林 磊，伏 宇

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都610500)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)滾珠軸承軸向載荷(工程中也稱(chēng)轉(zhuǎn)子軸向力)是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)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(jiǎn)單，滾珠軸承有較長(zhǎng)壽命。轉(zhuǎn)子軸向力過(guò)大，會(huì)造成滾珠軸向過(guò)載、軸承腔溫度上升等；轉(zhuǎn)子軸向力過(guò)小或反向，會(huì)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(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)階段，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)子軸向力的計(jì)算和測(cè)量。目前國(guó)內(nèi)外最主要、最常用的測(cè)量方法是通過(guò)彈性環(huán)直接測(cè)量。該方法通過(guò)在軸承旁安裝彈性環(huán)直接測(cè)量軸承所受的軸向力，具有足夠的精度，且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)沒(méi)有大的改變，測(cè)量方法比較簡(jiǎn)單，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)中得到了比較廣泛的應(yīng)用。但是該方法也存在一些問(wèn)題，如須將彈性環(huán)布置在軸承兩側(cè)，會(huì)造成軸承與軸承座的配合性質(zhì)發(fā)生改變，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性，進(jìn)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(hào)也較復(fù)雜，因此保證轉(zhuǎn)子軸向力測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性也是該方法的一個(gè)難點(diǎn)[2]。

本文將介紹一種基于軸向載荷計(jì)算方法的軸向載荷間接測(cè)量方法。

2 滾珠軸承軸向載荷間接測(cè)量方法

2.1 軸向載荷間接測(cè)量方法的原理

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力的計(jì)算方法，可將轉(zhuǎn)子軸向力分為盤(pán)腔軸向力和流道軸向力兩個(gè)部分。如圖1所示，盤(pán)腔軸向力為發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)壓氣機(jī)、渦輪流道所受的軸向載荷之和。對(duì)于其中每一個(gè)軸向力分量的計(jì)算，主要依據(jù)動(dòng)量定理進(jìn)行。

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

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

對(duì)于盤(pán)腔軸向力，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相關(guān)的各腔室的腔壓，結(jié)合對(duì)應(yīng)盤(pán)腔的幾何尺寸即可測(cè)算出。但在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試車(chē)時(shí)，受限于測(cè)試系統(tǒng)的局限性和可實(shí)現(xiàn)性，不可能完全測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)所需空氣系統(tǒng)腔室的壓力，因此須進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算處理。如可通過(guò)盤(pán)腔的來(lái)流壓力、背壓、封嚴(yán)形式等，結(jié)合一定的經(jīng)驗(yàn)公式和修正方式，估算該盤(pán)腔的壓力等，再通過(guò)相關(guān)計(jì)算處理后，即可得到所需的所有空氣系統(tǒng)盤(pán)腔的靜壓，從而實(shí)現(xiàn)盤(pán)腔軸向力的實(shí)時(shí)測(cè)算。測(cè)算關(guān)鍵在于經(jīng)驗(yàn)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(pán)腔軸向力計(jì)算的精度。在處理盤(pán)腔軸向力時(shí)，一般忽略盤(pán)腔內(nèi)氣流流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)量對(duì)轉(zhuǎn)子軸向力的影響。

對(duì)于流道軸向力，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量壓氣機(jī)、渦輪流道相關(guān)截面的進(jìn)出口靜壓和軸向速度等參數(shù)，結(jié)合流道軸向力計(jì)算方法，可實(shí)現(xiàn)流道軸向力的實(shí)時(shí)測(cè)算。與盤(pán)腔軸向力的測(cè)試相同，通常某些截面的參數(shù)也無(wú)法直接測(cè)試。如由于某些原因使得渦輪進(jìn)口參數(shù)難以直接測(cè)量，但其可通過(guò)渦輪出口參數(shù)依據(jù)渦輪的工作特性反推計(jì)算得到。在已知壓氣機(jī)、渦輪流道進(jìn)出口靜壓和軸向速度等數(shù)據(jù)后，再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的共同工作線(xiàn)、部件特性線(xiàn)等，插值、擬合出每級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的進(jìn)出口靜壓和軸向速度等。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工作狀態(tài)工作時(shí)，其插值公式有較大的差異，故需要對(duì)多組插值方法進(jìn)行判斷、計(jì)算。然后依據(jù)特定算法計(jì)算每級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的軸向力，最后進(jìn)行迭加，實(shí)時(shí)測(cè)算出整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的流道軸向力。測(cè)算關(guān)鍵在于插值、擬合公式的選擇和修正。

通過(guò)盤(pán)腔軸向力和流道軸向力的迭加即得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸向力。

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力間接測(cè)量時(shí)，為了能實(shí)時(shí)顯示，需依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量通道中的參數(shù)編制專(zhuān)用程序進(jìn)行測(cè)算。在采用軸向載荷間接測(cè)量方法時(shí)，需要有發(fā)動(dòng)機(jī)各部件性能、結(jié)構(gòu)等諸多詳細(xì)的參數(shù)，結(jié)合測(cè)試系統(tǒng)的可行性，對(duì)于那些不易直接測(cè)量的參數(shù)，需要靈活多變地利用已測(cè)參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行推導(dǎo)。而對(duì)于提出的軸向載荷測(cè)量算法，也需要采取多種方式對(duì)其進(jìn)行校核、修正，最終形成適合特定發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向載荷間接測(cè)量方法。

2.2 軸向載荷間接測(cè)量程序的編制

軸向載荷間接測(cè)量程序根據(jù)滾珠軸承軸向載荷間接測(cè)量原理編制。程序的輸入?yún)?shù)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相關(guān)盤(pán)腔的腔壓，壓氣機(jī)、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(dòng)機(jī)滾珠軸承軸向載荷以及軸向載荷的各個(gè)分量。程序的核心算法為轉(zhuǎn)子軸向力的計(jì)算方法。圖2給出了滾珠軸承軸向載荷間接測(cè)量程序運(yùn)行的界面。

程序的輸入需結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試參數(shù)來(lái)確定，若缺少某些參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)，則須在程序中增加用已知參數(shù)進(jìn)行間接換算的程序代碼。

在發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)時(shí)，由于需要測(cè)量的參數(shù)較多，并不僅僅局限于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向載荷，故軸向載荷間接測(cè)量程序一般集成在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)軟件包中。

2.3 軸向載荷間接測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)

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

(1)測(cè)量精度可控。若需較高的測(cè)量精度，則需要提出較全面的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行測(cè)算。

(2)可測(cè)量軸向載荷的各個(gè)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(cè)量方法可輸出每一個(gè)軸向力分量，利于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)軸向力的分析和調(diào)整。

(3)可實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸向力。通過(guò)軸向載荷間接測(cè)量程序，可在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試車(chē)時(shí)實(shí)時(shí)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力的大小，為發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

(4)測(cè)量方法簡(jiǎn)單，不需修改發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試車(chē)時(shí)，自身需要測(cè)量較多的參數(shù)以驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平，該方法選用相關(guān)測(cè)量參數(shù)(可適當(dāng)補(bǔ)充部分參數(shù))即可進(jìn)行滾珠軸承軸向載荷測(cè)量。

但該方法也存在著不足，最主要的是需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行較全面的參數(shù)測(cè)量。在發(fā)動(dòng)機(jī)試制階段，可實(shí)施較全面的參數(shù)測(cè)量；但在批生產(chǎn)階段，無(wú)法滿(mǎn)足大量參數(shù)測(cè)量的要求，需借助其它方法實(shí)現(xiàn)滾珠軸承軸向載荷的測(cè)量。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

某發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)在進(jìn)行臺(tái)架試車(chē)時(shí)，在該發(fā)動(dòng)機(jī)滾珠軸承處裝配有彈性環(huán)，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)位置布置軸向載荷間接測(cè)量所需參數(shù)的測(cè)點(diǎn)。通過(guò)彈性環(huán)測(cè)量與軸向載荷間接測(cè)量所得結(jié)果的對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證軸向載荷間接測(cè)量方法所得結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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

4 結(jié)論

(1)航空發(fā)動(dòng)機(jī)滾珠軸承軸向載荷間接測(cè)量方法操作性良好，優(yōu)點(diǎn)突出。

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

[1]楊麗華，王通北.航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸承的軸承的軸向載荷測(cè)量[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，1994，20(2)：54—61.

[2]楊 東，劉忠華，馬 群.燃?xì)廨啓C(jī)軸向力測(cè)試技術(shù)研究[J].測(cè)控技術(shù)，2004，23(1)：8—10.