航空發動機軸承滑蹭損傷與防止措施 陳光談航發258

滾動軸承在工作時,滾子應在內、外環滾道上作純滾動。要使滾子作純滾動,必須在滾道與滾子間有足夠的拖動力以克服阻礙滾子 保持架組合體作正常運動的阻力。否則軸承不能按遊星齒輪系的關係運動(內環相當於主動齒輪,滾子相當於遊星輪,保持架相當於遊星架,外環相當於太陽齒輪),滾子就會在滾道上打滑形成滑動摩擦。

由於滑動摩擦係數大於滾動摩擦係數,加上某些外來因素使得滾子與內、外環滾道上形成干摩擦,引起滑蹭,造成滾子與內、外環滾道上出現蹭痕和表面局部磨損等,即所謂的「滑蹭損傷」。軸承一旦出現滑蹭損傷,表面光潔度被破壞,摩擦係數加大,加速了磨損過程,使滾子直徑變小,滾道上出現不均勻的槽痕,軸承損壞,對轉子的工作帶來危害,直接影響發動機的正常工作。

應當指出的是,滾動軸承打滑並不一定都會引起軸承滑蹭,只是在某些情況下由於外部條件的作用才會引起滑蹭,但是只要軸承出現滑蹭損傷,那麼,該軸承一定打滑。即滾動軸承的打滑是引起軸承滑蹭的先決條件,為避免軸承出現滑蹭損傷,必須採取防止滾動軸承的打滑。

滾動軸承工作時,作用於保持架 滾子組合體的拖動力主要是軸承在外負荷作用下滾子在內、外環間的摩擦力;當保持架定位於內環上時,保持架與內環間的滑油油膜黏性力還能產生部分拖動力。而阻礙保持架滾子組合體運動的阻力則有:保持架 滾子的質量慣性力、滑油在軸承內的擾動力、保持架與外環滾道間的油膜黏性阻力(如保持架定位於外環時)等。

一般機械中使用的滾動軸承由於轉速低,且始終有負荷作用其上,很少出現打滑現象。但是航空燃氣渦輪發動機主軸承卻很容易打滑,這是因為:

(1)轉速高。在高速作用下,滾子在大的離心力作用下有脫離內環滾道接觸的趨勢;

(2)負荷小。航空發動機的轉子均做得較輕,使作用軸承上的徑向負荷小,加上飛機作機動飛行時會在某些情況下,使作用於軸承上的負荷更小,甚至出現零載,以及轉子的不平衡力在某些情況下會抵消一些作用在軸承上的徑向負荷,造成軸承的輕載或零載。

這兩方面的因素會使得由摩擦產生的拖動力變得很小,甚至為零,這樣,就必然會引起軸承打滑,出現滑蹭損傷。對於滾珠軸承,由於它還要承受軸向載荷,所以一般不易打滑。

但是如果在飛行包線內,轉子的軸向負荷變向(如圖1所示)的話,在變方向的前後瞬間,軸承也會出現輕載與零載,引起打滑。例如:斯貝發動機的民用型 MK512在工作中,作用於低壓轉子止推滾珠軸承(中介軸承)的軸向負荷的方向不發生變化,但在它軍用改型 MK202中,由於飛行包線大大擴大,即飛行高度由民用型的10km變為20km,飛行 Ma由民用型0.8左右變為2.2,在工作中出現作用於該軸承的軸向負荷會變方向,因而出現了嚴重的打滑現象。

綜上所述,在現有航空燃氣渦輪發動機中,如不採用防滑措施,絕大多數主軸承均會打滑,且會產生滑蹭損傷,對發動機的正常、可靠的工作構成威脅。

軸承出現滑蹭損傷與使用時間無直接關係,有時在發動機工作很短時間內出現,有時卻在發動機工作很長時間後才出現。除了軸承的設計、安裝與工作條件對軸承是否會出現滑蹭有影響外,發動機的裝配工作有時也起到主要作用。例如將渦輪轉子吊裝到發動機時,為避免渦輪前滾棒軸承的滾棒妨礙吊裝,常用凡士林塗在外環與滾棒間,以使滾棒緊貼於外環的滾道上。這樣做方便了發動機的裝配,但如在低溫室外首次試車時,就可能由於凡士林的黏性阻礙了滾棒 保持架的正常運動而引發該軸承出現滑蹭損傷。

圖1、作用於某戰鬥機發動機轉子滾珠軸承上的軸向負荷隨飛行高度(H)與 Ma的變化情況

滾動軸承出現滑蹭後,最常見的結果是表面擦傷磨損,表面剝落等。嚴重時,由於滾子與內環間產生過大的摩擦熱量會使內環膨脹,減小了軸承內部的游隙,將軸承卡死。因此,在航空燃氣渦輪發動機主軸承上,應特別注意防止軸承滑蹭。目前,在大多數的設計中,為了減少軸承滑蹭,既可採用減小阻礙滾子 保持架運動的阻力的方法,也可採用增加拖動力的方法,或兩者同時採用。

採用增加拖動力的措施防止軸承滑蹭

減小軸承游隙,使滾子在離心力作用下仍能保持與內環滾道的接觸。例如 CFM56發動機支承高壓渦輪的滾棒軸承(中介軸承)即用了小游隙甚至是負游隙來減少打滑;又如 WJ6發動機的壓氣機前滾棒軸承在長期試車中出現嚴重的滑蹭損傷後,將該軸承的游隙由0.070~0.095mm 減小為0.045~0.065mm,消除了滑蹭現象。

但是,採用減小游隙的措施會帶來其他嚴重問題,因此要慎重對待,特別對於處於發動機熱端的軸承,更應慎用。

在早期的航空燃氣渦輪發動機中,為了解決保持架的平衡問題,多將主軸承的保持架定位於外環,但這種設計易引發軸承出現滑蹭損傷。這是因為當保持架定位於外環時,存在於外環與保持架間的油膜在黏性的作用下妨礙滾棒保持架作正常運動引發打滑而造成的。

如將保持架定位於內環,存在於內環與保持架間的油膜在黏性的作用下將給滾子保持架組合體一個拖動力使其作正常運動。這樣,將原定位於外環的保持架改成定位於內環上,不僅減小了阻力,而且還增加了拖動力,顯然會減少滑蹭損傷,當然這還須提高保持架的加工精度以提高其平衡度。

例如,RB211 22B發動機於1972年4月投入航線使用,但到同年的10月,發現低壓轉子的止推滾珠軸承(為中介軸承)出現過5次滑蹭損傷,為消除滑蹭又不對支承結構作較大的改動,羅·羅公司將軸承內原定位於外環的保持架改為定位於內環,如圖2所示,同時提高了保持架的平衡度。

圖2、RB211 22B低壓轉子止推軸承(中介軸承)為排除滑蹭損傷採取的改進設計

裝配時,對軸承施加一附加的徑向或軸向載荷,即對軸承施加「預載」,使軸承工作時,始終在內、外環滾道與滾子間有負荷作用,不出現輕載或零載,以增大拖動力。對軸承施加預載的辦法有:採用非圓軸承、軸向彈簧對軸承旋加預載、採用空心滾棒和調整對軸承的噴油方向等。

將軸承外環的外圓做成非圓形,而機匣安裝軸承的座孔仍做成圓的。常用的非圓軸承有橢圓軸承外環與三瓣式的軸承外環。例如,將橢圓軸承壓入軸承座孔中時,橢圓的長軸處(外環凸出部位)即向該處的滾子作用一預加的載荷,如長軸處於水平位置如圖3所示,使在水平位置的幾個滾子與內、外環間始終保持接觸並作用有一定負荷,因此,除了最下部的幾個滾子受到重力負荷的作用外,在其左右90°處的滾棒,也各受一定量的預加負荷,從而使承受負荷的滾子數目約增加到滾子總數的60%,能產生一定的拖動力,克服軸承打滑。圖3示出了滾棒軸承未加預載與在兩處施加預載時軸承中負荷的分布情況。

非圓軸承中,橢圓軸承現在應用得較為廣泛,例如JT3D、JT9D、JT15D與 CF6 80C2(4R)等發動機中均用了橢圓軸承,一般橢圓度為0.20~0.25mm 左右。早期的發動機中,對軸承外環橢圓的長軸裝於軸承座孔時的位置有一定要求,例如早期的JT3D發動機中,高壓渦輪處的滾棒軸承採用橢圓軸承(軸承外徑為215mm,橢圓度為0.20mm),規定長軸按2點鐘或10點鐘的方向裝入,但到70年代中期後取消了這一要求。目前,橢圓軸承可任意的裝入軸承座孔中而無特殊的位置要求。

圖3、滾棒軸承中負荷的分布

所謂三瓣式軸承外環是軸承外環的外圓上有3個均勻分布的凸出帶,其工作原理同於橢圓軸承,只是它預載的方向多1個,CF680C2的高壓渦輪前滾棒軸承即採用了這種結構,其每瓣的凸出量為0.431mm,由此也可以看出,該軸承如不採取措施,其打滑度是非常大的。

在有的發動機上,非圓部分不做在軸承外環外圓上,而是做在內環的滾道上,其工作原理仍同於上述,例如 T700發動機的滾棒軸承即採用了這種結構。

圖4所示為J69軸流壓氣機轉子後支點採用軸向彈簧載入的滾珠軸承支座結構,是一種典型的用軸向彈簧施加預載的辦法。J69的軸流轉子前支點為止推支點,因此,後支點處應該採用滾棒軸承。但是,該轉子很輕,僅11.5kg。正常情況下,作用於後支點的徑向負荷很小,而轉子轉速又高達22000r/min,很容易使該支點處的軸承打滑。

採用如圖4所圖4壓氣機轉子後軸承支座結構圖示的結構即用帶軸向彈簧預載的滾珠軸承取代滾棒軸承既可防止打滑(這是因為在軸向彈簧的作用下,每個滾珠均始終與內、外環滾道接觸並有負荷作用,因而不易打滑),又能使軸承外環能相對內環作軸向移動,起到滾棒軸承的作用,因此類似的用軸向彈簧對滾珠軸承施加預載的結構在一些小型渦輪機械中廣泛採用。

如前節所述,斯貝發動機的軍用型MK202中,低壓轉子的止推滾珠中介軸承,在工作中作用的軸向負荷會變向而引起打滑,為此,也採用了用軸向彈簧對該軸承施加一向後的力,使該軸承總是承受向後的軸向負荷,圖5示出了軍用斯貝低壓轉子止推軸承(中介軸承)防止打滑的結構。

該結構設計非常獨特,將中介軸承4的前內環向前延伸,成為加預載的小滾珠軸承的內環,但它不是完整的內環而是僅有後半環，小滾珠軸承的外環與中介軸承2外環間有較大的軸向空隙。利用兩個貝式彈簧7與8通過小軸承對中介推軸承2施加向後的預載，當中介止推軸承向後的軸向力變小甚至變為向前時，彈簧對它施加向後的軸向力。當中介止推軸承向後的軸向力大到一定即軸承內環向後移動到一定位置時,彈簧脫離接觸,不對止推軸承施加預載。通過試驗、試飛,該彈簧施加的軸向力為712dN。

在滾棒軸承中,等間隔的安裝三個薄壁截面的空心滾棒,如圖6所示。它們在負荷下能產生柔性變形,這種軸承稱為柔性軸承。空心滾棒的直徑稍大於實心滾棒的直徑,其差值大於軸承內部的徑向游隙。安裝時,空心滾棒在內、外環的壓縮下,受到一預加的徑向載荷。在「零載」條件下也能保持內、外環與滾棒接觸,因而能產生一定的拖動力。

另外,也有將所有的滾棒均做成空心的,其直徑選擇成在安裝時所有的滾棒均受到內、外環的壓縮而承受一定的預載入荷。採用空心滾棒時,應仔細選擇其尺寸(也即預加負荷的大小)。過大的預載即使在外加負荷很小時也能過早地使滾棒損壞,而預載過小時,則防止軸承滑蹭的作用不大。

在這兩種軸承中,還能減少滾子的重量,因而也減少了滾子 保持架組合體的慣性力,有利於防止軸承打滑。但是這兩種在20世紀70年代研製的軸承,目前尚未應用於現代發動機中。

圖6、帶有三個空心滾棒的柔性軸承

調整對軸承的噴油方向，將滑油噴射方向做成與滾子 保持架組合體運動方向一致,也可增加對滾子 保持架組合體的拖動力。

採用減小阻力的措施防止軸承滑蹭

軸承內外環的設計中,應當盡量使滑油在軸承中流動通暢。外環最好做成直線,以消除在離心力的作用下滑油堵塞於軸承中的現象。當保持架在外環定位時,定位間隙中滑油油膜形成的黏性摩擦力矩大。

根據實驗,內徑為190mm 的軸承工作於 2×106DN 值時,由於保持架與外環間油膜的黏性剪切作用,會使功率損失高達14.9kW,如圖7所示,因此阻礙了保持架的運動,易造成軸承的滑蹭損傷。

早期,在英國的「康維」、「苔茵」發動機上均因保持架定位於外環而出現此類事故。因此,在設計允許的條件下,應儘可能地使保持架定位於內環。同時,還應採取一些措施使保持架不致阻礙滑油的流通,造成過大的液體黏性阻力,

圖7、保持架與外環間液體動力摩擦產生的功率損失(軸承內徑190mm)

圖2所示的 RB211 22B發動機低壓轉子的中介止推滾珠軸承的改進設計中,在保持架內徑處(即與內環滾道相鄰的環面上)開了許多槽道,以使滑油順利地流過軸承內,避免產生滑油的擾動,即是一例。

例如用重量輕的中硬度鋼 AISI4340;採用空心滾子(這是一項在20世紀70年代初期研究的措施,尚未在發動機中得到應用)等以降低保持架 滾子組合體的慣性力。

除上述解決軸承打滑的措施外,對於附件傳動的軸承,也可以改用滑動軸承來消除滾動軸承的打滑。從理論上講,附件傳動機構中的軸承不會出現打滑現象,因為齒輪在工作時,始終對軸承作用有一徑向負荷。

但是,如果齒輪鏈排列不適當時,也可能沒有負荷作用於軸承上,例如PW4000發動機的附件傳動機構中,傳動離心通風器的中間惰輪(轉速高達21000r/min)是用一滾棒軸承支承於一根心棒上的,如圖8(a)所示。

由於主動齒輪、惰輪與從動齒輪三者排列在一條直線上,使惰輪的滾棒軸承基本不承受徑向負荷,因而在使用中出現了滑蹭損傷,為徹底解決這一問題,普惠公司將此滾棒軸承改用了石墨軸瓦(滑動軸承),如圖8(b)所示。

圖8 PW4000傳動離心通風器的中間惰輪

防止作用於滾珠軸承上的軸向負荷變向

如前所述,RB211風扇轉子的止推軸承為一中介軸承,由於風扇轉子在工作中會出現軸向力方向改變,因而在投入使用(1972年4月)後不到半年,就出現過該滾珠軸承滑蹭損傷。

於是採取前述的將保持架外環定位改為內環定位的措施,在一定程度上解決了問題,但是由於軸向負荷換向問題沒有解決,因此長期以來,在各種改型的 RB211中(524B、524C、524D4和 524D4Upgrade等),還是偶爾出現該軸承的滑蹭損傷的事件。為此,在 RB211的最後改型的 RB211524G/H(1989年投入使用)中,將卸荷腔封嚴環處的直徑由556.20mm增大為731.52mm,消除了工作中轉子軸向負荷換向的問題。

基本上解決了該軸承的打滑問題。由 RB211 524G/H 衍生髮展的遄達發動機,除採用了大直徑的平衡腔封嚴環外,還在低壓渦輪軸後端加裝了對轉子施加預載的彈簧及小軸承,如圖9所示,從根本上解決軸承打滑問題。

圖

圖9遄達800對低壓轉子施加預載的結構圖

軸承打滑度與測定方法

採用「打滑度」來表明滾動軸承是否打滑以及打滑的嚴重程度。

當保持架實際轉速等於保持架理論轉速時,軸承不打滑,其打滑度為零;只要保持架實際轉速低於理論轉速,軸承即打滑,當保持架實際轉速為零時,打滑度為100%。

一般用測定保持架的實際轉速來求得軸承的打滑度。羅·羅公司在發展 RB211發動機時,使用了放射性同位素來探測軸承的打滑。在保持架上固定一個很小的用鈷或銥(Co 60,Ir 192)絲做的放射源,利用反平方律(即傳到某點的放射性強度反比於放射源至該點距離的平方)的原理,測出工作中保持架的速度,從而發現軸承是否出現打滑,並可計算出打滑度。也可利用切割磁力線的原理來測量保持架的轉速。

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