渦輪冷卻器風扇葉片斷裂分析

黃飛波，侯衛(wèi)國，李明峻

(1.南空軍駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 200231；2.華南理工大學(xué) 聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣州 510640；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所蕪湖實驗室，安徽 蕪湖 241002)

渦輪冷卻器風扇葉片斷裂分析

黃飛波1，侯衛(wèi)國2,3，李明峻2,3

(1.南空軍駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 200231；2.華南理工大學(xué) 聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣州 510640；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所蕪湖實驗室，安徽 蕪湖 241002)

針對飛機環(huán)控系統(tǒng)主要制冷部件渦輪冷卻器風扇葉片斷裂的問題，通過對渦輪冷卻器故障件的整體外觀檢查、分解檢查、風扇葉片斷口分析、風扇葉輪背面摩擦痕跡分析、風扇端軸承、渦輪端軸承損壞程度、軸的硬度檢測及軸強度校核，確定風扇端軸承為首先失效件。在此基礎(chǔ)上，以風扇端軸承失效為頂事件，綜合運用仿真分析、負載波動試驗、硬度檢測、 軸承超溫試驗及無潤滑失效試驗等方法，對風扇端軸承失效原因進行分析，結(jié)果表明：軸承彎曲變形導(dǎo)致風扇葉輪刮蹭斷裂；軸承變形失效的原因為缺油導(dǎo)致潤滑不良，發(fā)生干磨，溫度異常升高；缺油的主要原因是使用維護方法不當。并根據(jù)失效分析結(jié)果提出改進措施。

渦輪冷卻器；風扇葉片；斷裂；失效分析；潤滑油

0 引言

渦輪冷卻器屬于飛機環(huán)控系統(tǒng)的核心部件，安裝在中機身環(huán)控附件艙內(nèi)，用于將從發(fā)動機引來的高溫空氣膨脹做功，降溫降壓，為飛機座艙和電子設(shè)備艙提供冷卻空氣[1-2]。其工作狀況好壞直接影響飛行員及電子設(shè)備的降溫。風扇葉片作為整個渦輪冷卻器最為關(guān)鍵的零部件，其失效與否關(guān)系到整個環(huán)控系統(tǒng)的效果，甚至整個飛機的飛行安全[3-4]。

飛機環(huán)控系統(tǒng)主要制冷部件渦輪冷卻器風扇葉片斷裂問題屬于動葉片的斷裂失效問題，葉片的斷裂問題屬于復(fù)雜系統(tǒng)的失效問題，國內(nèi)外專家學(xué)者對動葉片的斷裂問題進行了大量的研究。魏中坤等[5]研究了真空泵葉片斷裂失效問題；師紅旗等[6]研究了304型鉻鎳不銹鋼水泵葉片斷裂失效問題。崔雄華等[7]研究了燃氣輪機透平噴嘴葉片斷裂失效。劉新靈等[8]研究了某發(fā)動機Ⅲ級渦輪葉片斷裂失效問題。張博等[9]研究了軸流式壓縮機葉片斷裂原因分析。胡樹兵等[10]研究了汽輪機葉片斷裂失效分析問題。馬小明等[11]研究了高速離心式壓縮機葉片斷裂失效分析問題。孫智君等[12]研究了壓氣機轉(zhuǎn)子葉片掉塊斷裂分析問題。鄒鑌等[13]研究了離心泵葉輪斷裂失效分析問題。

在缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)信息的情況下，為提高復(fù)雜系統(tǒng)的可靠度，在進行相關(guān)失效分析時，詳細、全面地定性分析能夠有效地減少相關(guān)失效事件的發(fā)生概率。飛機環(huán)控系統(tǒng)制冷部件渦輪冷卻器風扇葉片外場連續(xù)發(fā)生3起斷裂的故障，故障均發(fā)生在飛行過程中，飛行員反映有焦糊味或再次出動檢查時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品嚴重損壞。3臺故障件均表現(xiàn)為風扇葉輪斷裂，風扇端軸過燒彎曲變形，風扇端軸承燒損損壞，油芯炭化。本文首先對渦輪冷卻器故障件進行外觀檢查、分解檢查、斷口分析、摩擦痕跡分析、硬度檢測及強度校核，確定故障首發(fā)件。在此基礎(chǔ)上，綜合運用外觀檢查、硬度檢測、仿真分析、負載波動試驗、硬度檢測、軸承超溫試驗及無潤滑失效試驗等方法，對故障首發(fā)件進行失效原因進行分析，最終確定渦輪冷卻器葉片斷裂的失效原因，并根據(jù)失效原因提出改進措施。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成

渦輪冷卻器是徑向式單級渦輪型式，產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 渦輪冷卻器三維模型Fig.1 3D model of turbo cooler

渦輪盤和風扇安放在軸上，而軸則裝在2個徑向止推滾珠軸承內(nèi)。軸承安放在鋼制的軸承殼體內(nèi)。在軸承殼體的中央，用2個鎖緊螺釘固定著一個鋼制的定位襯套，在軸承殼體內(nèi)，安裝有青銅襯套。為保證軸承滾動工作面可靠的接觸，用彈簧的壓力，通過襯套加載在軸承外圈上。

軸承殼體用螺釘固定在渦輪冷卻器的殼體上，渦輪冷卻器殼體的另一端則固定著隔板和噴嘴環(huán)。在軸承與渦輪盤及軸承與風扇之間，裝有擋油環(huán)。安放在軸上的零件用螺釘和螺釘擰緊。渦輪蝸殼和出口短管固定在噴嘴環(huán)上，而風扇蝸殼則固定在渦輪冷卻器的殼體上。

渦輪冷卻器采用油芯供油方式潤滑，采用專門的石墨密封組件使渦輪冷卻器滑油腔密封。渦輪冷卻器的殼體是主要的承力構(gòu)件，安裝耳片固定在渦輪冷卻器的殼體和噴嘴環(huán)上，用于將產(chǎn)品固定在飛機上。

1.2 故障分解檢查及結(jié)果

對渦輪冷卻器故障件進行分解檢查發(fā)現(xiàn)，3臺故障件均表現(xiàn)為風扇葉輪斷裂，風扇端軸過燒彎曲變形，風扇端軸承損壞，油芯炭化。由于篇幅限制，這里只給出一臺的故障件，結(jié)果如圖2所示。

2 分析與討論

2.1 故障原因分析及定位

風扇葉輪斷裂的原因主要有強度不足、超速、疲勞、轉(zhuǎn)子失穩(wěn)刮蹭等。葉輪強度校核結(jié)果如下：

產(chǎn)品最高轉(zhuǎn)速為47 000 r/min，此時葉輪應(yīng)力分布如圖3所示。

葉輪的最大等效應(yīng)力為117.6 MPa，而葉輪所用的材料屈服強度為339 MPa，滿足設(shè)計要求。

風扇葉輪斷口宏觀形貌如圖4所示，通過斷口分析，盤體周向斷口和葉片徑向斷口上的整個斷面為纖維斷裂特征，沒有疲勞形貌和均勻撕裂現(xiàn)象，根據(jù)強度不足或超速導(dǎo)致風扇葉輪斷裂應(yīng)表現(xiàn)為均勻撕裂和疲勞斷裂的形貌特征，可以排除強度不足、超速和疲勞等因素引起的葉輪斷裂；從故障件風扇葉輪背面摩擦痕跡和位置判斷，風扇葉輪是在轉(zhuǎn)子偏斜后與背面擋板(不銹鋼材質(zhì))摩擦產(chǎn)生缺口，之后在高速離心力作用下斷裂。

通過以上分析，可以得出風扇葉輪斷裂是在轉(zhuǎn)子失穩(wěn)偏斜之后發(fā)生的。轉(zhuǎn)子偏斜的原因主要有軸強度不足和軸承損壞兩個方面。對軸的強度校核結(jié)果如下：根據(jù)產(chǎn)品渦輪的絕熱功率為50.4 kW，產(chǎn)品設(shè)計轉(zhuǎn)速47 000 r/min，可以計算得到傳遞的扭矩：

M= 60P/2πn=15.04 (N·m)

圖2 渦輪冷卻器故障現(xiàn)象Fig.2 Failure appearance of turbine cooler

進而得到轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力分布如圖5所示，轉(zhuǎn)軸的最大等效應(yīng)力為137.83 MPa，而軸所用的材料屈服強度為835 MPa，產(chǎn)品轉(zhuǎn)軸的安全系數(shù)為835/137.83=6.05，滿足設(shè)計要求。對故障件軸的未受熱變色部位的硬度測量結(jié)果為HRC38，符合要求的HRC32～HRC38，可排除軸強度不足的可能。

圖2 渦輪冷卻器故障現(xiàn)象Fig.2 Failure appearance of turbine cooler

圖4 風扇葉輪斷口宏觀形貌Fig.4 Macroscopic appearance of fan impeller

而若軸承損壞后，在繼續(xù)運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生局部高溫，使軸發(fā)生變形，引起轉(zhuǎn)子偏斜、刮蹭。從故障件的軸可以看到，風扇端軸承零件損壞嚴重，在風扇軸承位置出現(xiàn)的高溫過燒的現(xiàn)象，從而印證了軸承損壞后運轉(zhuǎn)產(chǎn)生高溫導(dǎo)致軸彎曲變形，為首先失效件。

2.2 軸承損壞故障分析

導(dǎo)致軸承損壞的主要原因有4個方面：1)過載工作；2)軸承自身缺陷；3)冷卻不足；4)潤滑不良。

圖5 扭轉(zhuǎn)載荷下渦輪轉(zhuǎn)軸等效應(yīng)力分布 (對應(yīng)轉(zhuǎn)速n=47 000 r/min)Fig.5 Equivalent stress distribution of turbine shaft under torsional load (corresponding n=47 000 r/min)

1)過載工作。

引起軸承過載工作的因素主要來自于轉(zhuǎn)子處于臨界點附近工作或跨臨界點工作、軸承工作負載狀態(tài)波動過大等因素。

轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速工況校核如下：

計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為ω=0 rad/s(n=0 r/min)、ω=5 235.98 rad/s(n=0 r/min)、ω=10 471.9 rad/s(n=100 000 r/min)、ω=12 566 rad/s(n=120 000 r/min)轉(zhuǎn)速條件下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界頻率，繪制轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的Combell圖如圖6所示。通過分析一倍轉(zhuǎn)速線與轉(zhuǎn)子的正進動的第一個交點在1 051 Hz，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為63 096 r/min，也就是轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速。

圖6 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的Combell圖Fig.6 Combell diagram of critical rotating speed of rotor

根據(jù)目前的飛行參數(shù)，最高轉(zhuǎn)速為46 790 r/min，未超過產(chǎn)品的一階臨界轉(zhuǎn)速，可以滿足使用要求。本產(chǎn)品轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子，不存在跨臨界轉(zhuǎn)速工作和在臨界轉(zhuǎn)速附近工作的可能。因此，可以排除產(chǎn)品損壞是臨界轉(zhuǎn)速附近工作和臨界轉(zhuǎn)速太低造成的。

為校核因工作負載狀態(tài)波動過大造成軸承損壞，模擬進行了渦輪入口壓力突變試驗(圖7a、圖7b)，進行了30個起落的壓力突變試驗(共計10 h)、每軸向25 h振動試驗(振動過程中產(chǎn)品工作，模擬渦輪入口壓力波動，振動量值參照標準GJB150A)，共計完成85h的驗證試驗。試驗中產(chǎn)品工作正常，試驗后檢查動平衡和轉(zhuǎn)子軸向活動量無異常。因此，可以排除產(chǎn)品工作狀態(tài)波動過大造成軸承故障的可能。

圖7 負載波動試驗Fig.7 Load fluctuation test

2)軸承自身缺陷。

軸承承載能力校核：根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計計算，在渦輪進口壓力760 kPa，渦輪出口壓力145 kPa，風扇進口壓力140 kPa，整個轉(zhuǎn)子重量為997 g，考慮產(chǎn)品所承受的振動量值和加速度后，產(chǎn)品的最大軸向力為212.8 N，最大徑向力為131.8 N。而軸承的設(shè)計承載能力為軸向Fa =360 N、徑向Fr =450 N，軸承設(shè)計承載能力可以滿足產(chǎn)品載荷要求。

軸承設(shè)計壽命校核：本軸承為成對安裝的角接觸球軸承，其單個軸承的基本額定動載荷為8 kN，一對軸承的基本額定動載荷C=1.625×8 kN=13 kN，軸承載荷P=0.57×Fr+0.93×Fa=273 N，轉(zhuǎn)速47 000 r/min，通過計算得出軸承的基本壽命為1 337 h，可滿足產(chǎn)品首翻期1 200 飛行小時/10 年的使用需求?？膳懦S承設(shè)計壽命不滿足要求的可能。

軸承硬度檢測：軸承進行了硬度檢測，軸承內(nèi)環(huán)、外環(huán)、鋼球均在技術(shù)要求范圍內(nèi)，結(jié)果如表1所示，可排除軸承硬度不符合要求導(dǎo)致產(chǎn)品失效的可能。

表1 軸承硬度測試結(jié)果Table 1 Hardness test results of bearing

通過以上分析和驗證，可以排除軸承承載能力不足、軸承設(shè)計壽命不滿足要求、軸承硬度不符合要求等軸承自身缺陷造成軸承損壞的可能。

3)冷卻不足。

為驗證冷卻空氣流量不足對軸承的實際影響，將中間殼體上18個軸承空氣冷卻孔完全堵住，分別進行了80、100、120、140、150、160、170、180、190、200 ℃各1 h的軸承超溫試驗，其中170 ℃試驗結(jié)果如圖8所示，產(chǎn)品工作穩(wěn)定正常，試驗后檢查產(chǎn)品零件和軸承無異常。這說明在無軸承冷卻空氣時，產(chǎn)品都可以實現(xiàn)熱平衡。

圖8 170 ℃軸承超溫試驗Fig.8 170 ℃ over-temperature test of bearing

因此可以排除軸承冷卻流量不足造成產(chǎn)品故障的可能。

4)潤滑不良。

為驗證產(chǎn)品在潤滑油加注量不足的情況的失效模式是否與本次3起故障相似，進行了極端情況下的無液態(tài)油的失效試驗。

試驗現(xiàn)象：進行了1 h50 min后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)速出現(xiàn)快速下降，如圖9所示，從43 000 r/min下降至38 000 r/min運行了約120 s，20 s內(nèi)迅速停轉(zhuǎn)，渦輪出口壓力從130 kPa迅速上升到350 kPa，渦輪出口溫度從-17 ℃迅速上升至40 ℃，失效過程中軸承溫度傳感器被燒壞，測得風扇端軸承最高溫度為206 ℃。其中轉(zhuǎn)速變化與渦輪出口壓力變化較一致。

圖9 失效瞬間參數(shù)變化曲線Fig.9 Parameter change curve at the moment of failure

試驗后產(chǎn)品檢查情況：

(1) 發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動不靈活，風扇葉輪出現(xiàn)偏磨；

(2) 風扇葉輪與中間殼體蓋板偏磨刮蹭，風扇葉輪外緣有4片葉片與風扇蝸殼刮蹭，另6片外緣無刮蹭痕跡；

(3)渦輪端石墨密封良好，風扇端石墨密封只剩下套圈，石墨塊碎裂缺失，隔板背面充滿石墨粉末顆粒和黑色碳化物；油腔內(nèi)油芯頭均被碳化，吸油棉圈內(nèi)側(cè)均發(fā)黑，外側(cè)發(fā)黃，殼體內(nèi)腔充滿黑色粉末和碳化物；

(4)渦輪端軸承整體結(jié)構(gòu)良好，外圈、滾珠、內(nèi)環(huán)均發(fā)黃；風扇端軸承外環(huán)嚴重發(fā)藍發(fā)黑，風扇端甩油盤、襯套和軸燒結(jié)在一起。預(yù)緊彈簧燒結(jié)壓縮，軸輕微彎曲。

從本次失效試驗的故障現(xiàn)象來看，可以得出在缺油情況下，軸承潤滑缺失，這必將導(dǎo)致滾珠和內(nèi)外環(huán)的磨損、發(fā)熱和熱膨脹的結(jié)局。高摩擦形成的熱膨脹會造成軸承內(nèi)部的載荷急劇增加，軸因高溫超過其強度極限，從而造成軸彎曲，風扇葉輪與殼體蓋板相刮蹭，本故障現(xiàn)象與上述3臺故障件類似。因此，潤滑油加注量不足是軸承缺油潤滑損壞的原因。

2.3 改進措施

1)嚴格潤滑油檢查和換油工作，換油方法：每隔(25±5) h，對渦輪冷卻器進行換油工作，定量加油(100±5) mL。

2)消除虹吸現(xiàn)象。建議采取的改進措施如下：渦輪冷卻器去除接管咀結(jié)構(gòu)，外場使用維護更改為定期定量換油。

3)加大軸承冷卻空氣流量。為降低渦輪冷卻器軸承運行溫度，將“軸承空氣冷卻流量≤100 kg/h”協(xié)調(diào)為“軸承空氣冷卻流量≤150 kg/h”。

4)軸承篩選。建議后續(xù)通過滾動軸承振動篩選測試儀器等手段和方法，對軸承的初始質(zhì)量進行篩查，剔除有瑕疵的軸承，降低軸承早期失效的概率。

3 結(jié)論

1) 渦輪冷卻器失效的原因為缺油，缺油導(dǎo)致潤滑不良，發(fā)生干磨，溫度異常升高，高溫導(dǎo)致軸承失效和軸彎曲變形，風扇葉輪刮蹭斷裂。

2) 軸承缺油潤滑損壞的主要原因是潤滑油加注量不足。建議嚴格進行潤滑油檢查檢測和換油工作，同時消除虹吸現(xiàn)象、加大軸冷卻空氣流量和通過篩選降低軸承早期失效概率。

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Fracture Analysis of Fan Blades of Turbo Cooler

HUANG Fei-bo1, HOU Wei-guo2,3, LI Ming-jun2,3

(1.TheAirForceMilitaryRepresentativeOfficeinShanghaiArea,Shanghai200231,China;2.KeyLaboratoryofPolymerProcessingEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China;3.WuhuLaboratory,ChinaElectronicProductReliabilityandEnvironmentTestingResearchInstitute,WuhuAnhui241002,China)

In order to find out the failure cause of the fan blades of a turbine cooler, macro and micro observation, friction trace analysis, hardness test, and strength check were carried out. It is found that that the first failure part is the fan-side bearing. On this basis, simulation analysis, load fluctuation test, hardness test, over-temperature test on bearing and no lubrication failure test were carried out to analyze the failure cause of the bearing. The results show that the bending deformation of the bearing caused the fan blades to scrape and then fracture. The deformation failure of the bearing was the higher temperature due to dry grinding for lack of lubricating oil, which was related to the defective maintenance method. Based on the results above, some measures were put forward.

turbo cooler；fan blade；fracture；failure analysis；lubricating oil

2017年5月16日

2017年6月24日

黃飛波(1986年-)，男，博士，工程師，主要從事失效分析及金屬材料微觀物理等方面的研究。

TK474

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.04.008

1673-6214(2017)04-0243-06