進油嘴設(shè)計不合理引發(fā)渦輪冷卻器失效分析

陳 星，劉 松，姜 濤

(1.北京航空材料研究院中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095;2.中航工業(yè)南京機電液壓工程研究中心，南京 211106;3.中航試金石檢測科技有限公司，北京 100095）

0 引言

渦輪冷卻器(以下簡稱渦輪)是環(huán)控系統(tǒng)最后一級制冷附件，其原理是由發(fā)動機引出的高溫高壓空氣，經(jīng)前級散熱器初步降溫之后流入渦輪的蝸殼，在蝸殼內(nèi)空氣均勻地散布至進嘴環(huán)四周，而后流入進嘴環(huán)，經(jīng)過進嘴，壓力能轉(zhuǎn)換為動能，氣體變?yōu)楦咚贇饬髁魅霚u輪盤內(nèi)，沖擊渦輪葉輪高速旋轉(zhuǎn)。氣體在其內(nèi)膨脹做功，從而使得流出渦輪葉輪的氣體溫度降低，溫度降低后的冷空氣被送至座艙或設(shè)備艙，以供人員或設(shè)備冷卻之用［1-2］。根據(jù)制冷原理的不同，目前制冷系統(tǒng)主要有蒸汽循環(huán)制冷系統(tǒng)和空氣循環(huán)制冷系統(tǒng);根據(jù)渦輪負(fù)載輸出功率的不同，分配形式分為兩輪升壓式(渦輪—壓氣機)、三輪升壓式(渦輪—壓氣機—風(fēng)扇)、四輪升壓式(渦輪—渦輪—壓氣機—風(fēng)扇)和電動式;根據(jù)除水方式的不同可以分為低壓除水和高壓除水2種方式［3］。

飛行員在一次飛行過程中聞到有燒焦的氣味進入座艙，稍后關(guān)掉渦輪冷卻器緊急迫降，分解后發(fā)現(xiàn)渦輪冷卻器風(fēng)扇葉片和軸承嚴(yán)重?fù)p壞，且影響到發(fā)動機附近的構(gòu)件。渦輪冷卻器使用時間約55 h，蝸殼、殼體、渦輪葉片、風(fēng)扇葉片等材料均為鋁合金，軸、軸承內(nèi)外圈和鋼球材料均為ZGCr15鋼，保持架為銅合金表面鍍銀。

渦輪冷卻器的好壞直接關(guān)系到飛行員的人身安全，討論其失效原因關(guān)系重大，特別是應(yīng)從結(jié)構(gòu)入手進行分析。本研究對渦輪冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計和進油工藝進行分析，以確定其失效原因和后續(xù)改進方案。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 渦輪冷卻器宏微觀觀察

渦輪冷卻器分為渦輪端、軸及軸承部件和風(fēng)扇端(圖1)。

1)渦輪端主要包括:渦輪蝸殼、渦輪盤、渦隔板。渦輪蝸殼中進嘴環(huán)內(nèi)壁可見周向擦傷，其余部分完好。渦輪外觀完整，外圓可見輕微刮傷。渦輪盤輪背與擋氣圈配合面有輕微刮蹭。取下渦隔板，隔板內(nèi)壁可見大面積焦糊狀附著物(圖2)，隔板上面密封組件結(jié)構(gòu)完整，能活動且彈性尚好，未見明顯損傷。

圖1 渦輪冷卻器各部件外觀形貌Fig.1 Appearance of turbo cooler

圖2 殼體內(nèi)壁遠離進油嘴大面積區(qū)域可見燒焦形貌Fig.2 Great area adust apart from shell wall

渦輪端軸承損傷相對較輕，可正常拆卸，軸承未散架，轉(zhuǎn)動也相對較靈活，可見較輕微的卡滯，軸承外圈可見明顯的軸向磨損痕跡，內(nèi)圈遠離渦輪端的側(cè)面可見局部發(fā)藍。對9粒鋼球進行觀察，各鋼球磨損相對較均勻，幾乎未見明顯磨小。對鋼球進行測量，其直徑由5.953 mm變?yōu)?.945 mm。

2)軸及軸承部件主要包括:殼體、軸承殼體及熱電阻部件、軸及2個軸承、隔離襯套、擋油環(huán)、墊圈、2個油芯。安裝于軸承殼體上的熱電阻導(dǎo)線絕緣外層已熔化，且導(dǎo)線也斷裂成多段。軸已發(fā)生明顯的彎曲變形，在沿著軸線方向可見周向嚴(yán)重的損傷和刮蹭痕跡?？拷L(fēng)扇端軸及軸承呈黑褐色，燒傷較嚴(yán)重，中間靠近彈簧處表面呈黃色，在渦輪端軸表面呈淡黃色(圖3)。

圖3 軸承外觀Fig.3 Appearance of axletree

3)風(fēng)扇端軸承呈黑褐色，外圈外表面可見多處周向損傷痕跡，保持架兜孔均嚴(yán)重磨損和變形，翻邊呈近似橢圓形，鋼球也散落出來，9粒鋼球均被磨小，且其中有2粒鋼球磨損相對較嚴(yán)重，對鋼球進行測量，其直徑由5.953 mm變?yōu)?.7 mm。內(nèi)圈嚴(yán)重磨損，并與軸燒結(jié)為一體，隔離襯套、擋油環(huán)、墊圈已與軸燒結(jié)為一體，無法正常分解開(圖3)。

油芯與軸承接觸部位大面積呈黑色，且可見碳化斷裂現(xiàn)象，包裹油芯的棉花大面積碳化呈片狀，其中風(fēng)扇端尤為嚴(yán)重(圖4)，用力擠壓棉花球，僅有2～3滴黑色狀潤滑油滴出。

風(fēng)扇轉(zhuǎn)子已嚴(yán)重卡滯，風(fēng)扇葉輪2片葉片斷裂，對風(fēng)扇葉片斷口微觀觀察為過載斷裂。與風(fēng)扇接觸的殼體外表面殼體密封齒已嚴(yán)重磨損缺失，擋板表面有周向嚴(yán)重刮蹭痕跡并伴有金屬材料粘連。

綜合以上外觀分析可知，渦輪冷卻器的風(fēng)扇端較渦輪端損傷嚴(yán)重。殼體內(nèi)部潤滑油已消耗殆盡。

1.2 組織檢查

在渦輪端軸承和風(fēng)扇端軸承垂直于內(nèi)外滾道和保持架方向截取金相試樣，磨制拋光腐蝕后進行金相組織觀察。渦輪端內(nèi)外滾道和鋼球近表面可見輕微的組織粗大形貌(圖5)，未見其他明顯異常，保持架組織未見明顯異常，組織形貌見圖6。風(fēng)扇端內(nèi)外滾道表面組織粗大，心部也可見部分組織粗大特征(圖7)，保持架組織粗大，組織形貌見圖8。軸表面和心部組織、風(fēng)扇葉片組織均未見明顯異常。

圖4 油芯外觀形貌Fig.4 Appearance of oil core

圖5 渦輪端軸承內(nèi)、外圈金相組織形貌Fig.5 Metallographic appearance of side of turbo axletree

圖6 渦輪端保持架金相組織形貌Fig.6 Metallographic appearance of side of turbo holding frame

圖7 風(fēng)扇端軸承內(nèi)、外圈金相組織形貌Fig.7 Metallographic appearance of side of fan axletree

圖8 風(fēng)扇端保持架金相組織形貌Fig.8 Metallographic appearance of side of fan holding frame

1.3 硬度測試

在渦輪端軸承和風(fēng)扇端軸承垂直于內(nèi)外滾道和保持架方向截取硬度試樣，磨制拋光后進行洛氏硬度(HRC)和維氏硬度測試(HV200)，結(jié)果見表1和表2。由表結(jié)果可知，渦輪端軸承內(nèi)外圈滾道近表面硬度有輕微變化，心部硬度符合技術(shù)要求，鋼球表面和心部硬度均低于技術(shù)要求。風(fēng)扇端軸承外圈滾道近表面和心部硬度、鋼球表面和心部硬度均遠低于技術(shù)要求，由此說明風(fēng)扇端軸承受溫度的影響較大。

表1 軸承內(nèi)外圈硬度測試結(jié)果Table 1 Hardness testing result of axletree inside and outside track HRC

表2 鋼球及保持架硬度測試結(jié)果Table 2 Hardness testing result of ball and holding frame

2 分析與討論

渦輪冷卻器內(nèi)部靠近風(fēng)扇端軸承部分損傷最嚴(yán)重，且該區(qū)域表面形貌和損傷特征與劇烈磨損產(chǎn)生高溫后的形貌較符合;因此，渦輪冷卻器的失效主要是高溫和干磨損作用的結(jié)果。

對以上構(gòu)件材質(zhì)進行對比分析，風(fēng)扇端各構(gòu)件表面和心部的組織和硬度有較大的變化，主要是由于高溫對其作用的影響。渦輪端除滾道表面硬度和組織可見微弱變化，心部的組織和硬度均符合技術(shù)要求。由滾珠測量結(jié)果可知滾珠相對磨損較均勻，由此可排除材質(zhì)的影響。

2.1 渦輪冷卻器的失效過程分析

縱觀渦輪冷卻器的分解結(jié)果和試驗分析結(jié)果，對該起故障的失效順序進行判斷［4-7］。一方面，從損傷最嚴(yán)重的角度進行分析，可知靠近風(fēng)扇端軸承為主要肇事件;另一方面，風(fēng)扇葉片斷口為過載打壞形貌，軸的偏心損壞應(yīng)先于葉片的過載打壞;而軸的彎曲變形部位也正好處于靠近風(fēng)扇端軸承部位，該處軸承內(nèi)圈與軸已發(fā)生嚴(yán)重熔化于一體;因此，可確定靠近風(fēng)扇端軸承部位為首先發(fā)生破壞位置。在風(fēng)扇端軸承處的保持架和鋼球均有不同程度的損傷，保持架為銅合金，受溫度較嚴(yán)重;而鋼球為軸承鋼，在工作過程中受內(nèi)外圈磨損較嚴(yán)重，鋼球的磨損和保持架的變形兩者互相作用加劇了軸承的失效。結(jié)合軸承各部件燒焦和損傷形貌，可知溫度起主要作用，高溫的產(chǎn)生與劇烈摩擦(干磨)有直接關(guān)系，可大致判斷鋼球和內(nèi)外圈的劇烈干磨產(chǎn)生的高溫為故障的直接原因;因此，該零件的失效過程:首先靠近風(fēng)扇端軸承部位鋼球由于劇烈磨損而產(chǎn)生高溫和保持架變形，隨后導(dǎo)致軸承內(nèi)圈與軸發(fā)生干涉摩擦熔化粘連，繼而促使軸在軸承處發(fā)生彎曲變形，引起了風(fēng)扇與殼體偏磨和破壞損傷。

2.2 失效原因分析

軸承屬于精密轉(zhuǎn)動組件，對各方面的技術(shù)要求均較高，一旦發(fā)生故障，整個系統(tǒng)將受到影響。該軸承失效呈現(xiàn)高溫大面積燒傷及粘連，產(chǎn)生該失效模式的原因可從以下幾個方面進行分析，例如軸承轉(zhuǎn)速較快、保持架開裂、鋼球尺寸不符合要求、異常應(yīng)力或者潤滑油缺少等等。1)當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速較快，軸與軸承的摩擦、鋼球與軸承內(nèi)外圈的摩擦均較激烈，在同等條件下，風(fēng)扇端的軸承和渦輪端的軸承損傷程度均會較嚴(yán)重，這與試驗結(jié)果渦輪端軸承相對較完好，磨損也較輕，且鋼球直徑由5.953 mm 變小為 5.94 mm 或 5.95 mm 不符;因此，可基本排除軸承轉(zhuǎn)速過快對渦輪冷卻器失效的影響。2)保持架開裂。通過對2個軸承的保持架宏觀和體式鏡觀察，保持架只可見由于變形產(chǎn)生的裂紋，未見其他異常，因此也可排除保持架的裂紋問題。3)從鋼球的尺寸測量結(jié)果可知，除了風(fēng)扇端保持架中有2個鋼球尺寸稍小外(可能是由于軸發(fā)生彎曲變形后軸承內(nèi)外圈對鋼球的擠壓)，而其他鋼球尺寸較均勻，可大致排除鋼球尺寸的影響。4)當(dāng)風(fēng)扇端承受異常應(yīng)力，致使風(fēng)扇與殼體發(fā)生偏磨、軸與軸承發(fā)生偏磨，那么在軸承內(nèi)圈和軸上應(yīng)留下相對應(yīng)的一圈周向磨損痕跡，與實際觀察軸在沿著軸線方向，只有寬度約1/3圓周上可見嚴(yán)重磨損，其他位置幾乎未見損傷情況不符，也可排除異常應(yīng)力對風(fēng)扇的作用。5)潤滑油缺失。首先從軸和軸承表面顏色呈黃色和黑褐色來看，風(fēng)扇端軸承的鋼球與軸承內(nèi)外圈有明顯的劇烈磨損痕跡，分析認(rèn)為與潤滑油的缺失關(guān)系較大。當(dāng)潤滑油缺失，軸與軸承、鋼球與軸承內(nèi)外圈均會產(chǎn)生干磨，繼而產(chǎn)生短時高溫。其次渦輪冷卻器內(nèi)部幾乎未見潤滑油倒出，擠壓棉花也只可見2～3滴，可判斷軸承內(nèi)的油已是消耗殆盡，普查外場同型號飛行時間相當(dāng)?shù)娘w機存油量也較少。最后采用從底部進油嘴充油方式，最高的儲油位置處于進油嘴帽子的下邊緣，該處所存儲的油量約為30～35 mL(圖9)，達不到規(guī)定值(80 mL)。按照實驗室階段的潤滑油消耗速率數(shù)據(jù)(進油40 mL、工作75.5 h)，該故障件渦輪冷卻器的工作時間約為55 h，那么冷卻器共消耗的平均潤滑油量約為29 mL，而在僅剩的約6 mL的油量下油芯能否進行正常工作有待驗證，也就是說，此時油量所剩不多甚至就消耗殆盡;因此，潤滑油的缺失是造成軸承激烈干磨的主要原因。接下來對潤滑油缺失的原因做詳細(xì)分析。

2.3 進油嘴設(shè)計及加油方式分析討論

冷卻器的進油嘴采用倒置方式安裝，進油嘴在結(jié)構(gòu)的下部，且在進油嘴的頂部有一個帽子，潤滑油通過進油嘴到達殼體的外部，再通過殼體外壁分布的包裹棉花油芯毛細(xì)作用給軸承潤滑。

首先討論進油嘴長度的設(shè)計，進油嘴上部即為軸及軸承組件，進油嘴的長度受結(jié)構(gòu)空間的限制已達最大值，也就是說在此進油嘴長度情況下能加油的最大值為80 mL，可以達到技術(shù)要求值。

其次討論帽子的作用和對加油的影響，帽子位于進油嘴的頂部，其作用主要是防止飛機在進行復(fù)雜動作時潤滑油倒進進油嘴而影響潤滑效果和壽命。對于渦輪冷卻器自身的注油工藝問題，每次往進油嘴注入20 mL，然后再抽出進油嘴內(nèi)留存的潤滑油，當(dāng)抽出的潤滑油小于20 mL時表明內(nèi)部油量未能加到規(guī)定值。接著再往進油嘴注入20 mL，然后再抽出進油嘴內(nèi)留存的潤滑油，循環(huán)往復(fù)，直到最后一次抽出的潤滑油大于20 mL為止。由于進油嘴頂部的帽子的存在，進油嘴與殼體之間聯(lián)通的界面為30～35 mL水平線，潤滑油在渦輪冷卻器自身的加油工藝指導(dǎo)下最后定格在30～35 mL。也就是說，頂部的帽子無形中減小了潤滑油的裝載量。為了實現(xiàn)進油嘴帽子的功能，又能最大限度的注入潤滑油，關(guān)鍵是減小帽子的下邊緣與進油嘴重疊長度(圖10)。

圖9 渦輪冷卻器進油內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Inside configuration about afflux cooler

2.4 預(yù)防措施

針對渦輪冷卻器潤滑油缺失的問題可采取以下幾個預(yù)防措施:1)加大進油頻率，針對缺油最簡單有效的方法當(dāng)然就是加大進油的頻率，減小定檢周期，可通過試驗確定渦輪冷卻器具體工作潤滑油的消耗速率，并且留有一定裕度，進而確定進油周期;2)改變進油方式，從試驗室條件來看，從上側(cè)的進油嘴充油可保證充足的存儲量，若是機載空間允許的條件下可改變進油方式;3)更改進油嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于固定的進油嘴結(jié)構(gòu)和固定的進油方式?jīng)Q定著固定的存儲油量，存油量的極限條件為進油嘴帽子的下邊緣。在結(jié)構(gòu)允許的情況下，若能將進油嘴帽子的下邊緣位置提高或?qū)⒄麄€進油嘴適當(dāng)加長，對渦輪冷卻器的存油量有著重要的作用。

圖10 進油嘴加油示意圖Fig.10 Working sketch map about afflux oil orifice

3 結(jié)論

1)渦輪冷卻器破壞是由于潤滑油缺失，使風(fēng)扇端軸承發(fā)生干涉磨損并產(chǎn)生高溫，進而引起軸的彎曲變形、粘連和葉片的磨損、破壞;

2)造成渦輪冷卻器潤滑油缺失的原因主要是由于在現(xiàn)有的注油工藝下進油嘴設(shè)計不合理，未能注入到規(guī)定值。建議通過采取將進油嘴帽子的下邊緣位置提高或?qū)⒄麄€進油嘴適當(dāng)加長等措施來適當(dāng)減小進油嘴與帽子的重疊長度，以增大存油量。

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