硬核航空 國外航空發動機滾動軸承的發展概況 陳光談航發255

航空燃氣渦輪發動機壓氣機-渦輪轉子的軸承(一般稱為主軸承)幾乎無例外的均採用滾動軸承。這是因為與滑動軸承相比,滾動軸承具有下述使用特性:低溫下易於啟動,啟動與停車過程的性能較好,摩擦損失小,而且在低速下滑油系統失靈時仍可維持短時間(15~30min)的工作;但是它在超高速下使用的性能卻遠不如滑動軸承。

幾十年來,滾動軸承的基本結構設計變化不大。然而,近二三十年來,為滿足航空燃氣渦輪發動機性能不斷提高的要求,特別是高轉速、高溫度與長壽命的要求,航空滾動軸承的使用性能有了很大的提高。這是由於改善了材料、加工過程、使用條件與潤滑條件等而取得的。

目前,新型發動機對軸承的工作條件提出了更苛刻的要求。為此,國外航空發動機製造廠家、軸承廠家以及科研機構,很重視主軸承的發展與研究工作,而且,研究工作不僅在於進一步提高現有的技術,還在軸承的基本結構方面做了許多工作。

軸承的速度特性一般採用DN值(D:軸承內徑,mm;N:轉速,r/min)表示。初期的燃氣渦輪發動機軸承的DN值約為1.0×106,目前在較先進的發動機上則為2.0×106左右,工作溫度在200℃左右。

在20世紀60年代,曾預計航空燃氣渦輪發動機到70年代中期,將要求有DN值將達到3.0×106,到80年代則要求DN值達到4.0×106與工作溫度為300℃的軸承;但是,實際上DN 值並未繼續上升,而是維持在2.0×106左右的水平。這是因為當時認為提高發動機轉速將是提高發動機性能的一項主要措施;但實際上,由於受到轉子強度的約束,發動機轉速不能大幅度提高,因而用於發動機的主軸承DN值並未像預計那樣大幅度提高。

表1列出了幾種具有代表性的發動機主軸承的DN值,表中只列到1972年的F100,這是因為在其後的發動機中基本上沒有超過F100的。

表1、幾種航空發動機主軸承的DN值

軸承發展中出現的很多問題都是由於DN值不斷增長而引起的。因為DN值增高後,滾子的離心力增大,作用於外環滾道上的擠壓應力增大,發熱量增多,因而帶來了材料、滑油和冷卻等問題;轉速大,還必須提高軸承的製造精度及平衡精度,同時也給保持架的設計帶來許多問題。

隨著發動機轉速與渦輪前燃氣溫度的增高,主軸承的工作溫度也不斷提高。目前軸承工作於200~250℃,今後可能會要求在400 ℃以上溫度下工作。

此外,軸承工作的溫度範圍很廣,要求既能在-55℃下易於啟動,又要在高溫下正常工作,而且還能適應停車後的溫度變化。由於發動機停車後,冷卻軸承的滑油循環系統停止工作,渦輪葉片、輪盤及軸的殘餘熱量會逐漸傳至渦輪軸承上,使其溫度隨停車後時間的增長而逐漸上升,如圖1所示。由圖1可見,停車40min後,渦輪軸承的溫度甚至可高出正常工作溫度100~150℃。

由於發動機主軸承的溫度高,要求有能在高溫下保持一定硬度的高溫軸承材料以及能在高溫下工作的潤滑劑。由於工作溫度範圍大要求對軸承內部間隙(游隙)進行細緻分析,還要求對軸承的結構設計進行仔細分析,選用合理的裝配間隙等。

圖1、發動機停車後軸承溫度趨勢

在發動機正常工作時,作用於主軸承上的徑向載荷只有轉子的重力與不平衡的離心力。這兩個力一般均很小,特別在小型發動機上。每當轉子轉動一圈,不平衡的離心力就出現一次與轉子的重力方向相反的情況。這時,如果轉子不平衡力接近轉子的重力,作用於轉子軸承上的徑向載荷就會很小(「輕載)」,甚至成為「零載」;

當飛機作機動飛行時,作用於發動機轉子上的過載,在某一瞬間也會使軸承輕載甚至零載,這就會在滾棒軸承上,有時也會在承受軸向載荷小的滾珠軸承上出現「打滑」現象。滾動軸承出現打滑後,在某些情況下會出現「滑蹭損傷」。這種對軸承疲勞壽命很有影響的「打滑」現象在一般機械的軸承上是很少出現的。

作用於角接觸滾珠軸承上的軸向載荷取決於壓氣機與渦輪的氣動設計及減荷的結構設計。一般在設計時,應使此軸承載荷在設計狀態時較小,但不能小於會使軸承產生打滑的載荷。隨著飛行高度與速度的變化,作用於軸承上的軸向載荷也是變化的。圖2是典型的戰鬥機發動機滾珠軸承軸向載荷的變化情況。在發動機設計中,應盡量避免作用在止推軸承上的軸向載荷在工作中出現變向。因為一旦出現變向,在變向前後,作用於軸承的軸向載荷必然會有輕載-零載-輕載的過程，會引起軸承打滑。

圖2、止推軸承的軸向載荷隨高度(H)與Ma變化圖。

當飛機作機動飛行時,還有很大的過載作用於軸承,而且此載荷有時較設計載荷高出10倍左右。雖然過載載荷作用的時間很短,只佔發動機總工作時間的很小比例,但在軸承壽命計算以及軸承試驗中,均應將此載荷考慮在內。

圖3、幾種軸承材料硬度隨溫度的變化。

為保證軸承正常工作,內、外環與滾子的材料硬度不能小於RC58,否則軸承就會出現「壓傷」損壞。但是,隨著工作溫度的升高,材料的硬度則逐漸下降。一般應用很廣的SAE52100軸承鋼,當工作溫度超過175 ℃時,硬度就低於 RC58,因此不能適應現代航空主軸承的要求。已發展了一些高溫軸承鋼,其最大使用溫度與成分參見表2。圖3繪出了它們的高溫硬度。

表2、幾種軸承鋼的成分

工作溫度低於 175 ℃時。可採用普通的SAE52100軸承鋼。MHT軸承鋼系在

SAE52100中加入1.3%的鋁,其工作溫度可提高到260℃。M 50適用於170~315℃。M1和 M2在500℃時硬度是足夠的,但此溫度卻是它們的抗氧化性能的邊界值,因此其工作溫度只限於500℃。

WB 49滲碳鋼雖然高溫性能好,能在537℃下工作,但現行的製造技術還不能用它做出性能可靠的滾珠,而只能用來製作內、外環,滾珠用 M1製造。這種軸承的工作溫度為315℃。多年來用於航空發動機主軸承的材料多為 M50。

20世紀80年代,在M50基礎上發展了 M50NiL,即在M50的成分中,增加了鎳(用Ni表示),降低了碳的含量(用L表示),是一種表面滲碳鋼。表3列出了 M50與 M50NiL兩種材料的主要成分。

表3、M50與 M50NiL的主要成分

M50NiL除了具有M50所具有的特性外,還由於是滲碳鋼,其表面硬度可達60~64HRC,滲碳層深度約為 0.3~1.5mm,滲層底部硬度約為 58HRC,中心部分的硬度最高約為48HRC。

由於中心硬度低(M50的表面與中心部分硬度是一致的),所以它的斷裂韌性比 M50高出1.5倍。另外,M50NiL的表層內還具有較大的殘餘壓縮應力,這對提高軸承的疲勞壽命有好處,但是採用 M50NiL作軸承內、外環時,會帶來保持架引導面磨損,為此,需在保持架引導面上鍍 TiN層。據德國 FAG軸承公司稱,該公司自1985年向 GE公司提供第1套由M50NiL作的軸承起,近10年中已為各航空發動機公司提供了25000餘套 M50NiL軸承。

國外航空發動機主軸承的軸承鋼,幾乎全部是用真空熔煉的,採用較多的是消耗電極真空熔煉。為了進一步提高軸承的疲勞壽命,還可以採用連續真空熔煉。圖4所示是SAE52100鋼經過5次真空熔煉,疲勞壽命提高的情況:經過1次熔煉,壽命約提高1倍;經過5次熔煉,壽命大致提高3倍。

圖

圖4、軸承材料真空熔煉次數對軸承壽命的影響

美國廣泛採用消耗電極真空熔煉的 CEVM M50製作航空發動機主軸承的內、外環及滾子。這種材料與過去空氣熔煉的SAE52100相比,使軸承的疲勞壽命提高了10~20倍。

在高速軸承中,常常由於保持架的磨損、疲勞等原因造成軸承的損壞。因此,保持架不僅需仔細設計,其材料也應很好地選擇。大多數主軸承均採用整體機械加工的保持架:低於315℃時,鐵 硅 青銅採用較多;溫度再高時,則採用S 莫奈爾鎳基合金(工作溫度可達500℃)。

絕大多數主軸承的保持架均鍍銀,銀層厚約為0.0127~0.0380mm。鍍銀的作用有二:(1)保證在干摩擦條件下不損壞保持架。這種情況在啟動時常常會發生,特別是在渦輪軸承中。如前所述,發動機停車後的一段時間內,軸承的溫度會升高100~150℃,從而破壞了軸承內的滑油膜,再次啟動時就發生干摩擦。

(2)防止保持架產生疲勞損壞。滾珠與保持架在工作時實際上是點接觸。當轉子加速或減速時,在保持架的慣性作用下,滾珠撞擊到保持架上,造成很大的單位壓力,熱量也很集中,因而易使保持架疲勞破裂。這種事故曾在羅·羅公司生產的「達特」發動機的滾珠軸承上出現六十餘次,在「康維」發動機上也出現過多次。保持架鍍銀後,由於銀層硬度較低,在滾珠的撞擊下形成較大的凹坑,增大了接觸面積,降低了單位壓力,因而可避免保持架的疲勞剝傷、裂紋等損壞。

軸承表面紋理結構是指表面由於精加工而形成的顯微紋路。它包括表面的光潔度(即粗糙度)與滾道沿圓周的波紋度。隨著彈性流體力學(EHD)的發展,在20世紀50~60年代發現軸承表面紋理結構對疲勞的發展過程糙度相同時,例如0.127mm(5mil)絕對平均值(AA),油石精研的表面比拋光或磨削得到的表面的疲勞壽命要長,而且,疲勞壽命隨油膜厚度(h)與表面組合粗糙度?(σ)之比值(即h/σ)的增大而延長,如圖5所示。

滾道沿圓周的波紋度過大會造成軸承表面的「扇形」損壞。根據試驗,在30°的扇形 范 圍 內,如 果 波 紋 度 大 於1.524mm(60mil),就會出現扇形損壞。

圖5、疲勞壽命與h/σ的關係

因此 目前有些發動機工廠已在主軸承製造過程中,增加了對錶面粗糙度及圓周波紋度的控制要求,即要求有小於0.127mm(5mil)AA的、用油石研磨的表面,並要求在圓周30°扇形中波紋度小於1.524mm(60mil),以保證軸承具有高的疲勞壽命。

滾道與滾子的硬度對軸承的承載能力即壽命有很大的影響。有時單純提高材料的機械性能,不一定會對軸承的疲勞壽命有利。圖6示出了幾種軸承鋼在不同硬度下的承載能力。很明顯,當工作溫度增高使硬度下降時,軸承的承載能力降低。

圖6、軸承承載能力與軸承硬度的關係

NASA 的研究還表明,內、外環與滾子之間的硬度差對軸承疲勞壽命的影響也很大。例如對於SAE52100鋼做的軸承,如果滾子的硬度大於環的硬度 RC為1~2時,其壽命可提高4~5倍,如圖7所示。

圖7、軸承滾子與內環硬度差與軸承壽命關係圖

在一般的軸承生產中,環的硬度容差為±HRC2,滾珠的容差為±HRC1。因此,為保證有較恰當的硬度差,除嚴格控制熱處理外,還應準確地測量硬度並按硬度進行分組組裝。

圖8、纖維流線平行於滾道的軸承環

將軸承鋼在奧氏體條件下進行成形處理稱為熱機械處理或奧氏體成形(Ausform)。用這種方法得到的軸承,壽命可提高6~7倍。當然並不是所有的軸承鋼均能進行熱機械處理的。如SAE52100鋼,它由奧氏體範圍到淬火的相變發生很快,因而處在奧氏體條件下的時間很短,不足以對材料進行成形。M—50等 M型軸承鋼則適於熱機械處理。

圖9、纖維流線垂直於滾道的軸承環

對於承受推力的滾珠軸承,環的纖維流線形式對軸承的壽命很有影響。纖維流線平行於滾道的軸承環(如圖8所示)比纖維流線垂直於滾道的軸承環(如圖9所示)壽命可提高10倍。對於只承受徑向載荷的軸承,纖維的流線則沒有顯著的影響。

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