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皇冠全讯新 航空发动机轴承问题解析:慎重选用轴承游隙和​防止轴承打滑

时间:2020-01-11 16:57:08 来源:未知 作者:匿名 阅读:1768

皇冠全讯新 航空发动机轴承问题解析:慎重选用轴承游隙和​防止轴承打滑

皇冠全讯新,陈光/文

慎重选用轴承游隙。滚动轴承游隙小,内外环间的相对活动量小,对转子的工作有利,这对于长期稳定工作的机器是十分有益的。但是对于工作变化多,停车以后经过几十分钟又要开车的航空发动机而言,却不能选用小游隙轴承。

航空发动机主轴轴承dn值高,工作时摩擦产生的摩擦热很大,加上由环境(发动机内腔处于高温)及相邻零件(例如涡轮轮盘等)传给的热量也较大,需用滑油不断地将热量带走,当由滑油带走的热量与轴承发出的热量加上外界传入的热量平衡时,轴承即稳定于某一温度下。

航空发动机的滑油泵由发动机的附件传动装置驱动,当发动机停车后,滑油泵也随即停止工作,无滑油喷向轴承,轴承的热量无法由滑油带走。可是,从另一方面来看,当发动机停车后,轴承相邻的零件、组件的热量有很大一部分通过轴传到轴承,再由支承轴承的机匣外传,因此,

停车后,轴承的温度不仅不会降低,反而会增加,增加到一定时间后,随着整个转子温度降低才开始降低,这一特性对装于涡轮附近的轴承尤为突出。因为发动机工作时,高温燃气流过涡轮工作叶片,使叶片与轮盘温度均较高,停车后,由于叶片与轮盘较厚较大,含蓄的热量特别多,因而传给轴承的热量多,而且持续时间长,一般需经过30~40min后,轴承温度才开始降低。

图8、发动机停车后轴承温度的变化图

图8 所示的曲线,表示了涡轮轴轴承温度在发动机停车后,随停车后时间增长而上升的趋势。这一趋势,对于其他机械设备影响不大,例如,驱动用于峰值发电机的燃气轮机,每天在晚6点至10点用电高峰期间才工作,停车后要到第二天再工作,这时轴承已完全凉下来了。

但是,对于航空发动机而言,这一变化趋势对轴承的工作有较大的影响。例如,对于民航用发动机,当客机降落后,很快经过下上乘客,补充燃料与给养,可能在40min后,要重新启动,重上蓝天。又如,对于战斗机而言,平时训练中,经常会进行着陆后,停留一段时间再上蓝天。作战时,更会遇到降落后,立即加油与补充弹药,然后再次起飞重新投入战斗。

对于在研的发动机,发动机在调试中,经常会由于某些原因需停车,进行调整与排故然后再次启动。对于这些情况,如果停车与再次启动的间隔时间在半个小时左右,正好落在轴承处于最高温度的时间内。

由于停车时轴承热流方向是由轴传至内环,然后由外环传至机匣,内环温度要高于外环,这时,如果选用的轴承游隙过小,再次启动时,轴承内环将滚子紧紧地卡在外环内而不能或很少地使它自由转动,这时就容易出现轴承内环在轴上或外环在轴承座内相对转动,使轴或轴承座以及内环或外环出现过渡磨损故障。

防止轴承打滑

由于以上原因,航空燃气涡轮发动机主轴用滚动轴承的游隙要比轴承规范中规定值大很多,特别是涡轮附近的轴承大得更多,因此,在发动机设计时,一定要慎重选用轴承的游隙。

航空发动机主轴轴承由于转速高与负荷小,当飞机作机动飞行时,轴承上还可能出现轻载甚至零载。当飞机的飞行包线较大时,有时转子轴向负荷会变方向,在变向的前后区间,作用在止推轴承(滚珠轴承)上的轴向负荷变得很小甚至为零。所有这些,均使轴承出现打滑。

滚动轴承中,滚子与内外环滚道间应该是滚动摩擦,当轴承出现打滑时,即滚子与滚道间出现滑动摩擦,摩擦系数剧增;当滚子与滚道间的油膜由于振动与高温等原因而遭到破坏时,就出现金属表面间的摩擦,使金属表面出现局部擦痕,擦痕发展很快,破坏了滚子与滚道的原有形状与光洁度,使轴承报废。这种由于轴承打滑引起的故障,称为“滑蹭损伤”。

在现有发动机中,主轴上的滚棒轴承最容易出现由于打滑而引起的滑蹭损伤,滚珠轴承由于转子始终有由气动力产生的轴向负荷作用,因而不易出现打滑。但是当转子的轴向负荷在飞行中出现换向(即轴向负荷由向前变为向后,或反之)时,该滚珠轴承必定会出现打滑,并引起滑蹭损伤。例如斯贝发动机,在其民用型 mk512中,低压转子的止推轴承(为一中介轴承,其外环固定于高压轴内)在飞行中轴向负荷始终向后,因而从未出现打滑现象。

但当它改进发展成为用于高速战斗机的 mk202时,在飞行包线内,作用于低压转子止推轴承的轴向负荷出现了换向,因而该轴承出现严重的打滑并引起滑蹭损伤现象。又如 rb211系列发动机(22b、524、524d4d、535e4等型)中,低压转子的止推轴承也是一中介轴承,在飞行中,该轴承出现换向现象,因而,引起滑蹭损伤,虽采取了防止打滑的措施,但从1972年到1988年的十几年时间内,仍不断出现滑蹭损伤。

直到1988年在 rb211 524g以后的各型号上,才基本上解决了防止打滑的问题,其方法是将低压转子的卸荷腔封严环的直径加大,使在飞行包线内,作用于低压转子的轴向负荷始终向前,不出现换向现象。在rb211的后继机型遄达800上,还在低压涡轮轴后端增加了对滚珠轴承施加预载的轴向弹簧及小轴承。

滚动轴承由于打滑引起滑蹭损伤出现的时间很分散,短的可能仅工作几小时甚至几十分钟,长的则可能几百小时甚至更长。

在发动机设计时应该对每个主轴承的工作条件进行分析,必要时在发动机发展试车时,对滚棒轴承是否打滑进行监测,根据监测到的打滑度,考虑飞行条件的影响,采取防滑措施。另外,应采取设计措施,确保作用于滚珠轴承的轴向负荷在飞行包线内不会变向。

防止主轴承打滑的措施主要有:保持架在轴承内环上定心(例如 r211低压转子滚珠轴承);椭圆轴承(例如jt3d、jt8d、jt15d、cf680c2和 t700等发动机的滚棒轴承);三瓣外环轴承(如cf680c2的滚棒轴承);喷油改为斜喷,使喷油方向对着保持架旋转方向;将滚棒轴承改为轴向弹簧加载的滚珠轴承(例如j69发动机);用轴向弹簧对滚珠轴承施加轴向预载(例如斯贝mk202低压转子止推轴承处与遄达800低压涡轮后轴处);减小游隙(例如阿伊20压气机前滚棒轴承)等。

应当注意,用减小游隙来防止轴承打滑是能起到作用的,但会带来一些不利因素,因此不建议采用。苏制阿伊20发动机压气机前滚棒轴承出现滑蹭故障后,将游隙改小,但几年后,又恢复到原设计的游隙。

附件传动机构中的轴承,由于转速稍低,而且始终有齿轮啮合时的径向负荷作用,因而不会出现打滑。但是,如果在高速传动链中(例如传动油气分离器、离心通风器),如中间惰轮、主动齿轮、从动齿轮的中心处于一条直线上时,作用于中间惰轮支承轴承上将无负荷,该轴承必然会打滑,因此,建议将该轴承改用滑动轴承,或将三齿轮轮心不处于一直线上。