航空發動機潤滑系統的通風裝置對控制滑油消耗、保障發動機續航能力具有關鍵作用。針對某型采用滑油附件與附件機匣一體化設計的航空發動機，其金屬海綿式超高轉速離心通風器在壽命試驗中出現內部海綿芯體及銷釘變形故障，本文通過有限元強度計算模型，揭示了金屬海綿芯體材料結構強度不足是導致變形的根本原因。基于故障機理分析，采用NiCrAl三元合金體系替代原NiCr二元合金體系，將強化方式由單純固溶強化改為固溶強化與沉淀強化相結合，并通過優化制備工藝提升材料顯微結構強度。改進后金屬海綿芯體的彈性模量達到803 MPa，壓縮屈服強度提升至10.1 MPa，銷釘最大應力由735 MPa降至245 MPa。超轉試驗（34 366 r/min穩態運轉5 min）及2 000 h壽命試驗驗證表明，改進后結構未發生明顯變形，與各部件貼合緊密，滿足發動機使用要求。形成的強度計算方法、溫度修正系數確定方法及試驗參數設計方法，可為高轉速離心通風器結構優化提供技術支撐。

一、離心通風器核心作用及性能研究

1.1 離心通風器在航空發動機潤滑系統中的核心作用

航空發動機潤滑系統承擔著高低壓轉子支點軸承、傳動齒輪等關鍵部件的潤滑與冷卻任務，其工作可靠性直接關系到發動機的整體壽命與飛行安全。潤滑系統中，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動機外，不僅造成滑油的大量消耗，還會對環境污染產生不利影響。離心通風器作為潤滑系統通風管路末端的關鍵部件，其核心功能在于利用旋轉構件產生的離心力場，對通風管路中的油氣混合物進行高效分離——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參與循環，而分離后的空氣則排出發動機外。這一分離過程的有效性直接決定了發動機的滑油消耗量水平，進而影響滑油箱的設計容積以及飛機的最大續航時間。對于軍用航空發動機而言，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，或在滿足既定續航要求下可減小滑油箱體積、減輕發動機重量，其重要性不言而喻。

1.2 國內外離心通風器性能研究現狀

圍繞離心通風器的性能分析與結構優化，國內外學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性研究方法。

在數值仿真研究方面，EASTWICK等較早地對通風器內部流場進行了數值計算，分析了相關結構參數對通風器性能的影響規律，為后續研究奠定了方法論基礎。ELSAYED、GLAHN等學者聚焦于離心通風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鍵性能指標的變化規律。國內學者徐讓書、胡慧等采用數值模擬方法對離心通風器的通風阻力影響因素進行了系統分析，揭示了轉速、通風量等參數對阻力特性的作用機制。韓金在、陳聰慧等針對超高轉速離心通風器開展了性能仿真分析，研究了在極端轉速條件下通風器的內部流動特征和分離效率變化。荊帥等則分別對孔徑式通風器和輻板式通風器的阻力計算模型進行了深入研究，建立了相應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器油霧工作環境的試驗平臺，綜合運用測質量法與光學測量方法，獲取了分離效率、粒徑分布與壓降等關鍵性能數據，研究發現空氣質量基本不影響油霧粒度分布，而壓降隨質量流量和轉速增加而增加。陳會敏運用FloEFD軟件對金屬泡沫離心通風器內部流動進行了三維數值仿真，制定了金屬泡沫離心通風裝置的阻力特性分析方案。

在故障分析與結構改進方面，可成河等依據離心通風器故障件的破壞形貌分析結果以及光彈性試驗數據，建立了通風器殼體力學模型，確定了導致通風器可靠性降低的原因，并提出了相應的解決措施。趙宏達針對某型離心通風器斷裂故障開展了結構分析和斷口金相檢查，并結合動應力試驗結果，確定通風器斷裂的主要原因為齒輪軸在工作轉速范圍內發生共振。

1.3 某型發動機一體化設計帶來的技術挑戰

某型航空發動機創新性地采用了滑油附件與附件機匣一體化的結構設計理念，將原本需要多個獨立附件實現的功能集成于一個附件上。這一設計減少了附件機匣的傳動軸數量，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航空發動機而言具有重要的工程價值。然而，一體化設計不可避免地帶來了新的技術挑戰：由于空間布局的限制和傳動關系的改變，離心通風器的傳動軸轉速大幅提高，最高穩態轉速達到27 000 r/min。這一轉速水平遠超傳統離心通風器6 000～9 000 r/min的設計轉速范圍，對旋轉構件的結構強度、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，確保超高轉速條件下離心通風器的結構完整性和功能可靠性，成為該型發動機研制過程中必須攻克的關鍵技術難題。

二、離心通風器結構及工作原理

2.1 金屬海綿式離心通風器的結構組成

金屬海綿式超高轉速離心通風器采用緊湊化模塊設計，主要由通風器轉子、通風器外罩、金屬海綿芯體以及固定銷釘四大部分構成。通風器轉子作為旋轉核心部件，其上設有出氣口和空腔結構，空腔結構的側壁設計有徑向延伸的擋邊，擋邊上周向分布多個進氣孔。通風器外罩安裝在轉子空腔結構的通孔外側，與轉子空腔結構外壁之間形成特定的流動通道，外罩軸向上設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器外罩與轉子之間的分離腔內，每件芯體由銷釘固定于通風器外罩上，防止其在工作過程中發生周向串動。這種多件組合式結構設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。整個通風器組件安裝于發動機附件機匣內部，通過內花鍵與附件機匣的傳動軸連接，實現高速旋轉驅動。

2.2 離心通風器的工作過程與分離機理

離心通風器的工作過程基于油氣兩相介質在離心力場中的密度差異實現分離。當發動機工作時，附件機匣內的油氣混合物在壓差作用下由通風器外罩上的進氣孔進入通風器內部。混合物首先流經金屬海綿芯體，隨后進入由外罩與轉子構成的通道，最終通過轉子上的通孔進入轉子空腔結構。在這一流動過程中，由于通風器轉子以超高轉速旋轉（最高27 000 r/min），在其內部形成強大的離心力場。混合物中密度較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格結構上。這些被捕集的滑油液滴在金屬海綿表面逐漸聚結形成油膜，并在離心力持續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器外罩內壁面，再經由回油孔流回機匣腔內繼續參與潤滑循環。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子中心的軸向通道流動，經由排氣段排出至發動機外。這種基于離心分離與多孔介質捕集雙重機制的分離方式，使得金屬海綿式通風器能夠在超高轉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

3.1 試驗中出現的變形故障現象

在離心通風器隨附件機匣開展的長壽命試驗過程中，當通風器累計運轉時間約240小時后，采用工業CT對金屬海綿芯體進行無損掃描檢測，發現了異常跡象：金屬海綿芯體的內徑較原始狀態有所增加，原本應與通風器轉子外壁面緊密貼合的芯體內環面出現了明顯分離間隙。進一步的分解檢查揭示了更詳細的故障信息：金屬海綿芯體不僅整體內徑擴大，而且靠近外罩位置的芯體材料出現了輕微的堆積現象，呈現出塑性變形的特征；與此同時，用于固定金屬海綿芯體的三件銷釘也發生了不同程度的彎曲變形。這些變形現象的發現表明，在超高轉速（最高穩態轉速27 000 r/min）條件下長時間運轉過程中，離心通風器內部結構承受著極為嚴苛的力學載荷。金屬海綿芯體在自身質量產生的巨大離心力作用下發生徑向擴張，當其結構強度不足以抵抗這種離心載荷時，便產生了不可恢復的塑性變形；而芯體的變形又對與之接觸的銷釘施加了額外的擠壓力，導致銷釘在自身離心力和芯體壓力的共同作用下發生彎曲。這種結構變形不僅改變了通風器內部的氣流通道尺寸，更破壞了轉子與芯體之間的配合關系，可能對通風器的分離效率和長期工作可靠性產生不利影響。

3.2 強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機理，建立了離心通風器的有限元強度計算模型。模型充分考慮了通風器的實際幾何結構、材料特性以及載荷工況：計算轉速設定為27 000 r/min的最高穩態轉速，環境溫度取150℃以模擬附件機匣內的實際工作溫度，材料參數采用多件試驗件測試結果的平均值以保證計算結果的代表性。有限元分析結果表明，在超高轉速旋轉條件下，金屬海綿芯體在離心力作用下產生顯著的徑向變形。這種變形導致金屬海綿芯體與銷釘的結合部位產生了較高的接觸應力——芯體材料的最大應力達到15.0 MPa。與此同時，銷釘不僅承受自身質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，銷釘內部的應力水平處于極高狀態，最大應力值高達735 MPa，遠超過其材料的屈服強度，導致銷釘發生彎曲變形。

基于計算結果深入分析，金屬海綿芯體結構強度不足是導致整個變形故障的根本原因。芯體材料的屈服強度無法抵抗超高轉速下產生的離心應力，使其首先發生塑性變形；芯體變形后又將附加載荷傳遞給銷釘，進一步加劇了銷釘的受力狀態，最終導致兩者的協同失效。這一故障機理清晰地表明，解決離心通風器結構變形問題的關鍵在于提升金屬海綿芯體材料自身的強度性能，而不是簡單地增加銷釘尺寸或改變固定方式，因為只要芯體發生變形，無論銷釘如何強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與制備工藝優化

針對金屬海綿芯體結構強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，制定了系統的改進方案。改進思路從材料科學的基本原理出發，綜合運用合金成分優化、強化機制調整以及顯微結構控制等多種手段，全面提升金屬海綿芯體的力學性能。

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化效果，而鋁（Al）的引入則具有多重作用——既能形成沉淀強化相，又能通過表面氧化形成致密的Al?O?保護膜，提高材料在高溫環境下的抗氧化能力。在強化機制方面，將原有的單純合金固溶強化方式，改進為固溶強化與沉淀強化相結合的綜合強化方式。固溶強化通過合金元素融入基體晶格產生晶格畸變，阻礙位錯運動；沉淀強化則通過細小彌散的金屬間化合物顆粒在基體中析出，對位錯運動形成有效釘扎。兩種強化機制的協同作用可顯著提升材料的比強度（強度/密度）和比模量（彈性模量/密度），這對于追求輕量化的航空構件而言尤為重要。

在顯微結構控制方面，開展了系統的金屬海綿芯體材料顯微結構分析及晶粒尺寸研究。通過優化金屬海綿的三維網格結構，使材料的承載結構更加合理，應力分布更為均勻。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，使各層元素充分擴散合金化，形成成分均勻、組織細密的合金組織。采用萬能試驗機對改進前后金屬海綿芯體材料的室溫準靜態壓縮性能進行測試，結果表明改進后的材料表現出顯著的性能提升：彈性模量達到803 MPa，壓縮屈服強度達到10.1 MPa，完全滿足了超高轉速工況下的使用要求。

3.4 改進后結構的強度計算驗證

針對改進后的金屬海綿芯體及銷釘結構，采用與改進前完全相同的計算工況（轉速27 000 r/min，環境溫度150℃）再次開展強度計算。計算結果顯示，由于改進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，在相同離心載荷作用下產生的變形量有效降低。金屬海綿芯體的最大應力由改進前的15.0 MPa降至5.4 MPa，這一應力水平已低于改進后材料的壓縮屈服強度（10.1 MPa），滿足靜強度設計要求。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，其最大應力由改進前的735 MPa大幅下降至245 MPa，這一應力值遠低于銷釘材料的屈服強度（674 MPa）。計算結果表明，通過提升金屬海綿芯體材料的強度性能，不僅直接解決了芯體自身的變形問題，還間接改善了銷釘的受力狀態，使整個離心通風器的結構完整性得到根本性提升。

四、改進后離心通風器的試驗驗證

4.1 試驗前狀態檢查

為驗證改進后的金屬海綿芯體是否滿足工程應用要求，對配裝改進芯體的離心通風器開展了系統的試驗驗證工作。在試驗正式開始前，對每一件待試離心通風器均進行精密工業CT掃描，建立完整的初始狀態記錄。CT掃描結果顯示，改進后的金屬海綿芯體組織均勻致密，三維網格結構完整，無任何原始缺陷；三件芯體在通風器外罩內周向均布安裝到位，與殼體內外圓的配合間隙符合設計要求；固定銷釘裝配位置準確，與芯體接觸關系正常。這些前期檢查確保了后續試驗結果的可比性和有效性，也為試驗后對比分析提供了基準數據。

4.2 超轉試驗

超轉試驗旨在驗證離心通風器在超出最高工作轉速的極端條件下的結構完整性和抗變形能力。由于旋轉試驗器無法同時實現高溫環境（150℃）和超高轉速的運行條件，需確定合適的溫度修正系數，以實現在常溫環境（20℃）下模擬高溫環境中的工作狀態。溫度修正基于材料強度隨溫度變化的規律：金屬海綿芯體材料NiCrAl合金在20℃下的抗拉強度為700 MPa，在150℃下的抗拉強度為630 MPa，強度下降約10%。為保證常溫試驗的考核效果與高溫工況等效，需相應提高試驗轉速以補償材料強度升高帶來的影響。結合離心通風器最高轉速為28 350 r/min（最高穩態轉速27 000 r/min的105%），超轉轉速設為最高轉速的115%，經溫度修正系數計算，確定離心通風器超轉試驗的轉速為34 366 r/min（28 350 r/min×1.0541×115%）。試驗要求在此轉速下穩態運轉5分鐘，以充分考核結構在極端離心載荷下的響應。

超轉試驗完成后，對離心通風器再次進行CT掃描檢查。掃描圖像顯示，經過34 366 r/min超高轉速離心載荷考核后，金屬海綿芯體結構依然保持均勻完整，與殼體內外圓的貼合緊密無隙，上下端面平整無翹曲，與銷釘的接觸部位未見任何異常。芯體未發生明顯變形和掉塊現象，銷釘保持平直無彎曲。超轉試驗的成功表明改進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速115%的極端載荷而不發生結構性破壞。

4.3 壽命試驗

超轉試驗驗證了結構的瞬時強度，而壽命試驗則旨在考核金屬海綿芯體的持久運行能力和抗疲勞性能。在專用旋轉試驗器上，依據發動機實際運行轉速譜編制了通風器壽命試驗程序。試驗循環包含從起動、穩態運行到停車的完整過程，最高轉速達到28 350 r/min，單個循環運行時間3分鐘，整個試驗程序共計10小時，需完成200個循環。試驗在200小時、600小時、1 500小時和2 000小時等關鍵節點分別停機進行CT掃描檢測，以跟蹤結構狀態的變化歷程。

在離心通風器完成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改進前曾觀察到的材料密集堆積現象。當試驗累計進行至1 500小時時，第二次CT掃描結果依然令人滿意：芯體與殼體內壁貼合良好，未見任何因塑性變形導致的分離間隙，三件芯體的相對位置保持穩定。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構狀態與試驗前相比無明顯變化，與銷釘的接觸關系正常，與內外殼體的配合緊密，材料組織依然均勻致密。長達2 000小時的壽命試驗結果表明，改進后的金屬海綿芯體具備優異的抗變形能力和長期工作穩定性，能夠滿足發動機在全壽命周期內的使用要求。

五、結論與展望

5.1 研究結論

針對航空發動機金屬海綿式超高轉速離心通風器在試驗中出現的金屬海綿芯體及銷釘變形問題，本文通過故障分析、強度計算、材料改進和試驗驗證，得出以下主要結論：

（1）離心通風器內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構強度不足。在27 000 r/min超高轉速條件下，芯體自身產生的離心應力超過其屈服強度，導致發生塑性變形；芯體變形后對銷釘施加附加載荷，進一步引起銷釘彎曲，形成協同失效。

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

（3）強度計算表明，改進后的金屬海綿芯體最大應力由15.0 MPa降至5.4 MPa，低于材料屈服強度；銷釘最大應力由735 MPa降至245 MPa，低于其屈服強度（674 MPa）。結構受力狀態得到根本性改善。

（4）超轉試驗（34 366 r/min穩態運轉5 min）和2 000小時壽命試驗驗證了改進方案的可行性。試驗后CT掃描顯示金屬海綿芯體結構均勻完整，與各部件貼合緊密，未發生明顯變形和掉塊。

（5）本文采用的金屬海綿芯體強度數值計算方法、溫度修正系數確定方法以及超轉試驗參數設計方法，可為后續離心通風器的優化設計提供技術支撐。

5.2 研究展望

基于本文的研究工作和當前技術發展態勢，未來可在以下方向開展深入研究：

（1）多物理場耦合強度分析：當前強度計算主要考慮離心力載荷，而實際工作狀態下金屬海綿芯體同時承受離心力、氣流沖擊力、溫度應力以及振動載荷的聯合作用。建立考慮流-固-熱多物理場耦合的強度分析模型，可獲得更接近實際的應力分布規律，進一步提高結構設計的精準性。

（2）金屬海綿材料微觀力學行為研究：金屬海綿作為一種多孔材料，其宏觀力學性能與微觀網格結構、基體材料特性以及制備工藝密切相關。深入研究金屬海綿的微觀變形機制、疲勞損傷演化規律以及失效判據，對于指導材料優化和壽命預測具有重要意義。

（3）結構健康監測技術：將光纖光柵等傳感元件集成于離心通風器關鍵部位，實現對其運行狀態的在線監測，可實時掌握結構健康狀態，為視情維修和壽命管理提供數據支撐。

（4）輕量化與多功能一體化設計：在滿足強度要求的前提下，進一步探索金屬海綿芯體的拓撲優化設計，實現更輕的質量和更高的分離效率；同時研究將通風器與其他潤滑系統附件功能集成的可能性，推動航空發動機潤滑系統向更緊湊、更高效的方向發展。

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