿式超高轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)器在壽命試驗中出現(xiàn)內(nèi)部海綿芯體及銷釘變形故障，本文通過有限元強(qiáng)度計算模型，揭示了金屬海綿芯體材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足是導(dǎo)致變形的根本原因。基于故障機(jī)理分析，采用NiCrAl三元合金體系替代原NiCr二元合金體系，將強(qiáng)化方式由單純固溶強(qiáng)化改為固溶強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化相結(jié)合，并通過優(yōu)化制備工藝提升材料顯微結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。改進(jìn)后金屬海綿芯體的彈性模量達(dá)到803 MPa，壓縮屈服強(qiáng)度提升至10.1 MPa，銷釘最大應(yīng)力由735 MPa降至245 MPa。超轉(zhuǎn)試驗（34 366 r/min穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)5 min）及2 000 h壽命試驗驗證表明，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變形，與各部件貼合緊密，滿足發(fā)動機(jī)使用要求。形成的強(qiáng)度計算方法、溫度修正系數(shù)確定方法及試驗參數(shù)設(shè)計方法，可為高轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

一、離心通風(fēng)器核心作用及性能研究

1.1 離心通風(fēng)器在航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)中的核心作用

航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)承擔(dān)著高低壓轉(zhuǎn)子支點軸承、傳動齒輪等關(guān)鍵部件的潤滑與冷卻任務(wù)，其工作可靠性直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)的整體壽命與飛行安全。潤滑系統(tǒng)中，滑油在完成對各摩擦副的潤滑后，會與密封空氣混合形成油氣混合物，若直接將此混合物排出發(fā)動機(jī)外，不僅造成滑油的大量消耗，還會對環(huán)境污染產(chǎn)生不利影響。離心通風(fēng)器作為潤滑系統(tǒng)通風(fēng)管路末端的關(guān)鍵部件，其核心功能在于利用旋轉(zhuǎn)構(gòu)件產(chǎn)生的離心力場，對通風(fēng)管路中的油氣混合物進(jìn)行高效分離——將密度較大的滑油液滴從混合物中分離出來，使其返回軸承腔繼續(xù)參與循環(huán)，而分離后的空氣則排出發(fā)動機(jī)外。這一分離過程的有效性直接決定了發(fā)動機(jī)的滑油消耗量水平，進(jìn)而影響滑油箱的設(shè)計容積以及飛機(jī)的最大續(xù)航時間。對于軍用航空發(fā)動機(jī)而言，較低的滑油消耗量意味著在相同滑油攜行量下可獲得更長的留空時間，或在滿足既定續(xù)航要求下可減小滑油箱體積、減輕發(fā)動機(jī)重量，其重要性不言而喻。

1.2 國內(nèi)外離心通風(fēng)器性能研究現(xiàn)狀

圍繞離心通風(fēng)器的性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作，形成了從流場仿真到試驗驗證的系統(tǒng)性研究方法。

在數(shù)值仿真研究方面，EASTWICK等較早地對通風(fēng)器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值計算，分析了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對通風(fēng)器性能的影響規(guī)律，為后續(xù)研究奠定了方法論基礎(chǔ)。ELSAYED、GLAHN等學(xué)者聚焦于離心通風(fēng)器在油氣兩相流條件下的工作特性，深入研究了速度分布、流動阻力以及分離效率等關(guān)鍵性能指標(biāo)的變化規(guī)律。國內(nèi)學(xué)者徐讓書、胡慧等采用數(shù)值模擬方法對離心通風(fēng)器的通風(fēng)阻力影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，揭示了轉(zhuǎn)速、通風(fēng)量等參數(shù)對阻力特性的作用機(jī)制。韓金在、陳聰慧等針對超高轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)器開展了性能仿真分析，研究了在極端轉(zhuǎn)速條件下通風(fēng)器的內(nèi)部流動特征和分離效率變化。荊帥等則分別對孔徑式通風(fēng)器和輻板式通風(fēng)器的阻力計算模型進(jìn)行了深入研究，建立了相應(yīng)的阻力特性分析方法。在試驗研究方面，蔡毅、楊家軍等通過搭建模擬通風(fēng)器油霧工作環(huán)境的試驗平臺，綜合運(yùn)用測質(zhì)量法與光學(xué)測量方法，獲取了分離效率、粒徑分布與壓降等關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)空氣質(zhì)量基本不影響油霧粒度分布，而壓降隨質(zhì)量流量和轉(zhuǎn)速增加而增加。陳會敏運(yùn)用FloEFD軟件對金屬泡沫離心通風(fēng)器內(nèi)部流動進(jìn)行了三維數(shù)值仿真，制定了金屬泡沫離心通風(fēng)裝置的阻力特性分析方案。

在故障分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，可成河等依據(jù)離心通風(fēng)器故障件的破壞形貌分析結(jié)果以及光彈性試驗數(shù)據(jù)，建立了通風(fēng)器殼體力學(xué)模型，確定了導(dǎo)致通風(fēng)器可靠性降低的原因，并提出了相應(yīng)的解決措施。趙宏達(dá)針對某型離心通風(fēng)器斷裂故障開展了結(jié)構(gòu)分析和斷口金相檢查，并結(jié)合動應(yīng)力試驗結(jié)果，確定通風(fēng)器斷裂的主要原因為齒輪軸在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生共振。

1.3 某型發(fā)動機(jī)一體化設(shè)計帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)

某型航空發(fā)動機(jī)創(chuàng)新性地采用了滑油附件與附件機(jī)匣一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，將原本需要多個獨立附件實現(xiàn)的功能集成于一個附件上。這一設(shè)計減少了附件機(jī)匣的傳動軸數(shù)量，有效縮短了傳動鏈長度，顯著縮小了附件的體積和占用空間，對于追求高推重比的先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)而言具有重要的工程價值。然而，一體化設(shè)計不可避免地帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)：由于空間布局的限制和傳動關(guān)系的改變，離心通風(fēng)器的傳動軸轉(zhuǎn)速大幅提高，最高穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速達(dá)到27 000 r/min。這一轉(zhuǎn)速水平遠(yuǎn)超傳統(tǒng)離心通風(fēng)器6 000～9 000 r/min的設(shè)計轉(zhuǎn)速范圍，對旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗疲勞性能以及長期工作可靠性提出了極為苛刻的要求。在此背景下，確保超高轉(zhuǎn)速條件下離心通風(fēng)器的結(jié)構(gòu)完整性和功能可靠性，成為該型發(fā)動機(jī)研制過程中必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)難題。

二、離心通風(fēng)器結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 金屬海綿式離心通風(fēng)器的結(jié)構(gòu)組成

金屬海綿式超高轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)器采用緊湊化模塊設(shè)計，主要由通風(fēng)器轉(zhuǎn)子、通風(fēng)器外罩、金屬海綿芯體以及固定銷釘四大部分構(gòu)成。通風(fēng)器轉(zhuǎn)子作為旋轉(zhuǎn)核心部件，其上設(shè)有出氣口和空腔結(jié)構(gòu)，空腔結(jié)構(gòu)的側(cè)壁設(shè)計有徑向延伸的擋邊，擋邊上周向分布多個進(jìn)氣孔。通風(fēng)器外罩安裝在轉(zhuǎn)子空腔結(jié)構(gòu)的通孔外側(cè)，與轉(zhuǎn)子空腔結(jié)構(gòu)外壁之間形成特定的流動通道，外罩軸向上設(shè)置有一個或多個甩油孔，用于將分離后的滑油甩出。金屬海綿芯體共三件，周向均布安裝于通風(fēng)器外罩與轉(zhuǎn)子之間的分離腔內(nèi)，每件芯體由銷釘固定于通風(fēng)器外罩上，防止其在工作過程中發(fā)生周向串動。這種多件組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計既保證了足夠的油氣分離面積，又便于各部件的加工制造和裝配維護(hù)。整個通風(fēng)器組件安裝于發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣內(nèi)部，通過內(nèi)花鍵與附件機(jī)匣的傳動軸連接，實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。

2.2 離心通風(fēng)器的工作過程與分離機(jī)理

離心通風(fēng)器的工作過程基于油氣兩相介質(zhì)在離心力場中的密度差異實現(xiàn)分離。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，附件機(jī)匣內(nèi)的油氣混合物在壓差作用下由通風(fēng)器外罩上的進(jìn)氣孔進(jìn)入通風(fēng)器內(nèi)部?；旌衔锸紫攘鹘?jīng)金屬海綿芯體，隨后進(jìn)入由外罩與轉(zhuǎn)子構(gòu)成的通道，最終通過轉(zhuǎn)子上的通孔進(jìn)入轉(zhuǎn)子空腔結(jié)構(gòu)。在這一流動過程中，由于通風(fēng)器轉(zhuǎn)子以超高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)（最高27 000 r/min），在其內(nèi)部形成強(qiáng)大的離心力場?；旌衔镏忻芏容^大的滑油液滴在離心力作用下被徑向甩出，撞擊并附著在金屬海綿芯體的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上。這些被捕集的滑油液滴在金屬海綿表面逐漸聚結(jié)形成油膜，并在離心力持續(xù)作用下沿海綿孔隙向外遷移，最終通過外罩上的甩油孔被甩出至通風(fēng)器外罩內(nèi)壁面，再經(jīng)由回油孔流回機(jī)匣腔內(nèi)繼續(xù)參與潤滑循環(huán)。與此同時，混合物中密度較小的空氣以及少量未被完全分離的微小滑油顆粒則沿著轉(zhuǎn)子中心的軸向通道流動，經(jīng)由排氣段排出至發(fā)動機(jī)外。這種基于離心分離與多孔介質(zhì)捕集雙重機(jī)制的分離方式，使得金屬海綿式通風(fēng)器能夠在超高轉(zhuǎn)速條件下獲得較高的分離效率。

三、金屬海綿芯體變形故障分析與改進(jìn)

3.1 試驗中出現(xiàn)的變形故障現(xiàn)象

在離心通風(fēng)器隨附件機(jī)匣開展的長壽命試驗過程中，當(dāng)通風(fēng)器累計運(yùn)轉(zhuǎn)時間約240小時后，采用工業(yè)CT對金屬海綿芯體進(jìn)行無損掃描檢測，發(fā)現(xiàn)了異常跡象：金屬海綿芯體的內(nèi)徑較原始狀態(tài)有所增加，原本應(yīng)與通風(fēng)器轉(zhuǎn)子外壁面緊密貼合的芯體內(nèi)環(huán)面出現(xiàn)了明顯分離間隙。進(jìn)一步的分解檢查揭示了更詳細(xì)的故障信息：金屬海綿芯體不僅整體內(nèi)徑擴(kuò)大，而且靠近外罩位置的芯體材料出現(xiàn)了輕微的堆積現(xiàn)象，呈現(xiàn)出塑性變形的特征；與此同時，用于固定金屬海綿芯體的三件銷釘也發(fā)生了不同程度的彎曲變形。這些變形現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)表明，在超高轉(zhuǎn)速（最高穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速27 000 r/min）條件下長時間運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，離心通風(fēng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)承受著極為嚴(yán)苛的力學(xué)載荷。金屬海綿芯體在自身質(zhì)量產(chǎn)生的巨大離心力作用下發(fā)生徑向擴(kuò)張，當(dāng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足以抵抗這種離心載荷時，便產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形；而芯體的變形又對與之接觸的銷釘施加了額外的擠壓力，導(dǎo)致銷釘在自身離心力和芯體壓力的共同作用下發(fā)生彎曲。這種結(jié)構(gòu)變形不僅改變了通風(fēng)器內(nèi)部的氣流通道尺寸，更破壞了轉(zhuǎn)子與芯體之間的配合關(guān)系，可能對通風(fēng)器的分離效率和長期工作可靠性產(chǎn)生不利影響。

3.2 強(qiáng)度計算模型的建立與故障原因分析

為深入揭示金屬海綿芯體及銷釘變形的力學(xué)機(jī)理，建立了離心通風(fēng)器的有限元強(qiáng)度計算模型。模型充分考慮了通風(fēng)器的實際幾何結(jié)構(gòu)、材料特性以及載荷工況：計算轉(zhuǎn)速設(shè)定為27 000 r/min的最高穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，環(huán)境溫度取150℃以模擬附件機(jī)匣內(nèi)的實際工作溫度，材料參數(shù)采用多件試驗件測試結(jié)果的平均值以保證計算結(jié)果的代表性。有限元分析結(jié)果表明，在超高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)條件下，金屬海綿芯體在離心力作用下產(chǎn)生顯著的徑向變形。這種變形導(dǎo)致金屬海綿芯體與銷釘?shù)慕Y(jié)合部位產(chǎn)生了較高的接觸應(yīng)力——芯體材料的最大應(yīng)力達(dá)到15.0 MPa。與此同時，銷釘不僅承受自身質(zhì)量引起的離心力載荷，還承受著因金屬海綿芯體變形而對銷釘施加的附加壓力，在這雙重載荷的共同作用下，銷釘內(nèi)部的應(yīng)力水平處于極高狀態(tài)，最大應(yīng)力值高達(dá)735 MPa，遠(yuǎn)超過其材料的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致銷釘發(fā)生彎曲變形。

基于計算結(jié)果深入分析，金屬海綿芯體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足是導(dǎo)致整個變形故障的根本原因。芯體材料的屈服強(qiáng)度無法抵抗超高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的離心應(yīng)力，使其首先發(fā)生塑性變形；芯體變形后又將附加載荷傳遞給銷釘，進(jìn)一步加劇了銷釘?shù)氖芰顟B(tài)，最終導(dǎo)致兩者的協(xié)同失效。這一故障機(jī)理清晰地表明，解決離心通風(fēng)器結(jié)構(gòu)變形問題的關(guān)鍵在于提升金屬海綿芯體材料自身的強(qiáng)度性能，而不是簡單地增加銷釘尺寸或改變固定方式，因為只要芯體發(fā)生變形，無論銷釘如何強(qiáng)化都難以避免其受載變形的后果。

3.3 金屬海綿芯體的材料改進(jìn)與制備工藝優(yōu)化

針對金屬海綿芯體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足這一根本原因，在保證不顯著增加材料密度的前提下，制定了系統(tǒng)的改進(jìn)方案。改進(jìn)思路從材料科學(xué)的基本原理出發(fā)，綜合運(yùn)用合金成分優(yōu)化、強(qiáng)化機(jī)制調(diào)整以及顯微結(jié)構(gòu)控制等多種手段，全面提升金屬海綿芯體的力學(xué)性能。

在合金成分方面，采用NiCrAl三元合金體系替代原有的NiCr二元合金體系。鎳（Ni）作為基體元素保證材料的基本力學(xué)性能和抗氧化能力，鉻（Cr）的加入提高材料的耐腐蝕性能和固溶強(qiáng)化效果，而鋁（Al）的引入則具有多重作用——既能形成沉淀強(qiáng)化相，又能通過表面氧化形成致密的Al?O?保護(hù)膜，提高材料在高溫環(huán)境下的抗氧化能力。在強(qiáng)化機(jī)制方面，將原有的單純合金固溶強(qiáng)化方式，改進(jìn)為固溶強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化相結(jié)合的綜合強(qiáng)化方式。固溶強(qiáng)化通過合金元素融入基體晶格產(chǎn)生晶格畸變，阻礙位錯運(yùn)動；沉淀強(qiáng)化則通過細(xì)小彌散的金屬間化合物顆粒在基體中析出，對位錯運(yùn)動形成有效釘扎。兩種強(qiáng)化機(jī)制的協(xié)同作用可顯著提升材料的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）和比模量（彈性模量/密度），這對于追求輕量化的航空構(gòu)件而言尤為重要。

在顯微結(jié)構(gòu)控制方面，開展了系統(tǒng)的金屬海綿芯體材料顯微結(jié)構(gòu)分析及晶粒尺寸研究。通過優(yōu)化金屬海綿的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，使材料的承載結(jié)構(gòu)更加合理，應(yīng)力分布更為均勻。通過大量工藝試驗，最終確定了Ni、Cr、Al成分分層覆膜及長時固溶合金化的制備工藝路線。該工藝首先將各合金成分以膜層形式分層覆著在海綿骨架表面，然后通過長時間的高溫固溶處理，使各層元素充分?jǐn)U散合金化，形成成分均勻、組織細(xì)密的合金組織。采用萬能試驗機(jī)對改進(jìn)前后金屬海綿芯體材料的室溫準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能進(jìn)行測試，結(jié)果表明改進(jìn)后的材料表現(xiàn)出顯著的性能提升：彈性模量達(dá)到803 MPa，壓縮屈服強(qiáng)度達(dá)到10.1 MPa，完全滿足了超高轉(zhuǎn)速工況下的使用要求。

3.4 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計算驗證

針對改進(jìn)后的金屬海綿芯體及銷釘結(jié)構(gòu)，采用與改進(jìn)前完全相同的計算工況（轉(zhuǎn)速27 000 r/min，環(huán)境溫度150℃）再次開展強(qiáng)度計算。計算結(jié)果顯示，由于改進(jìn)后金屬海綿芯體的彈性模量顯著提高，材料抵抗變形的能力大幅增強(qiáng)，在相同離心載荷作用下產(chǎn)生的變形量有效降低。金屬海綿芯體的最大應(yīng)力由改進(jìn)前的15.0 MPa降至5.4 MPa，這一應(yīng)力水平已低于改進(jìn)后材料的壓縮屈服強(qiáng)度（10.1 MPa），滿足靜強(qiáng)度設(shè)計要求。更為重要的是，由于芯體自身變形量減小，其對銷釘施加的附加載荷也相應(yīng)降低；銷釘僅在自身離心力和較小芯體壓力作用下工作，其最大應(yīng)力由改進(jìn)前的735 MPa大幅下降至245 MPa，這一應(yīng)力值遠(yuǎn)低于銷釘材料的屈服強(qiáng)度（674 MPa）。計算結(jié)果表明，通過提升金屬海綿芯體材料的強(qiáng)度性能，不僅直接解決了芯體自身的變形問題，還間接改善了銷釘?shù)氖芰顟B(tài)，使整個離心通風(fēng)器的結(jié)構(gòu)完整性得到根本性提升。

四、改進(jìn)后離心通風(fēng)器的試驗驗證

4.1 試驗前狀態(tài)檢查

為驗證改進(jìn)后的金屬海綿芯體是否滿足工程應(yīng)用要求，對配裝改進(jìn)芯體的離心通風(fēng)器開展了系統(tǒng)的試驗驗證工作。在試驗正式開始前，對每一件待試離心通風(fēng)器均進(jìn)行精密工業(yè)CT掃描，建立完整的初始狀態(tài)記錄。CT掃描結(jié)果顯示，改進(jìn)后的金屬海綿芯體組織均勻致密，三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)完整，無任何原始缺陷；三件芯體在通風(fēng)器外罩內(nèi)周向均布安裝到位，與殼體內(nèi)外圓的配合間隙符合設(shè)計要求；固定銷釘裝配位置準(zhǔn)確，與芯體接觸關(guān)系正常。這些前期檢查確保了后續(xù)試驗結(jié)果的可比性和有效性，也為試驗后對比分析提供了基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

4.2 超轉(zhuǎn)試驗

超轉(zhuǎn)試驗旨在驗證離心通風(fēng)器在超出最高工作轉(zhuǎn)速的極端條件下的結(jié)構(gòu)完整性和抗變形能力。由于旋轉(zhuǎn)試驗器無法同時實現(xiàn)高溫環(huán)境（150℃）和超高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行條件，需確定合適的溫度修正系數(shù)，以實現(xiàn)在常溫環(huán)境（20℃）下模擬高溫環(huán)境中的工作狀態(tài)。溫度修正基于材料強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律：金屬海綿芯體材料NiCrAl合金在20℃下的抗拉強(qiáng)度為700 MPa，在150℃下的抗拉強(qiáng)度為630 MPa，強(qiáng)度下降約10%。為保證常溫試驗的考核效果與高溫工況等效，需相應(yīng)提高試驗轉(zhuǎn)速以補(bǔ)償材料強(qiáng)度升高帶來的影響。結(jié)合離心通風(fēng)器最高轉(zhuǎn)速為28 350 r/min（最高穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速27 000 r/min的105%），超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速設(shè)為最高轉(zhuǎn)速的115%，經(jīng)溫度修正系數(shù)計算，確定離心通風(fēng)器超轉(zhuǎn)試驗的轉(zhuǎn)速為34 366 r/min（28 350 r/min×1.0541×115%）。試驗要求在此轉(zhuǎn)速下穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)5分鐘，以充分考核結(jié)構(gòu)在極端離心載荷下的響應(yīng)。

超轉(zhuǎn)試驗完成后，對離心通風(fēng)器再次進(jìn)行CT掃描檢查。掃描圖像顯示，經(jīng)過34 366 r/min超高轉(zhuǎn)速離心載荷考核后，金屬海綿芯體結(jié)構(gòu)依然保持均勻完整，與殼體內(nèi)外圓的貼合緊密無隙，上下端面平整無翹曲，與銷釘?shù)慕佑|部位未見任何異常。芯體未發(fā)生明顯變形和掉塊現(xiàn)象，銷釘保持平直無彎曲。超轉(zhuǎn)試驗的成功表明改進(jìn)后的金屬海綿芯體具有足夠的瞬時過載承受能力，能夠可靠地承受超出正常工作轉(zhuǎn)速115%的極端載荷而不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。

4.3 壽命試驗

超轉(zhuǎn)試驗驗證了結(jié)構(gòu)的瞬時強(qiáng)度，而壽命試驗則旨在考核金屬海綿芯體的持久運(yùn)行能力和抗疲勞性能。在專用旋轉(zhuǎn)試驗器上，依據(jù)發(fā)動機(jī)實際運(yùn)行轉(zhuǎn)速譜編制了通風(fēng)器壽命試驗程序。試驗循環(huán)包含從起動、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行到停車的完整過程，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到28 350 r/min，單個循環(huán)運(yùn)行時間3分鐘，整個試驗程序共計10小時，需完成200個循環(huán)。試驗在200小時、600小時、1 500小時和2 000小時等關(guān)鍵節(jié)點分別停機(jī)進(jìn)行CT掃描檢測，以跟蹤結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化歷程。

在離心通風(fēng)器完成600小時試驗后的首次中間檢查中，CT掃描顯示金屬海綿芯體與銷釘接觸部位未見異常磨損或變形，與殼體外壁接觸部位未出現(xiàn)改進(jìn)前曾觀察到的材料密集堆積現(xiàn)象。當(dāng)試驗累計進(jìn)行至1 500小時時，第二次CT掃描結(jié)果依然令人滿意：芯體與殼體內(nèi)壁貼合良好，未見任何因塑性變形導(dǎo)致的分離間隙，三件芯體的相對位置保持穩(wěn)定。最終在完成全部2 000小時壽命試驗后的終檢中，CT掃描圖像證實金屬海綿芯體結(jié)構(gòu)狀態(tài)與試驗前相比無明顯變化，與銷釘?shù)慕佑|關(guān)系正常，與內(nèi)外殼體的配合緊密，材料組織依然均勻致密。長達(dá)2 000小時的壽命試驗結(jié)果表明，改進(jìn)后的金屬海綿芯體具備優(yōu)異的抗變形能力和長期工作穩(wěn)定性，能夠滿足發(fā)動機(jī)在全壽命周期內(nèi)的使用要求。

五、結(jié)論與展望

5.1 研究結(jié)論

針對航空發(fā)動機(jī)金屬海綿式超高轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)器在試驗中出現(xiàn)的金屬海綿芯體及銷釘變形問題，本文通過故障分析、強(qiáng)度計算、材料改進(jìn)和試驗驗證，得出以下主要結(jié)論：

（1）離心通風(fēng)器內(nèi)金屬海綿芯體及銷釘變形的根本原因為金屬海綿芯體材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。在27 000 r/min超高轉(zhuǎn)速條件下，芯體自身產(chǎn)生的離心應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致發(fā)生塑性變形；芯體變形后對銷釘施加附加載荷，進(jìn)一步引起銷釘彎曲，形成協(xié)同失效。

（2）采用NiCrAl三元合金體系替代原NiCr二元合金體系，將強(qiáng)化方式由單純固溶強(qiáng)化改為固溶強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化相結(jié)合，并通過優(yōu)化制備工藝控制顯微結(jié)構(gòu)，可顯著提升金屬海綿芯體的力學(xué)性能。改進(jìn)后材料彈性模量達(dá)到803 MPa，壓縮屈服強(qiáng)度達(dá)到10.1 MPa，滿足了超高轉(zhuǎn)速工況的使用要求。

（3）強(qiáng)度計算表明，改進(jìn)后的金屬海綿芯體最大應(yīng)力由15.0 MPa降至5.4 MPa，低于材料屈服強(qiáng)度；銷釘最大應(yīng)力由735 MPa降至245 MPa，低于其屈服強(qiáng)度（674 MPa）。結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)得到根本性改善。

（4）超轉(zhuǎn)試驗（34 366 r/min穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)5 min）和2 000小時壽命試驗驗證了改進(jìn)方案的可行性。試驗后CT掃描顯示金屬海綿芯體結(jié)構(gòu)均勻完整，與各部件貼合緊密，未發(fā)生明顯變形和掉塊。

（5）本文采用的金屬海綿芯體強(qiáng)度數(shù)值計算方法、溫度修正系數(shù)確定方法以及超轉(zhuǎn)試驗參數(shù)設(shè)計方法，可為后續(xù)離心通風(fēng)器的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。

5.2 研究展望

基于本文的研究工作和當(dāng)前技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，未來可在以下方向開展深入研究：

（1）多物理場耦合強(qiáng)度分析：當(dāng)前強(qiáng)度計算主要考慮離心力載荷，而實際工作狀態(tài)下金屬海綿芯體同時承受離心力、氣流沖擊力、溫度應(yīng)力以及振動載荷的聯(lián)合作用。建立考慮流-固-熱多物理場耦合的強(qiáng)度分析模型，可獲得更接近實際的應(yīng)力分布規(guī)律，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的精準(zhǔn)性。

（2）金屬海綿材料微觀力學(xué)行為研究：金屬海綿作為一種多孔材料，其宏觀力學(xué)性能與微觀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、基體材料特性以及制備工藝密切相關(guān)。深入研究金屬海綿的微觀變形機(jī)制、疲勞損傷演化規(guī)律以及失效判據(jù)，對于指導(dǎo)材料優(yōu)化和壽命預(yù)測具有重要意義。

（3）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)：將光纖光柵等傳感元件集成于離心通風(fēng)器關(guān)鍵部位，實現(xiàn)對其運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測，可實時掌握結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，為視情維修和壽命管理提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）輕量化與多功能一體化設(shè)計：在滿足強(qiáng)度要求的前提下，進(jìn)一步探索金屬海綿芯體的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)更輕的質(zhì)量和更高的分離效率；同時研究將通風(fēng)器與其他潤滑系統(tǒng)附件功能集成的可能性，推動航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)向更緊湊、更高效的方向發(fā)展。

&注：此文章內(nèi)使用的圖片部分來源于【燃?xì)鉁u輪試驗與研究 39卷, 1期: 119 - 126 (2026) | 結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、振動 】及公開網(wǎng)絡(luò)獲取，僅供參考使用，配圖作用于文章整體美觀度，如侵權(quán)可聯(lián)系我們刪除，如需進(jìn)一步了解公司產(chǎn)品及商務(wù)合作，請與我們聯(lián)系?。?/span>

湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競爭力提供堅實支撐。

公司總部位于長沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號，株洲市天元區(qū)動力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測、測試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標(biāo)測試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動機(jī)、無人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實力。

公司已通過 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證，以嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)保障產(chǎn)品質(zhì)量。公司注重知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和利用，積極申請發(fā)明專利、實用新型專利和軟著，目前累計獲得的知識產(chǎn)權(quán)已經(jīng)有10多項。湖南泰德航空以客戶需求為導(dǎo)向，積極拓展核心業(yè)務(wù)，與國內(nèi)頂尖科研單位達(dá)成深度戰(zhàn)略合作，整合優(yōu)勢資源，攻克多項技術(shù)難題，為進(jìn)一步的發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

湖南泰德航空始終堅持創(chuàng)新，建立健全供應(yīng)鏈和銷售服務(wù)體系、堅持質(zhì)量管理的目標(biāo)，不斷提高自身核心競爭優(yōu)勢，為客戶提供更經(jīng)濟(jì)、更高效的飛行器動力、潤滑、冷卻系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等解決方案。