多物理场耦合：航空发动机润滑系统金属海绵式离心通风器高温旋转环境下变形控制与寿命评估

航空发动机润滑系统的通风装置对控制滑油消耗、保障发动机续航能力具有关键作用。针对某型采用滑油附件与附件机匣一体化设计的航空发动机，其金属海绵式超高转速离心通风器在寿命试验中出现内部海绵芯体及销钉变形故障，本文通过有限元强度计算模型，揭示了金属海绵芯体材料结构强度不足是导致变形的根本原因。基于故障机理分析，采用NiCrAl三元合金体系替代原NiCr二元合金体系，将强化方式由单纯固溶强化改为固溶强化与沉淀强化相结合，并通过优化制备工艺提升材料显微结构强度。改进后金属海绵芯体的弹性模量达到803 MPa，压缩屈服强度提升至10.1 MPa，销钉最大应力由735 MPa降至245 MPa。超转试验（34 366 r/min稳态运转5 min）及2 000 h寿命试验验证表明，改进后结构未发生明显变形，与各部件贴合紧密，满足发动机使用要求。形成的强度计算方法、温度修正系数确定方法及试验参数设计方法，可为高转速离心通风器结构优化提供技术支撑。

 

一、离心通风器核心作用及性能研究

1.1 离心通风器在航空发动机润滑系统中的核心作用

航空发动机润滑系统承担着高低压转子支点轴承、传动齿轮等关键部件的润滑与冷却任务，其工作可靠性直接关系到发动机的整体寿命与飞行安全。润滑系统中，滑油在完成对各摩擦副的润滑后，会与密封空气混合形成油气混合物，若直接将此混合物排出发动机外，不仅造成滑油的大量消耗，还会对环境污染产生不利影响。离心通风器作为润滑系统通风管路末端的关键部件，其核心功能在于利用旋转构件产生的离心力场，对通风管路中的油气混合物进行高效分离——将密度较大的滑油液滴从混合物中分离出来，使其返回轴承腔继续参与循环，而分离后的空气则排出发动机外。这一分离过程的有效性直接决定了发动机的滑油消耗量水平，进而影响滑油箱的设计容积以及飞机的最大续航时间。对于军用航空发动机而言，较低的滑油消耗量意味着在相同滑油携行量下可获得更长的留空时间，或在满足既定续航要求下可减小滑油箱体积、减轻发动机重量，其重要性不言而喻。

 

1.2 国内外离心通风器性能研究现状

围绕离心通风器的性能分析与结构优化，国内外学者开展了大量研究工作，形成了从流场仿真到试验验证的系统性研究方法。

在数值仿真研究方面，EASTWICK等较早地对通风器内部流场进行了数值计算，分析了相关结构参数对通风器性能的影响规律，为后续研究奠定了方法论基础。ELSAYED、GLAHN等学者聚焦于离心通风器在油气两相流条件下的工作特性，深入研究了速度分布、流动阻力以及分离效率等关键性能指标的变化规律。国内学者徐让书、胡慧等采用数值模拟方法对离心通风器的通风阻力影响因素进行了系统分析，揭示了转速、通风量等参数对阻力特性的作用机制。韩金在、陈聪慧等针对超高转速离心通风器开展了性能仿真分析，研究了在极端转速条件下通风器的内部流动特征和分离效率变化。荆帅等则分别对孔径式通风器和辐板式通风器的阻力计算模型进行了深入研究，建立了相应的阻力特性分析方法。在试验研究方面，蔡毅、杨家军等通过搭建模拟通风器油雾工作环境的试验平台，综合运用测质量法与光学测量方法，获取了分离效率、粒径分布与压降等关键性能数据，研究发现空气质量基本不影响油雾粒度分布，而压降随质量流量和转速增加而增加。陈会敏运用FloEFD软件对金属泡沫离心通风器内部流动进行了三维数值仿真，制定了金属泡沫离心通风装置的阻力特性分析方案。

在故障分析与结构改进方面，可成河等依据离心通风器故障件的破坏形貌分析结果以及光弹性试验数据，建立了通风器壳体力学模型，确定了导致通风器可靠性降低的原因，并提出了相应的解决措施。赵宏达针对某型离心通风器断裂故障开展了结构分析和断口金相检查，并结合动应力试验结果，确定通风器断裂的主要原因为齿轮轴在工作转速范围内发生共振。

 

1.3 某型发动机一体化设计带来的技术挑战

某型航空发动机创新性地采用了滑油附件与附件机匣一体化的结构设计理念，将原本需要多个独立附件实现的功能集成于一个附件上。这一设计减少了附件机匣的传动轴数量，有效缩短了传动链长度，显著缩小了附件的体积和占用空间，对于追求高推重比的先进航空发动机而言具有重要的工程价值。然而，一体化设计不可避免地带来了新的技术挑战：由于空间布局的限制和传动关系的改变，离心通风器的传动轴转速大幅提高，最高稳态转速达到27 000 r/min。这一转速水平远超传统离心通风器6 000～9 000 r/min的设计转速范围，对旋转构件的结构强度、抗疲劳性能以及长期工作可靠性提出了极为苛刻的要求。在此背景下，确保超高转速条件下离心通风器的结构完整性和功能可靠性，成为该型发动机研制过程中必须攻克的关键技术难题。

二、离心通风器结构及工作原理

2.1 金属海绵式离心通风器的结构组成

金属海绵式超高转速离心通风器采用紧凑化模块设计，主要由通风器转子、通风器外罩、金属海绵芯体以及固定销钉四大部分构成。通风器转子作为旋转核心部件，其上设有出气口和空腔结构，空腔结构的侧壁设计有径向延伸的挡边，挡边上周向分布多个进气孔。通风器外罩安装在转子空腔结构的通孔外侧，与转子空腔结构外壁之间形成特定的流动通道，外罩轴向上设置有一个或多个甩油孔，用于将分离后的滑油甩出。金属海绵芯体共三件，周向均布安装于通风器外罩与转子之间的分离腔内，每件芯体由销钉固定于通风器外罩上，防止其在工作过程中发生周向串动。这种多件组合式结构设计既保证了足够的油气分离面积，又便于各部件的加工制造和装配维护。整个通风器组件安装于发动机附件机匣内部，通过内花键与附件机匣的传动轴连接，实现高速旋转驱动。

2.2 离心通风器的工作过程与分离机理

离心通风器的工作过程基于油气两相介质在离心力场中的密度差异实现分离。当发动机工作时，附件机匣内的油气混合物在压差作用下由通风器外罩上的进气孔进入通风器内部。混合物首先流经金属海绵芯体，随后进入由外罩与转子构成的通道，最终通过转子上的通孔进入转子空腔结构。在这一流动过程中，由于通风器转子以超高转速旋转（最高27 000 r/min），在其内部形成强大的离心力场。混合物中密度较大的滑油液滴在离心力作用下被径向甩出，撞击并附着在金属海绵芯体的三维网格结构上。这些被捕集的滑油液滴在金属海绵表面逐渐聚结形成油膜，并在离心力持续作用下沿海绵孔隙向外迁移，最终通过外罩上的甩油孔被甩出至通风器外罩内壁面，再经由回油孔流回机匣腔内继续参与润滑循环。与此同时，混合物中密度较小的空气以及少量未被完全分离的微小滑油颗粒则沿着转子中心的轴向通道流动，经由排气段排出至发动机外。这种基于离心分离与多孔介质捕集双重机制的分离方式，使得金属海绵式通风器能够在超高转速条件下获得较高的分离效率。

三、金属海绵芯体变形故障分析与改进

3.1 试验中出现的变形故障现象

在离心通风器随附件机匣开展的长寿命试验过程中，当通风器累计运转时间约240小时后，采用工业CT对金属海绵芯体进行无损扫描检测，发现了异常迹象：金属海绵芯体的内径较原始状态有所增加，原本应与通风器转子外壁面紧密贴合的芯体内环面出现了明显分离间隙。进一步的分解检查揭示了更详细的故障信息：金属海绵芯体不仅整体内径扩大，而且靠近外罩位置的芯体材料出现了轻微的堆积现象，呈现出塑性变形的特征；与此同时，用于固定金属海绵芯体的三件销钉也发生了不同程度的弯曲变形。这些变形现象的发现表明，在超高转速（最高稳态转速27 000 r/min）条件下长时间运转过程中，离心通风器内部结构承受着极为严苛的力学载荷。金属海绵芯体在自身质量产生的巨大离心力作用下发生径向扩张，当其结构强度不足以抵抗这种离心载荷时，便产生了不可恢复的塑性变形；而芯体的变形又对与之接触的销钉施加了额外的挤压力，导致销钉在自身离心力和芯体压力的共同作用下发生弯曲。这种结构变形不仅改变了通风器内部的气流通道尺寸，更破坏了转子与芯体之间的配合关系，可能对通风器的分离效率和长期工作可靠性产生不利影响。

3.2 强度计算模型的建立与故障原因分析

为深入揭示金属海绵芯体及销钉变形的力学机理，建立了离心通风器的有限元强度计算模型。模型充分考虑了通风器的实际几何结构、材料特性以及载荷工况：计算转速设定为27 000 r/min的最高稳态转速，环境温度取150℃以模拟附件机匣内的实际工作温度，材料参数采用多件试验件测试结果的平均值以保证计算结果的代表性。有限元分析结果表明，在超高转速旋转条件下，金属海绵芯体在离心力作用下产生显著的径向变形。这种变形导致金属海绵芯体与销钉的结合部位产生了较高的接触应力——芯体材料的最大应力达到15.0 MPa。与此同时，销钉不仅承受自身质量引起的离心力载荷，还承受着因金属海绵芯体变形而对销钉施加的附加压力，在这双重载荷的共同作用下，销钉内部的应力水平处于极高状态，最大应力值高达735 MPa，远超过其材料的屈服强度，导致销钉发生弯曲变形。

基于计算结果深入分析，金属海绵芯体结构强度不足是导致整个变形故障的根本原因。芯体材料的屈服强度无法抵抗超高转速下产生的离心应力，使其首先发生塑性变形；芯体变形后又将附加载荷传递给销钉，进一步加剧了销钉的受力状态，最终导致两者的协同失效。这一故障机理清晰地表明，解决离心通风器结构变形问题的关键在于提升金属海绵芯体材料自身的强度性能，而不是简单地增加销钉尺寸或改变固定方式，因为只要芯体发生变形，无论销钉如何强化都难以避免其受载变形的后果。

3.3 金属海绵芯体的材料改进与制备工艺优化

针对金属海绵芯体结构强度不足这一根本原因，在保证不显著增加材料密度的前提下，制定了系统的改进方案。改进思路从材料科学的基本原理出发，综合运用合金成分优化、强化机制调整以及显微结构控制等多种手段，全面提升金属海绵芯体的力学性能。

在合金成分方面，采用NiCrAl三元合金体系替代原有的NiCr二元合金体系。镍（Ni）作为基体元素保证材料的基本力学性能和抗氧化能力，铬（Cr）的加入提高材料的耐腐蚀性能和固溶强化效果，而铝（Al）的引入则具有多重作用——既能形成沉淀强化相，又能通过表面氧化形成致密的Al₂O₃保护膜，提高材料在高温环境下的抗氧化能力。在强化机制方面，将原有的单纯合金固溶强化方式，改进为固溶强化与沉淀强化相结合的综合强化方式。固溶强化通过合金元素融入基体晶格产生晶格畸变，阻碍位错运动；沉淀强化则通过细小弥散的金属间化合物颗粒在基体中析出，对位错运动形成有效钉扎。两种强化机制的协同作用可显著提升材料的比强度（强度/密度）和比模量（弹性模量/密度），这对于追求轻量化的航空构件而言尤为重要。

在显微结构控制方面，开展了系统的金属海绵芯体材料显微结构分析及晶粒尺寸研究。通过优化金属海绵的三维网格结构，使材料的承载结构更加合理，应力分布更为均匀。通过大量工艺试验，最终确定了Ni、Cr、Al成分分层覆膜及长时固溶合金化的制备工艺路线。该工艺首先将各合金成分以膜层形式分层覆着在海绵骨架表面，然后通过长时间的高温固溶处理，使各层元素充分扩散合金化，形成成分均匀、组织细密的合金组织。采用万能试验机对改进前后金属海绵芯体材料的室温准静态压缩性能进行测试，结果表明改进后的材料表现出显著的性能提升：弹性模量达到803 MPa，压缩屈服强度达到10.1 MPa，完全满足了超高转速工况下的使用要求。

3.4 改进后结构的强度计算验证

针对改进后的金属海绵芯体及销钉结构，采用与改进前完全相同的计算工况（转速27 000 r/min，环境温度150℃）再次开展强度计算。计算结果显示，由于改进后金属海绵芯体的弹性模量显著提高，材料抵抗变形的能力大幅增强，在相同离心载荷作用下产生的变形量有效降低。金属海绵芯体的最大应力由改进前的15.0 MPa降至5.4 MPa，这一应力水平已低于改进后材料的压缩屈服强度（10.1 MPa），满足静强度设计要求。更为重要的是，由于芯体自身变形量减小，其对销钉施加的附加载荷也相应降低；销钉仅在自身离心力和较小芯体压力作用下工作，其最大应力由改进前的735 MPa大幅下降至245 MPa，这一应力值远低于销钉材料的屈服强度（674 MPa）。计算结果表明，通过提升金属海绵芯体材料的强度性能，不仅直接解决了芯体自身的变形问题，还间接改善了销钉的受力状态，使整个离心通风器的结构完整性得到根本性提升。

 

四、改进后离心通风器的试验验证

4.1 试验前状态检查

为验证改进后的金属海绵芯体是否满足工程应用要求，对配装改进芯体的离心通风器开展了系统的试验验证工作。在试验正式开始前，对每一件待试离心通风器均进行精密工业CT扫描，建立完整的初始状态记录。CT扫描结果显示，改进后的金属海绵芯体组织均匀致密，三维网格结构完整，无任何原始缺陷；三件芯体在通风器外罩内周向均布安装到位，与壳体内外圆的配合间隙符合设计要求；固定销钉装配位置准确，与芯体接触关系正常。这些前期检查确保了后续试验结果的可比性和有效性，也为试验后对比分析提供了基准数据。

4.2 超转试验

超转试验旨在验证离心通风器在超出最高工作转速的极端条件下的结构完整性和抗变形能力。由于旋转试验器无法同时实现高温环境（150℃）和超高转速的运行条件，需确定合适的温度修正系数，以实现在常温环境（20℃）下模拟高温环境中的工作状态。温度修正基于材料强度随温度变化的规律：金属海绵芯体材料NiCrAl合金在20℃下的抗拉强度为700 MPa，在150℃下的抗拉强度为630 MPa，强度下降约10%。为保证常温试验的考核效果与高温工况等效，需相应提高试验转速以补偿材料强度升高带来的影响。结合离心通风器最高转速为28 350 r/min（最高稳态转速27 000 r/min的105%），超转转速设为最高转速的115%，经温度修正系数计算，确定离心通风器超转试验的转速为34 366 r/min（28 350 r/min×1.0541×115%）。试验要求在此转速下稳态运转5分钟，以充分考核结构在极端离心载荷下的响应。

超转试验完成后，对离心通风器再次进行CT扫描检查。扫描图像显示，经过34 366 r/min超高转速离心载荷考核后，金属海绵芯体结构依然保持均匀完整，与壳体内外圆的贴合紧密无隙，上下端面平整无翘曲，与销钉的接触部位未见任何异常。芯体未发生明显变形和掉块现象，销钉保持平直无弯曲。超转试验的成功表明改进后的金属海绵芯体具有足够的瞬时过载承受能力，能够可靠地承受超出正常工作转速115%的极端载荷而不发生结构性破坏。

4.3 寿命试验

超转试验验证了结构的瞬时强度，而寿命试验则旨在考核金属海绵芯体的持久运行能力和抗疲劳性能。在专用旋转试验器上，依据发动机实际运行转速谱编制了通风器寿命试验程序。试验循环包含从起动、稳态运行到停车的完整过程，最高转速达到28 350 r/min，单个循环运行时间3分钟，整个试验程序共计10小时，需完成200个循环。试验在200小时、600小时、1 500小时和2 000小时等关键节点分别停机进行CT扫描检测，以跟踪结构状态的变化历程。

在离心通风器完成600小时试验后的首次中间检查中，CT扫描显示金属海绵芯体与销钉接触部位未见异常磨损或变形，与壳体外壁接触部位未出现改进前曾观察到的材料密集堆积现象。当试验累计进行至1 500小时时，第二次CT扫描结果依然令人满意：芯体与壳体内壁贴合良好，未见任何因塑性变形导致的分离间隙，三件芯体的相对位置保持稳定。最终在完成全部2 000小时寿命试验后的终检中，CT扫描图像证实金属海绵芯体结构状态与试验前相比无明显变化，与销钉的接触关系正常，与内外壳体的配合紧密，材料组织依然均匀致密。长达2 000小时的寿命试验结果表明，改进后的金属海绵芯体具备优异的抗变形能力和长期工作稳定性，能够满足发动机在全寿命周期内的使用要求。

 

五、结论与展望

5.1 研究结论

针对航空发动机金属海绵式超高转速离心通风器在试验中出现的金属海绵芯体及销钉变形问题，本文通过故障分析、强度计算、材料改进和试验验证，得出以下主要结论：

（1）离心通风器内金属海绵芯体及销钉变形的根本原因为金属海绵芯体材料结构强度不足。在27 000 r/min超高转速条件下，芯体自身产生的离心应力超过其屈服强度，导致发生塑性变形；芯体变形后对销钉施加附加载荷，进一步引起销钉弯曲，形成协同失效。

（2）采用NiCrAl三元合金体系替代原NiCr二元合金体系，将强化方式由单纯固溶强化改为固溶强化与沉淀强化相结合，并通过优化制备工艺控制显微结构，可显著提升金属海绵芯体的力学性能。改进后材料弹性模量达到803 MPa，压缩屈服强度达到10.1 MPa，满足了超高转速工况的使用要求。

（3）强度计算表明，改进后的金属海绵芯体最大应力由15.0 MPa降至5.4 MPa，低于材料屈服强度；销钉最大应力由735 MPa降至245 MPa，低于其屈服强度（674 MPa）。结构受力状态得到根本性改善。

（4）超转试验（34 366 r/min稳态运转5 min）和2 000小时寿命试验验证了改进方案的可行性。试验后CT扫描显示金属海绵芯体结构均匀完整，与各部件贴合紧密，未发生明显变形和掉块。

（5）本文采用的金属海绵芯体强度数值计算方法、温度修正系数确定方法以及超转试验参数设计方法，可为后续离心通风器的优化设计提供技术支撑。

 

5.2 研究展望

基于本文的研究工作和当前技术发展态势，未来可在以下方向开展深入研究：

（1）多物理场耦合强度分析：当前强度计算主要考虑离心力载荷，而实际工作状态下金属海绵芯体同时承受离心力、气流冲击力、温度应力以及振动载荷的联合作用。建立考虑流-固-热多物理场耦合的强度分析模型，可获得更接近实际的应力分布规律，进一步提高结构设计的精准性。

（2）金属海绵材料微观力学行为研究：金属海绵作为一种多孔材料，其宏观力学性能与微观网格结构、基体材料特性以及制备工艺密切相关。深入研究金属海绵的微观变形机制、疲劳损伤演化规律以及失效判据，对于指导材料优化和寿命预测具有重要意义。

（3）结构健康监测技术：将光纤光栅等传感元件集成于离心通风器关键部位，实现对其运行状态的在线监测，可实时掌握结构健康状态，为视情维修和寿命管理提供数据支撑。

（4）轻量化与多功能一体化设计：在满足强度要求的前提下，进一步探索金属海绵芯体的拓扑优化设计，实现更轻的质量和更高的分离效率；同时研究将通风器与其他润滑系统附件功能集成的可能性，推动航空发动机润滑系统向更紧凑、更高效的方向发展。

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