航空發動機軸承預載的加載方法與工程實踐

劉小鳳，蘇廷銘

(中國燃氣渦輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

滾動軸承在工作時，其滾動體應在內、外環滾道上作純滾動。當滾道與滾動體間的拖動力難以克服滾動體與保持架組合體之間正常運動的阻力時，滾動體就會在滾道上打滑從而形成滑動摩擦。當滑動摩擦系數大于滾動摩擦系數時，再加之某些外來因素的影響，使得滾動體在內、外環滾道上發生干摩擦，從而引起軸承的滑蹭損傷，在滾動體、內外環滾道上出現蹭痕、表面局部磨損等現象。當軸承出現滑蹭損傷時，其表面粗糙度被破壞，摩擦系數增大，磨損過程加速，使得滾動體的直徑變小，并在滾道上出現不均勻的槽痕，造成軸承損壞，對轉子的工作帶來嚴重危害，對發動機的可靠工作構成威脅[1]。

航空發動機軸承的工作條件比一般機械軸承的惡劣得多。航空燃氣渦輪發動機的轉子有轉速高、負荷小的特點，容易引起發動機主軸承出現打滑現象。這是因為在高轉速作用下，軸承滾子在大的離心力作用下有脫離內環滾道接觸的趨勢，且航空發動機的轉子重量較輕，使得作用在軸承上的徑向負荷小，再加上飛機作機動飛行時會在某些情況下使作用于軸承上的負荷更小，甚至出現零負載，因而由摩擦產生的拖動力變得很小，甚至為零，從而引起軸承打滑。因此，航空渦輪發動機主軸承上應特別注意防止軸承的滑蹭損傷。

阻止主軸承打滑的有效措施有兩大類，即減小阻力與增大拖動力。本文只針對采用增大拖動力的措施防止軸承滑蹭的工程實例做介紹。

2 采用增大拖動力的措施防止軸承滑蹭的工程實例

在航空發動機設計中，采用增大拖動力來防止軸承滑蹭的措施有很多，包括減小軸承的游隙、將軸承保持架定位于內環、對軸承施加預載和將滑油噴射方向做成與滾子運動方向一致等。其中對軸承施加預載的措施除了在軸承設計上采用非圓軸承外，采用軸向彈簧對軸承施加預載也是非常有效的方法之一。J69發動機軸流壓氣機轉子后支點采用軸向彈簧將預載施加在滾珠軸承支座上。在軍用斯貝發動機MK202中，為防止低壓轉子的止推滾珠中介軸承在工作中作用的軸向負荷變向而引起軸承打滑，也采用了彈簧施加預載的結構形式。利用兩個貝氏彈簧，通過小軸承對中介止推軸承施加7 120 N向后的預載，當中介止推軸承向后的軸向力變小甚至反向時，彈簧對它施加向后的軸向力，如圖1所示。此種采用軸向彈簧對滾珠軸承施加預載荷的結構形式，在一些小型渦輪機械中被廣泛運用。

圖1 斯貝MK202發動機中介止推軸承防止打滑的結構簡圖Fig.1 The layout of the anti-slipping bearing system in the SPEY MK202

3 軸承打滑的故障實例與解決措施

在某型發動機高壓壓氣機部件試驗中，曾出現過由于輔助支點滾珠軸承因輕載打滑導致軸承失效的故障。圖2為某型發動機高壓壓氣機部件試驗轉子支承簡圖。該部件試驗件轉子運轉時產生的軸向力由主支點的滾珠軸承承受，通過軸承座、試驗件排氣機匣傳至試驗設備的排氣渦殼上。

圖2 某型發動機高壓壓氣機部件試驗件轉子支承簡圖Fig.2 The supporting system of a HPC test rig

試驗件輔助支點的作用是將試驗件的轉子與設備的高速齒輪箱聯接起來，通過輔助支點傳動軸組件將設備提供的動力傳給試驗件轉子，帶動試驗件運轉。傳動軸組件前端與試驗件轉子之間采用花鍵傳扭和球頭定心的柔性聯接方式，傳動軸組件后端與設備的高速浮動軸之間也是采用花鍵傳扭和球頭定心的柔性聯接方式，如圖3所示。

圖3 某型發動機壓氣機部件試驗件輔助支點與轉子及設備聯接處結構圖Fig.3 The sketch of the assistant fulcrum connecting with rotor assembly and the test bed

該部件試驗件轉速非常高，由于受到某些條件的限制，該部件試驗件輔助支點軸承選用了某型發動機3號支點的軸承，且與試驗件主支點選用的軸承為同一型號，此軸承為角接觸滾珠軸承，主要承受軸向力。從圖3中可以看出，由于傳動軸組件與試驗件轉子及試驗設備之間采用的是柔性聯接方式，在整個部件試驗件運行過程中，該試驗件輔助支點的滾珠軸承只起到了一個支點的作用而并未承受軸向力。同時，為保證試驗件的安全運行，在部件試驗件各支點靠近軸承外環的軸承座垂直和水平方向上均布置2支熱電偶，用于試驗中軸承溫度的在線監測。圖4為試驗件故障前監測的軸承溫度隨轉速變化的曲線圖。從圖中可以看出，輔助支點滾珠軸承的溫度隨轉速變化上升較快，且在試驗件運行過程中始終較高，當試驗件相對換算轉速為1.0時，此滾珠軸承溫度已超過120℃。在錄取了相對換算轉速1.0的喘振邊界后，準備再補充錄取設計點數據時，試驗間突然發出劇烈異響，從操縱間觀測到試驗件與高速齒輪箱之間有煙霧出現，遂立即停車并對部件試驗件和試驗設備進行分解檢查。檢查后發現，部件試驗件的輔助支點組件和排氣機匣組件以及試驗設備高速齒輪箱的浮動軸損壞，試驗件輔助支點的滾珠軸承嚴重燒毀，僅剩下軸承外環，輔助支點軸承座和排氣機匣軸承座安裝邊也完全破壞，如圖5所示。通過對故障現場及實物的認真勘察，并結合試驗件各支點的振動信號時域圖譜，發現輔助支點處的振動信號異常，振動早于其它支點。分析認為，事故原因是由于試驗件輔助支點首先發生失效、坍塌，從而導致其它部件損壞，而輔助支點的損毀則是由于輔助支點的滾珠軸承輕載打滑導致軸承失效而造成的。

圖4 加預載前軸承溫度隨轉速變化曲線圖Fig.4 The bearing temperature vs rotational speed before preloading

圖5 試驗件輔助支點故障圖Fig.5 The failure of assistant fulcrum

根據軸承失效原因，分析認為需對輔助支點滾珠軸承施加100～200 N的軸向預載荷。以往許多給軸承加預載荷的方法均是將預載荷直接加在軸承外圈上，而根據此部件試驗件的結構形式特點，在已有的結構布局下，很難將預載荷直接加在軸承外圈上。因此，在對試驗件結構形式不作大的改動的情況下來給軸承施加預載，比較直接的方法是在試驗件輔助支點傳動軸組件前端面與部件試驗件轉子后軸頸聯接處之間增加一軸向彈簧(見圖6)。此軸向彈簧在部件運轉過程中隨轉子一起旋轉，同時利用作用力和反作用力的關系及在彈簧力的作用下，使輔助支點的滾珠軸承在試驗件的整個運行過程中始終承受一定的軸向力，以防止軸承因輕載打滑而失效。通過初步計算評估，第一步通過施加約為100 N的預載荷進行試驗驗證，驗證軸承溫度能夠降低的程度。若溫度降幅較大，則按正常試驗程序進行試驗，否則將軸承預載荷再次增加進行試驗驗證。

圖6 彈簧Fig.6 The spring

為此，對部件試驗件做了一定的修改設計和補加工：對傳動軸前端內孔進行補加工，并在此處增加一彈簧安裝座，將彈簧安裝在彈簧安裝座與試驗件轉子后軸頸之間，彈簧承受約100 N的壓縮力。圖7為試驗件預載荷施加處的結構圖。

經試驗驗證表明，預加約100 N的軸向預載荷后，試驗件運行情況良好，輔助支點的滾珠軸承溫度明顯下降，輔助支點軸承最高溫度低于65℃，該部件試驗件的安全運行時間已達1 694.4 min。圖8為改進設計后的某部件試驗件試驗時輔助支點軸承溫度隨轉速變化的監測結果圖。

圖7 預載荷施加處的結構圖Fig.7 The preloading structure

4 結論

圖8 加預載后軸承溫度隨轉速變化曲線圖Fig.8 The bearing temperature vs rotational speed after preloading

對轉子施加預載荷來防止軸承輕載打滑是一種有效的軸承預載方法，該方法已在后繼的多個部件試驗件設計中得到成功運用。

[1]陳 光.航空發動機軸承的滑蹭損傷與防止措施[J].燃氣渦輪試驗與研究，2004，17(3)：58—60.