某型飛機渦輪冷卻器壽命試驗方案研究

施曉偉　葛俊　宋冬

【摘 要】本文主要介紹了某型渦輪冷卻器的壽命試驗技術(shù)方案.文中介紹了產(chǎn)品的工作原理及概述，依據(jù)研制單位對薄弱環(huán)節(jié)的外場和維修中發(fā)現(xiàn)的耗損型故障進行分析，開展試驗方案設(shè)計，經(jīng)理論分析和仿真計算分別得到各因素對渦輪盤、風(fēng)扇葉輪的內(nèi)部應(yīng)力的占比以及溫度的影響，最終確定試驗技術(shù)方案。

【關(guān)鍵字】渦輪冷卻器;壽命試驗;薄弱環(huán)節(jié)

中圖分類號： V245.3文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）30-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.30.020

The Life Test Scheme of a Certain Aircraft Turbine Cooler Technology Research

SHI Xiao-wei GE Jun SONG Dong

（Wuhu TianHang Aero-Tech Co.Ltd， Wuhu Anhui 241000， China）

【Abstract】This article mainly introduced the life test of a turbine cooler technical scheme. This article introduces the working principle and the overview， according to the research unit found in the field and maintenance of weak link type wear failure analysis， experiment design， each factor was obtained respectively by the theoretical analysis and simulating calculation of turbine disk， fan impeller internal stress accounted for and the influence of the temperature， final test technology solutions.

【Key words】Turbine cooler; Life test; Week link

0 概述

某型飛機渦輪冷卻器對空調(diào)系統(tǒng)的空氣進行第三級冷卻。產(chǎn)品利用空氣勢能通過渦輪導(dǎo)向器轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽瑥亩鴰訙u輪軸轉(zhuǎn)動變?yōu)闄C械能來達到降低空氣溫度。壽命試驗的目的是考核考核該渦輪冷卻器經(jīng)修理合格后是否滿足產(chǎn)品再延壽的要求。

渦輪冷卻器由風(fēng)扇和離心式單級膨脹渦輪組成，二者共同支承在兩個滾珠軸承上，工作原理如圖2所示?？諝馔ㄟ^進口管進入導(dǎo)向器，再通過導(dǎo)向器進入渦輪盤，空氣在渦輪葉片上膨脹，其勢能（壓力和溫度）變?yōu)閯幽?，通過渦輪葉片后，空氣降低了溫度和壓力，并進入座艙和設(shè)備艙冷卻設(shè)備。

1.渦輪外殼;2.渦輪導(dǎo)向器;3.渦輪盤;4.風(fēng)扇;5.風(fēng)扇外殼

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 產(chǎn)品功能框圖

1 試驗方案設(shè)計

本次試驗采用薄弱環(huán)節(jié)長期運轉(zhuǎn)試驗、整機振動耐久和整機性能檢測的工作思路：依據(jù)故障情況、維修工藝和FMEA等數(shù)據(jù)，分析確定修理后渦輪冷卻器的薄弱環(huán)節(jié);依據(jù)薄弱環(huán)節(jié)的故障機理及兩件被試產(chǎn)品維修的實際情況，確定薄弱環(huán)節(jié)長期運轉(zhuǎn)試驗項目;依據(jù)產(chǎn)品實測和有限元仿真分析，確定薄弱環(huán)節(jié)長期運轉(zhuǎn)試驗的載荷和邊界條件;長期運轉(zhuǎn)試驗平臺配備在線檢測設(shè)備，實時記錄試驗條件;在振動耐久試驗和薄弱環(huán)節(jié)長期運轉(zhuǎn)試驗后，進行整機性能檢測，考核渦輪冷卻器產(chǎn)品經(jīng)修理合格后是否滿足產(chǎn)品再延壽的要求。

依據(jù)研制單位對薄弱環(huán)節(jié)的外場和維修中發(fā)現(xiàn)的耗損型故障進行分析，薄弱環(huán)節(jié)故障機理為渦輪盤/風(fēng)扇葉輪高速旋轉(zhuǎn)引起的葉片偏心和變形、滾動軸承的磨損和疲勞點蝕，這兩個因素均會引發(fā)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡而失穩(wěn)，進而造成滾動軸承抱軸及各旋轉(zhuǎn)部件的損壞。由于軸承在修理維修過程中屬于必?fù)Q件，壽命試驗著重分析的耗損型故障為由渦輪盤、風(fēng)扇葉輪的旋轉(zhuǎn)運動引起偏心和變形，因此設(shè)計了渦輪盤和風(fēng)扇葉輪的旋轉(zhuǎn)試驗。為了更準(zhǔn)確地模擬產(chǎn)品的實際運轉(zhuǎn)情況，將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的其他部件作為陪試部件，設(shè)計了以渦輪盤、風(fēng)扇葉輪為薄弱環(huán)節(jié)長時旋轉(zhuǎn)試驗。

渦輪冷卻器在正常運轉(zhuǎn)時，渦輪盤、風(fēng)扇葉輪高速旋轉(zhuǎn)引起的葉片偏心和變形是由內(nèi)部應(yīng)力和溫度共同作用引起的：內(nèi)部應(yīng)力引起偏心和變形，溫度加速葉輪材料的蠕變。內(nèi)部應(yīng)力主要由旋轉(zhuǎn)離心力和氣動力共同作用，其中旋轉(zhuǎn)離心力與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，氣動力與內(nèi)部氣體的壓力、氣體的流量正相關(guān)，經(jīng)理論分析和仿真計算分別得到各因素對渦輪盤、風(fēng)扇葉輪的內(nèi)部應(yīng)力的占比。

2 離心力、氣動力以及溫度的影響

經(jīng)仿真計算得出，在《某型渦輪冷卻器壽命試驗任務(wù)書》中規(guī)定的載荷剖面狀態(tài)I-狀態(tài)V條件下，渦輪盤/風(fēng)扇葉輪的內(nèi)部應(yīng)力分布和內(nèi)部應(yīng)力的最大值（表1），其中，圖3左圖為狀態(tài)I下風(fēng)扇葉輪在離心力作用下產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力圖，圖3右圖為離心力+氣動力共同作用下產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力圖;圖4左圖為渦輪盤在離心力作用下產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力圖，圖4右圖為離心力+氣動力共同作用下產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力圖。可知，相對于旋轉(zhuǎn)離心力作用下產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，氣動力對葉輪內(nèi)部應(yīng)力的影響較?。ú怀^2%），故氣動力可忽略不計。

表1 狀態(tài)I-狀態(tài)V的仿真計算結(jié)果表

蠕變是指在恒應(yīng)力（或載荷）下發(fā)生的緩慢而連續(xù)的塑性變形。金屬材料通常在T>0.3-0.6倍的融化溫度時，蠕變現(xiàn)象比較明顯。風(fēng)扇葉輪和渦輪葉輪材料的均為牌號AK4-1的鋁合金，熔點為660℃，當(dāng)溫度低于198-396℃時，鋁合金的蠕變速度相對很低，可以忽略不計。在《某型渦輪冷卻器壽命試驗任務(wù)書》中試驗載荷譜規(guī)定：在1500小時長期運轉(zhuǎn)試驗過程中，風(fēng)扇葉輪僅有較短時間接近蠕變點最低溫度，渦輪端進口溫度各試驗狀態(tài)下均不超過75℃。所以，風(fēng)扇葉輪和渦輪盤的材料蠕變速度相對很低，故在長期運轉(zhuǎn)試驗中溫度的影響可以忽略不計。

綜上所述，長期運轉(zhuǎn)試驗中，可以忽略溫度和氣動力對渦輪盤和風(fēng)扇葉輪偏心和變形的影響，在壽命試驗中忽略溫度、內(nèi)部氣體的壓力和流量等外界條件因素，用僅考慮轉(zhuǎn)速的薄弱環(huán)節(jié)長期運轉(zhuǎn)試驗代替壽命試驗。

圖3 離心力作用下的風(fēng)扇應(yīng)力云圖

圖4 離心力作用下的渦輪盤應(yīng)力云圖

3 試驗技術(shù)方案

圖5 長期運轉(zhuǎn)試驗臺結(jié)構(gòu)圖

試驗平臺依照圖5所示，渦輪端：去掉渦輪蝸殼，過濾后的外界氣源通過噴嘴直接驅(qū)動渦輪盤;風(fēng)扇端通過風(fēng)扇端入口安裝壓力調(diào)節(jié)閥、風(fēng)扇端出口安裝真空泵，通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇端的壓力調(diào)節(jié)閥、真空泵和渦輪端的入口空氣壓力和流量，調(diào)整轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運轉(zhuǎn)速度;熱電偶溫度傳感器監(jiān)測軸承的溫度變化，轉(zhuǎn)速測量儀監(jiān)控轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。

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