航空發(fā)動機滾珠軸承軸向載荷的間接測量方法

林 磊，伏 宇

(中國燃氣渦輪研究院，四川 成都610500)

1 引言

航空發(fā)動機滾珠軸承軸向載荷(工程中也稱轉(zhuǎn)子軸向力)是發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重要指標(biāo)。一般需采取各種措施保證作用在滾珠軸承上的軸向載荷在一定范圍內(nèi)，以使得轉(zhuǎn)子支承方案簡單，滾珠軸承有較長壽命。轉(zhuǎn)子軸向力過大，會造成滾珠軸向過載、軸承腔溫度上升等；轉(zhuǎn)子軸向力過小或反向，會造成滾珠軸承輕載打滑、滑蹭損傷和撞擊損傷等[1]。

在現(xiàn)代航空發(fā)動機的設(shè)計和試驗階段，必須進行轉(zhuǎn)子軸向力的計算和測量。目前國內(nèi)外最主要、最常用的測量方法是通過彈性環(huán)直接測量。該方法通過在軸承旁安裝彈性環(huán)直接測量軸承所受的軸向力，具有足夠的精度，且對發(fā)動機結(jié)構(gòu)沒有大的改變，測量方法比較簡單，因此在發(fā)動機試車中得到了比較廣泛的應(yīng)用。但是該方法也存在一些問題，如須將彈性環(huán)布置在軸承兩側(cè)，會造成軸承與軸承座的配合性質(zhì)發(fā)生改變，影響發(fā)動機的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性，進而將有可能影響軸承的正常工作。另外，彈性環(huán)采集到的信號也較復(fù)雜，因此保證轉(zhuǎn)子軸向力測量數(shù)據(jù)的真實性和準(zhǔn)確性也是該方法的一個難點[2]。

本文將介紹一種基于軸向載荷計算方法的軸向載荷間接測量方法。

2 滾珠軸承軸向載荷間接測量方法

2.1 軸向載荷間接測量方法的原理

在航空發(fā)動機的設(shè)計過程中，依據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)子軸向力的計算方法，可將轉(zhuǎn)子軸向力分為盤腔軸向力和流道軸向力兩個部分。如圖1所示，盤腔軸向力為發(fā)動機空氣系統(tǒng)中各腔室作用在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上的軸向載荷之和，流道軸向力為發(fā)動機壓氣機、渦輪流道所受的軸向載荷之和。對于其中每一個軸向力分量的計算，主要依據(jù)動量定理進行。

轉(zhuǎn)子軸向力計算輸入?yún)?shù)主要有：流道進口靜壓、軸向速度、面積，流道出口靜壓、軸向速度、面積，通過流道的質(zhì)量流量，盤腔腔壓，流道和盤腔的幾何參數(shù)等。

滾珠軸承軸向載荷間接測量方法正是基于轉(zhuǎn)子軸向力計算方法而提出的，其基本思想是將每個分量的盤腔軸向力和流道軸向力進行測算和迭加。

對于盤腔軸向力，通過實時測量與發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相關(guān)的各腔室的腔壓，結(jié)合對應(yīng)盤腔的幾何尺寸即可測算出。但在發(fā)動機臺架試車時，受限于測試系統(tǒng)的局限性和可實現(xiàn)性，不可能完全測量發(fā)動機所需空氣系統(tǒng)腔室的壓力，因此須進行相關(guān)的計算處理。如可通過盤腔的來流壓力、背壓、封嚴形式等，結(jié)合一定的經(jīng)驗公式和修正方式，估算該盤腔的壓力等，再通過相關(guān)計算處理后，即可得到所需的所有空氣系統(tǒng)盤腔的靜壓，從而實現(xiàn)盤腔軸向力的實時測算。測算關(guān)鍵在于經(jīng)驗公式和修正參數(shù)的選取，該公式和參數(shù)的選取直接影響盤腔軸向力計算的精度。在處理盤腔軸向力時，一般忽略盤腔內(nèi)氣流流動產(chǎn)生的動量對轉(zhuǎn)子軸向力的影響。

對于流道軸向力，通過實時測量壓氣機、渦輪流道相關(guān)截面的進出口靜壓和軸向速度等參數(shù)，結(jié)合流道軸向力計算方法，可實現(xiàn)流道軸向力的實時測算。與盤腔軸向力的測試相同，通常某些截面的參數(shù)也無法直接測試。如由于某些原因使得渦輪進口參數(shù)難以直接測量，但其可通過渦輪出口參數(shù)依據(jù)渦輪的工作特性反推計算得到。在已知壓氣機、渦輪流道進出口靜壓和軸向速度等數(shù)據(jù)后，再根據(jù)發(fā)動機的共同工作線、部件特性線等，插值、擬合出每級轉(zhuǎn)子葉片的進出口靜壓和軸向速度等。當(dāng)發(fā)動機在不同工作狀態(tài)工作時，其插值公式有較大的差異，故需要對多組插值方法進行判斷、計算。然后依據(jù)特定算法計算每級轉(zhuǎn)子葉片的軸向力，最后進行迭加，實時測算出整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的流道軸向力。測算關(guān)鍵在于插值、擬合公式的選擇和修正。

通過盤腔軸向力和流道軸向力的迭加即得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)子軸向力。

在進行發(fā)動機轉(zhuǎn)子軸向力間接測量時，為了能實時顯示，需依據(jù)發(fā)動機測量通道中的參數(shù)編制專用程序進行測算。在采用軸向載荷間接測量方法時，需要有發(fā)動機各部件性能、結(jié)構(gòu)等諸多詳細的參數(shù)，結(jié)合測試系統(tǒng)的可行性，對于那些不易直接測量的參數(shù)，需要靈活多變地利用已測參數(shù)、發(fā)動機結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)進行推導(dǎo)。而對于提出的軸向載荷測量算法，也需要采取多種方式對其進行校核、修正，最終形成適合特定發(fā)動機的軸向載荷間接測量方法。

2.2 軸向載荷間接測量程序的編制

軸向載荷間接測量程序根據(jù)滾珠軸承軸向載荷間接測量原理編制。程序的輸入?yún)?shù)為發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相關(guān)盤腔的腔壓，壓氣機、渦輪流道相關(guān)截面的總溫和總壓等。輸出參數(shù)為發(fā)動機滾珠軸承軸向載荷以及軸向載荷的各個分量。程序的核心算法為轉(zhuǎn)子軸向力的計算方法。圖2給出了滾珠軸承軸向載荷間接測量程序運行的界面。

程序的輸入需結(jié)合發(fā)動機測試參數(shù)來確定，若缺少某些參數(shù)的測量數(shù)據(jù)，則須在程序中增加用已知參數(shù)進行間接換算的程序代碼。

在發(fā)動機試車時，由于需要測量的參數(shù)較多，并不僅僅局限于發(fā)動機轉(zhuǎn)子軸向載荷，故軸向載荷間接測量程序一般集成在發(fā)動機測試系統(tǒng)軟件包中。

2.3 軸向載荷間接測量方法的優(yōu)缺點

與其它傳統(tǒng)的軸向載荷測量方法相比，滾珠軸承軸向載荷間接測量方法主要有以下優(yōu)點：

(1)測量精度可控。若需較高的測量精度，則需要提出較全面的測量參數(shù)進行測算。

(2)可測量軸向載荷的各個分量。滾珠軸承軸向載荷由若干分量迭加而成，軸向載荷間接測量方法可輸出每一個軸向力分量，利于發(fā)動機整機軸向力的分析和調(diào)整。

(3)可實時測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)子軸向力。通過軸向載荷間接測量程序，可在發(fā)動機臺架試車時實時顯示發(fā)動機軸向力的大小，為發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測提供依據(jù)。

(4)測量方法簡單，不需修改發(fā)動機結(jié)構(gòu)。發(fā)動機臺架試車時，自身需要測量較多的參數(shù)以驗證發(fā)動機設(shè)計水平，該方法選用相關(guān)測量參數(shù)(可適當(dāng)補充部分參數(shù))即可進行滾珠軸承軸向載荷測量。

但該方法也存在著不足，最主要的是需對發(fā)動機進行較全面的參數(shù)測量。在發(fā)動機試制階段，可實施較全面的參數(shù)測量；但在批生產(chǎn)階段，無法滿足大量參數(shù)測量的要求，需借助其它方法實現(xiàn)滾珠軸承軸向載荷的測量。

3 試驗驗證

某發(fā)動機平臺在進行臺架試車時，在該發(fā)動機滾珠軸承處裝配有彈性環(huán)，并且在發(fā)動機相關(guān)位置布置軸向載荷間接測量所需參數(shù)的測點。通過彈性環(huán)測量與軸向載荷間接測量所得結(jié)果的對比，來驗證軸向載荷間接測量方法所得結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3給出了某段時間內(nèi)發(fā)動機平臺滾珠軸承軸向載荷間接測量與彈性環(huán)測量對比曲線。從圖中可以看出，兩者測量結(jié)果吻合得很好，兩種測量方法的相對誤差在工程可接受的范圍之內(nèi)，從而驗證了軸向載荷間接測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前，該測量方法已在驗證發(fā)動機試車中得到了實際應(yīng)用，并取得良好效果。

4 結(jié)論

(1)航空發(fā)動機滾珠軸承軸向載荷間接測量方法操作性良好，優(yōu)點突出。

(2)航空發(fā)動機滾珠軸承軸向載荷間接測量方法與彈性環(huán)測量結(jié)果吻合很好，兩者之間的相對誤差在可接受范圍內(nèi)，測量結(jié)果真實可信。本測量方法在工程中可行。

[1]楊麗華，王通北.航空發(fā)動機推力軸承的軸承的軸向載荷測量[J].航空發(fā)動機，1994，20(2)：54—61.

[2]楊 東，劉忠華，馬 群.燃氣輪機軸向力測試技術(shù)研究[J].測控技術(shù)，2004，23(1)：8—10.