渦輪冷卻器中空氣動(dòng)壓軸承的應(yīng)用及其改進(jìn)

鄧為民

（海軍裝備部上海局航空裝備處，上海 200083）

渦輪冷卻器中空氣動(dòng)壓軸承的應(yīng)用及其改進(jìn)

鄧為民

（海軍裝備部上海局航空裝備處，上海 200083）

為解決渦輪冷卻器中空氣動(dòng)壓軸承的高故障問題，在介紹了空氣動(dòng)壓軸承的特點(diǎn)和國產(chǎn)化研制現(xiàn)況之后，提出了具體的改進(jìn)措施。實(shí)踐表明改進(jìn)措施合理、有效，值得推廣。

空氣動(dòng)壓軸承；渦輪冷卻器；應(yīng)用；改進(jìn)

渦輪冷卻器是飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中的重要設(shè)備，而軸承是影響渦輪冷卻器可靠工作的一個(gè)關(guān)鍵因素，軸承故障會(huì)導(dǎo)致抱軸、卡死、轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活、效率低等故障，而產(chǎn)品高故障率將直接影響座艙工作環(huán)境，嚴(yán)重時(shí)可影響飛機(jī)安全。換裝陶瓷球雖可緩解故障現(xiàn)象，但難以有效滿足使用要求，所以亟需對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)。

1 渦輪冷卻器主要故障原因及其改進(jìn)措施簡(jiǎn)介

1.1 渦輪冷卻器主要故障原因

國產(chǎn)航空渦輪冷卻器故障現(xiàn)象主要為：抱軸、卡死、轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活、效率低、壓氣機(jī)葉輪斷裂、密封失效、超溫超速、漏油、殼體裂紋等。其中，抱軸、卡死約占全部返回渦輪產(chǎn)品數(shù)量的65%；轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活、效率低的故障產(chǎn)品約占23%；漏油、殼體裂紋等其他渦輪冷卻器故障產(chǎn)品約占12%。因軸承原因造成的故障占88%，可見軸承在渦輪冷卻器中的作用之重要。

軸承是影響渦輪冷卻器可靠工作的一個(gè)關(guān)鍵因素，軸承故障的原因在于三個(gè)方面：一是軸承長期使用磨損，最終軸承失效，轉(zhuǎn)子卡死；二是換熱器產(chǎn)品由于游離水較多，目前渦輪冷卻器還沒有有效減少油池進(jìn)水的措施，渦輪冷卻器油池進(jìn)水后，軸承潤滑能力降低，最終導(dǎo)致軸承失效，渦輪抱軸、轉(zhuǎn)子卡死；三是密封失效損壞，巴氏合金磨損部分粉末進(jìn)入軸承，加速軸承磨損。軸承磨損加劇，輕則造成轉(zhuǎn)子振動(dòng)量增大,導(dǎo)致壓氣機(jī)葉輪與蝸殼摩擦，重則導(dǎo)致軸承失效，轉(zhuǎn)子卡死。

1.2 渦輪冷卻器改進(jìn)措施簡(jiǎn)介

為解決上述故障，設(shè)計(jì)單位一般采取的改進(jìn)措施主要有三項(xiàng)：換裝陶瓷球軸承；隔熱板密封材料改用石墨；葉輪加工工藝改進(jìn)。其中，換裝陶瓷球軸承是最重要，也是最有效的措施。由于陶瓷球在高溫條件下的膨脹系數(shù)較鋼球低得多，陶瓷球軸承理論上更適用于高溫環(huán)境；另外，陶瓷球的密度較鋼球低，在高轉(zhuǎn)速環(huán)境下所產(chǎn)生的離心力也相應(yīng)小很多，因此其磨損也會(huì)小一些。所以，與鋼球軸承相比，陶瓷球軸承更適合在這種高溫高轉(zhuǎn)速的環(huán)境下使用。因此，將換裝陶瓷球軸承作為一項(xiàng)改進(jìn)措施。

改進(jìn)后的滾珠軸承渦輪冷卻器使用壽命雖然有顯著的提高，但鑒于國內(nèi)技術(shù)水平和滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)形式的限制，滾珠軸承在溫度、壓力和轉(zhuǎn)速較高的條件下，還是存在可靠性低、故障率高的問題，一般仍無法達(dá)到成熟期1 200飛行小時(shí)/8年的首翻期要求。此外，由于滾珠軸承需要定期補(bǔ)充潤滑油，外場(chǎng)必須定期對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加油維護(hù)。產(chǎn)品故障率偏高、維護(hù)成本高等問題，依然難以有效滿足使用需要，因此，使用空氣動(dòng)壓軸承，已成為提高產(chǎn)品可靠性的必然需求。

2 空氣動(dòng)壓軸承工作原理及其優(yōu)點(diǎn)

2.1 空氣動(dòng)壓軸承工作原理

根據(jù)國內(nèi)外的研制經(jīng)驗(yàn)，采用空氣動(dòng)壓軸承是解決渦輪冷卻器可靠性低的有效方式?？諝鈩?dòng)壓軸承主要是利用流體的動(dòng)壓效應(yīng)，也即粘性流體在經(jīng)過一個(gè)楔形或者傾斜平板時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大于來流壓力的效應(yīng)，從而產(chǎn)生支撐力，如圖1所示。

圖1 黏性流體的動(dòng)壓效應(yīng)

渦輪冷卻器中使用的空氣動(dòng)壓軸承由徑向軸承和止推軸承組成。徑向軸承是通過轉(zhuǎn)軸與軸承之間的氣隙的偏斜，形成偏心率和偏位角，形成楔形，產(chǎn)生動(dòng)壓支撐效應(yīng)，如圖2所示。

圖2 徑向空氣動(dòng)壓軸承動(dòng)壓效應(yīng)形成原理

止推軸承是通過將扇形拱形箔片焊接到止推箔片上，扇形拱形箔片與轉(zhuǎn)子的止推盤之間形成楔形，產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，如圖3所示。

圖3 止推空氣動(dòng)壓軸承動(dòng)壓效應(yīng)形成原理

2.2 空氣動(dòng)壓軸承的主要優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的滾珠軸承相比，空氣動(dòng)壓軸承有以下優(yōu)點(diǎn):

（1）高可靠性、長壽命

空氣動(dòng)壓軸承支撐轉(zhuǎn)子組件的零部件數(shù)量更少，同時(shí)不需要提供潤滑油。當(dāng)產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承與軸之間形成空氣膜保護(hù)軸承箔片免于磨損；軸承表面只是在轉(zhuǎn)子啟動(dòng)或停止時(shí)才與軸摩擦，而軸承表面的耐磨/自潤滑涂層可以將磨損限制在極低的水平。因此，空氣動(dòng)壓軸承渦輪冷卻器的壽命和可靠性將得到非常顯著的提升。

（2）高轉(zhuǎn)速適應(yīng)性

滾動(dòng)軸承則轉(zhuǎn)速越高磨損越快，通常轉(zhuǎn)速嚴(yán)格受限制?？諝鈩?dòng)壓軸承和軸之間由高壓氣膜隔開，不存在摩擦，且轉(zhuǎn)速越高軸承的承載能力越強(qiáng)，因此空氣動(dòng)壓軸承允許轉(zhuǎn)子超出滾珠軸承限度很高的旋轉(zhuǎn)速度。在渦輪冷卻器中，轉(zhuǎn)速高可使壓氣機(jī)和渦輪具有更好的氣動(dòng)效率。

（3）高低溫適應(yīng)性

大部分潤滑油在無冷卻情況下不能工作在高溫環(huán)境內(nèi)。同時(shí)，低溫時(shí)潤滑油變的非常粘稠影響性能?？諝鈩?dòng)壓軸承則可以在高低溫環(huán)境下良好運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）免定期維修

在渦輪冷卻器中應(yīng)用箔片軸承，不需要潤滑油，取消了油潤滑系統(tǒng)，不需要檢查或更換潤滑油，大幅度降低部隊(duì)維護(hù)工作量和使用維護(hù)成本。

（5）抗環(huán)境污染能力強(qiáng)

空氣動(dòng)壓軸承軸承引起通過在制冷路進(jìn)口設(shè)置的倒置皮托管防止大顆粒進(jìn)入軸承引氣流道，而細(xì)小微粒進(jìn)入流道后會(huì)隨著冷卻氣流排出。因此空氣動(dòng)壓軸承可以在沙塵吸入的環(huán)境條件下可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，抗環(huán)境污染能力突出。

（6）使用維修成本低

滾動(dòng)軸承發(fā)生故障后，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生極大的擺動(dòng)位移，造成轉(zhuǎn)動(dòng)和靜止部件大量磨損，維修時(shí)需要更換大部分零組件。而空氣動(dòng)壓軸承與軸的配合間隙小、公差嚴(yán)格，當(dāng)軸承故障發(fā)生時(shí)，軸承箔片有效限制了轉(zhuǎn)子組件的位移，將磨損限制在軸承箔片和軸表面。產(chǎn)品故障后，只需要更換軸承，而軸和其他轉(zhuǎn)子部件通?？梢孕迯?fù)使用。這樣可以大大降低故障維修成本，縮短維修周期。

3 空氣動(dòng)壓軸承國產(chǎn)化研制現(xiàn)狀

空氣動(dòng)壓軸承的設(shè)計(jì)與制造是渦輪冷卻器核心技術(shù)之一。目前空氣動(dòng)壓軸承設(shè)計(jì)與制造技術(shù)仍是國外同類產(chǎn)品的核心機(jī)密。為順利推進(jìn)空氣動(dòng)壓軸承產(chǎn)品的研制，國內(nèi)啟動(dòng)了空氣動(dòng)壓軸承國產(chǎn)化研制工作，近年來研究了國外各種類型的空氣動(dòng)壓軸承樣件，通過逆向工程分析了樣件的材料、加工工藝、熱處理、噴涂等關(guān)鍵技術(shù)，完成了某型產(chǎn)品所選軸承的國產(chǎn)化試制，如圖4所示。

圖4 國產(chǎn)化空氣動(dòng)壓軸承樣件

國產(chǎn)化空氣動(dòng)壓軸承在產(chǎn)品上進(jìn)行了起浮壓力試驗(yàn)、正常運(yùn)轉(zhuǎn)壓力試驗(yàn)、性能性能試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)滿足協(xié)議要求，在完成了2 500次起停壽命試驗(yàn)后分解檢查，國產(chǎn)化軸承狀態(tài)良好，如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，國產(chǎn)化軸承基本滿足使用要求，后續(xù)將進(jìn)一步開展壽命考核和振動(dòng)、沖擊、加速度、高低溫等環(huán)境試驗(yàn)考核，以驗(yàn)證國產(chǎn)化軸承的適應(yīng)性。

圖5 國產(chǎn)空氣動(dòng)壓軸承完成2 500次起停后的狀態(tài)

4 渦輪冷卻器中空氣動(dòng)壓軸承的具體改進(jìn)措施

以某型渦輪冷卻器為例，對(duì)空氣動(dòng)壓軸承采取的具體改進(jìn)措施主要有:

（1）使用可靠性高的空氣動(dòng)壓軸承，做到免維護(hù)；

（2）加粗軸徑，增強(qiáng)軸的剛度，提高運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定度；

（3）在葉片的葉根部位進(jìn)行倒圓處理，提高葉根的抗疲勞強(qiáng)度；

（4）采用更加合理的密封結(jié)構(gòu)，提高密封可靠性。

以上改進(jìn)的對(duì)比如圖6所示。

圖6 空氣動(dòng)壓軸承改進(jìn)前后對(duì)比

在渦輪冷卻器改進(jìn)過程中，其空氣動(dòng)壓軸承的支撐、冷卻、密封等結(jié)構(gòu)形式與原渦輪冷卻器應(yīng)基本保持一致，從而可以保證產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。改進(jìn)前后的產(chǎn)品外形對(duì)比如圖7所示。

圖7 軸承渦輪冷卻器產(chǎn)品改進(jìn)前后對(duì)比圖

5 結(jié)束語

該空氣動(dòng)壓軸承渦輪冷卻器的原理樣機(jī)完成了性能試驗(yàn)、10 000次起-停壽命試驗(yàn)和振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)等試驗(yàn)，滿足裝機(jī)要求，到目前為止，該型空氣動(dòng)壓軸承渦輪冷卻器已經(jīng)累計(jì)裝機(jī)使用超過1 000飛行小時(shí)，工作情況良好。實(shí)踐表明：以上改進(jìn)措施合理、有效，值得推廣。

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App lication of Air Bearing on Turbine Cooling Unitand its im provement

DENGWei-min
（EquipmentDepartmentof the Navy of ShanghaiBureau of Aviation Equipment，Shanghai200083，China）

In order to solve the problem of high failure of air bearings of the turbine cooler,after the introduction of air dynamic pressure bearing and domestic developmentsituation,put forward specificmeasures for improvement.Practice shows that the improvement is reasonable and effective,worthy ofpromotion.

V228.3

B

1672-545X（2014）04-0140-03

2014-01-05

鄧為民（1970—），男，江西宜春人，大學(xué)本科，長期從事艦船和航空機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督和新品研發(fā)工作。