王秋陽，陳亮

（中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201108）

隨著先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，滾珠軸承的工作條件日益嚴(yán)苛，要求其具有長(zhǎng)壽命和高可靠性等特點(diǎn)。滾珠軸承承受的軸向力是滾珠軸承設(shè)計(jì)的主要輸入之一，作用在滾珠軸承上的軸向力不應(yīng)超過最大軸向力限制而導(dǎo)致軸承壽命減少或強(qiáng)度失效，也不應(yīng)小于最小軸向力要求而導(dǎo)致滾珠軸承滑蹭和撞擊損傷，但目前各設(shè)計(jì)單位均無較好方法可準(zhǔn)確確定此要求。某渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)早期研制時(shí)，由于氣腔平衡不當(dāng)，使?jié)L珠軸承承受的軸向力在地面臺(tái)架狀態(tài)過大，導(dǎo)致軸承在短期運(yùn)轉(zhuǎn)后出現(xiàn)嚴(yán)重剝落。為保證滾珠軸承有足夠的壽命，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段，需準(zhǔn)確計(jì)算滾珠軸承承受的軸向力，并設(shè)置必要的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)輸出合適的軸向力，進(jìn)而保證滾珠軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)所有工況下承受的軸向力大小都在設(shè)定范圍內(nèi)且不改變方向。

本文結(jié)合國(guó)際上典型機(jī)型的軸向力控制技術(shù)分析了某型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力的控制技術(shù)，包括計(jì)算方法、調(diào)節(jié)措施以及測(cè)試技術(shù)。

1 轉(zhuǎn)子氣體軸向力的計(jì)算方法

軸向力是由壓力平衡系統(tǒng)產(chǎn)生的由滾珠軸承承擔(dān)的轉(zhuǎn)子軸向載荷，與流量、流速、流道壓力、流道面積、盤腔壓力、盤腔面積有關(guān)。氣體軸向力為流道內(nèi)氣體軸向力和環(huán)形腔氣體軸向力之和。

一般地，在進(jìn)行轉(zhuǎn)子氣體軸向力計(jì)算時(shí)，需進(jìn)行一系列假設(shè)條件，具體如下：

（1）動(dòng)葉葉尖處氣體動(dòng)量產(chǎn)生的軸向力小，只計(jì)算氣流靜壓產(chǎn)生的軸向力。

（2）忽略主流道內(nèi)氣體流量及速度沿徑向方向的梯度變化，使用葉片進(jìn)出口處的總流量及平均半徑處的軸向速度來計(jì)算軸向力。

（3）主流道內(nèi)的環(huán)形腔腔壓近似取相應(yīng)位置處對(duì)應(yīng)級(jí)數(shù)的轉(zhuǎn)、靜子葉片葉根處的壓力均值。

（4）主流道外的內(nèi)腔各環(huán)形腔的腔壓近似取相應(yīng)位置處空氣系統(tǒng)提供的壓力值。

（5）假設(shè)空氣系統(tǒng)提供的各腔腔壓及各腔之間壓力值均勻分布。

直流流道氣體軸向力（FZ）為靜壓產(chǎn)生的軸向力（F1）和速度產(chǎn)生的軸向力（F2）之和。

環(huán)形腔氣體軸向力FQ：

式中：（1）P1、P2分別為葉片進(jìn)口、出口截面平均半徑的氣流靜壓，其中1代表進(jìn)口，2代表出口。（2）、分別為葉片進(jìn)口、出口截面葉尖的氣流靜壓。（3）?、分別為葉片進(jìn)口、出口截面的葉尖直徑。（4）、分別為葉片進(jìn)口、出口截面的葉根直徑。（5）、分別為葉片進(jìn)口、出口截面平均半徑的氣流軸向速度。（6）Wa為流量。（7）、分別為環(huán)形腔內(nèi)、外徑。（8）環(huán)形腔氣流靜壓或滑油腔油壓。

轉(zhuǎn)子氣體軸向力計(jì)算方法成熟，但由于許多腔壓無法實(shí)測(cè)，從而無法準(zhǔn)確計(jì)算軸向力。某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)階段采用此方法進(jìn)行轉(zhuǎn)子軸向力計(jì)算，為該型發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化及軸承選型起到了指導(dǎo)性意見。但實(shí)際計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，軸向力計(jì)算誤差較大；且整機(jī)軸向力受部件轉(zhuǎn)子的軸向力變化的影響比較敏感，表1所示為某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪氣動(dòng)計(jì)算的誤差對(duì)高壓轉(zhuǎn)子軸向力計(jì)算誤差的影響關(guān)系。

故軸向力計(jì)算結(jié)果可作為設(shè)計(jì)時(shí)的參考，但在新機(jī)研發(fā)時(shí)，還需進(jìn)行軸向力測(cè)試，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控軸向力情況。

表1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子氣體軸向力誤差影響關(guān)系

2 軸向力調(diào)節(jié)方式

一般應(yīng)在方案設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置軸向力調(diào)整方法，以便在軸向力不合適時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

2.1 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪轉(zhuǎn)子軸向力互抵

軸向力計(jì)算結(jié)果表明，通常壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力總是向前，而渦輪轉(zhuǎn)子軸向力總是向后，故可將壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與渦輪轉(zhuǎn)子剛性連接或通過能傳遞軸向力的聯(lián)軸器連接，讓兩個(gè)轉(zhuǎn)子“拔河”。這樣，兩個(gè)方向相反的軸向力可以在轉(zhuǎn)子內(nèi)抵消一部分。比如CFM56系列、GE90系列、GEnx等典型機(jī)型的高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器連接，風(fēng)扇/低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和低壓渦輪轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器連接，可起到讓兩個(gè)轉(zhuǎn)子所承受的軸向力相互抵消一部分的作用。

2.2 改變內(nèi)腔的壓力和橫截面積

從轉(zhuǎn)子氣體軸向力計(jì)算方法可以看出，直流流道氣體軸向力主要與氣動(dòng)設(shè)計(jì)有關(guān)，而環(huán)形腔氣體軸向力主要與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。當(dāng)壓氣機(jī)和渦輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)確定后，通道的軸向力就已確定，而內(nèi)腔的軸向力是可以改變的。通過改變內(nèi)腔來流的壓力可以改變內(nèi)腔壓力，也可通過改變封嚴(yán)篦齒的徑向高度來改變內(nèi)腔的橫截面積，進(jìn)而可調(diào)整內(nèi)腔的軸向力。一般需對(duì)內(nèi)腔的腔壓和橫截面積進(jìn)行多處、多次的反復(fù)調(diào)整，軸向力才能達(dá)到滿意的結(jié)果。

以GE90-115B為例，高壓壓氣機(jī)末級(jí)篦齒盤的前腔壓力與高壓壓氣機(jī)出口相當(dāng)，后腔壓力較小，通過抬高/降低篦齒高度，可改變高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子向前的軸向力；渦輪后篦齒前腔主要用于冷卻渦輪級(jí)間機(jī)匣支板，引氣來自于高壓壓氣機(jī)4級(jí)后，后腔主要用于軸承腔封嚴(yán)，來自于增壓級(jí)后引氣，壓力差別較大，通過調(diào)高/降低篦齒高度，可改變高壓渦輪轉(zhuǎn)子向后的軸向力，如圖1所示。GE90-94B、GEnx及GP7200等發(fā)動(dòng)機(jī)均采用此設(shè)計(jì)方案調(diào)節(jié)高壓轉(zhuǎn)子氣體軸向力。

圖1 GE90-115B高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)篦齒

該方法一般在高壓轉(zhuǎn)子上用的較多。

2.3 設(shè)置調(diào)壓腔

設(shè)置調(diào)壓腔是另外一種常見的軸向力調(diào)節(jié)方法，將此腔與外界大氣或外涵相通，并引入具有一定壓力的氣體，連接此腔與外界的管路管徑為定值，但其出口節(jié)流面積可調(diào)，通過調(diào)整出口面積來調(diào)整調(diào)壓腔內(nèi)的壓力當(dāng)調(diào)節(jié)該腔的壓力時(shí)便可起到改變轉(zhuǎn)子軸向力的作用。以PW4084、GE90-94B為例，在低壓渦輪轉(zhuǎn)子與靜子之間設(shè)置調(diào)壓腔，如圖2所示，引入高壓壓氣機(jī)4級(jí)后高壓氣體，用于減小渦輪轉(zhuǎn)子向后的軸向力，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)子軸向力。

圖2 GE90-94B低壓轉(zhuǎn)子調(diào)壓腔

調(diào)壓腔是調(diào)整軸向力的有效方案之一，但調(diào)壓腔從主流道進(jìn)行引氣會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，并且會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜并增加了整機(jī)重量。因此，后期設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)已陸續(xù)取消低壓轉(zhuǎn)子調(diào)壓腔設(shè)計(jì)，如GE90-115B、GP7200以及GEnx。

2.4 增加軸承承載能力

為了減小性能損失，GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)上取消了之前發(fā)動(dòng)機(jī)（比如GE90-94B）一直使用的低壓轉(zhuǎn)子調(diào)壓腔，采用增加軸承的承載能力來解決軸向力過大問題。相比于GE90-94B，GE90-115B將原位于一號(hào)支點(diǎn)的滾珠軸承調(diào)整二號(hào)支點(diǎn)，增加滾珠軸承的支撐錐臂角度，為滾珠軸承增加尺寸提供足夠的空間，如圖3所示。Trent XWB發(fā)動(dòng)機(jī)也在TRENT系列發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，取消低壓轉(zhuǎn)子調(diào)壓腔，通過改變轉(zhuǎn)子支點(diǎn)布局方式來保證可使用軸承能力更大的滾珠軸承。

圖3 GE90-115B在GE90-94B的基礎(chǔ)上取消調(diào)壓腔設(shè)置并增加滾珠軸承承載能力

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與高壓渦輪轉(zhuǎn)子采用剛性連接，采用了典型的軸向力調(diào)節(jié)手段，即讓兩個(gè)轉(zhuǎn)子拔河，起到軸向力互相抵消一部分的效果；在此基礎(chǔ)上，還采用“改變內(nèi)腔的壓力和橫截面積”的方法進(jìn)行軸向力調(diào)節(jié)，針對(duì)軸向力結(jié)果影響較大的腔，設(shè)置幾組不同徑向高度的篦齒及蜂窩組合件，以便在研制階段根據(jù)需求進(jìn)行硬件替換，以調(diào)整整機(jī)軸向力。

為了能在試制階段及時(shí)了解設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向力水平，以便能根據(jù)需求進(jìn)行軸向力調(diào)節(jié)，需要在試驗(yàn)過程中可實(shí)時(shí)監(jiān)控軸向力。

3 轉(zhuǎn)子軸向力的測(cè)試技術(shù)

在滾珠軸承的適當(dāng)位置應(yīng)安裝足夠測(cè)量裝置，以測(cè)量軸承載荷，確定發(fā)動(dòng)機(jī)壓力平衡系統(tǒng)提供足夠的單向載荷，以保證軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線內(nèi)所有功率狀態(tài)下不發(fā)生滑動(dòng)破壞。此外，如第二章所述，由于轉(zhuǎn)子軸向力計(jì)算是建立在眾多假設(shè)前提下，且許多腔內(nèi)的壓力分布無法準(zhǔn)確獲知，軸向力的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度還不能保證，故一般需進(jìn)行軸向力測(cè)試。

傳統(tǒng)的測(cè)量方法是通過測(cè)量主要腔的腔壓，并通過一定的換算公式，來間接判定軸向力的大小。這種測(cè)量方法簡(jiǎn)單，但準(zhǔn)確性差，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)驗(yàn)證后，方可用于批量生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。但是對(duì)于新研制的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，該方法受發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)條件和樣機(jī)數(shù)量的限制，如果軸向力不滿足設(shè)計(jì)要求，其軸承可能會(huì)長(zhǎng)期處在超負(fù)荷或輕載打滑的狀態(tài)工作，直接的影響就是降低軸承的壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到整機(jī)的使用壽命及可靠性。

為保證滾珠軸承有足夠的壽命，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制的各個(gè)階段內(nèi)，到目前為止，國(guó)內(nèi)外都以實(shí)測(cè)滾珠軸承軸向載荷為準(zhǔn)。通過實(shí)測(cè)結(jié)果調(diào)整滾珠軸承承受的軸向力，使其在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，且工作時(shí)不換向。目前常用的滾珠軸承軸向力直接測(cè)量方法有以下兩種。

3.1 測(cè)力環(huán)測(cè)試技術(shù)

常見的轉(zhuǎn)子軸向力測(cè)試方法是在發(fā)動(dòng)機(jī)的承受軸向力的軸承處直接安裝測(cè)力傳感器實(shí)現(xiàn)，前后設(shè)置應(yīng)力環(huán)，通過工作過程中的應(yīng)力監(jiān)視，最終分析得出軸向力大小。該測(cè)試方法的主要優(yōu)點(diǎn)為：測(cè)力環(huán)在同樣軸向力加載時(shí)，測(cè)力環(huán)貼應(yīng)變片位置應(yīng)變數(shù)值較大，能比彈支應(yīng)變輸出大一個(gè)數(shù)量級(jí)，應(yīng)變片熱輸出所占比例更小，軸向力測(cè)試精度提高；其缺點(diǎn)主要為：目前商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)滾珠軸承為保證結(jié)構(gòu)緊湊，多為異型結(jié)構(gòu)，包括軸承外環(huán)與鼠籠彈支集成一體式軸承、滾珠滾棒并用軸承等。而常規(guī)的測(cè)力環(huán)方法，必須在發(fā)動(dòng)機(jī)滾珠軸承外環(huán)端面預(yù)留出測(cè)力環(huán)的環(huán)形安裝空間，需要對(duì)被測(cè)的滾珠軸承進(jìn)行專項(xiàng)測(cè)試改裝，改裝較大；此外，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)試車安全，往往需要轉(zhuǎn)子軸向力、轉(zhuǎn)子動(dòng)應(yīng)力、轉(zhuǎn)子溫度等多種參數(shù)同步并行測(cè)試，由于這些參數(shù)測(cè)試均需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝，存在測(cè)試改裝空間矛盾的問題，不允許對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)滾珠軸承進(jìn)行大的測(cè)試改裝。常見的采用測(cè)力環(huán)進(jìn)行軸向力測(cè)試，改裝后的軸承結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 采用測(cè)力環(huán)測(cè)試軸向力的常見改裝方案

3.2 彈支應(yīng)力測(cè)試技術(shù)

除測(cè)力環(huán)直接測(cè)量滾珠軸承承載的軸向力外，還可監(jiān)測(cè)軸承外環(huán)的應(yīng)變檢測(cè)其承載的軸向力。該測(cè)試方法的主要優(yōu)點(diǎn)為：對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改裝最小，僅需在軸承外環(huán)粘貼應(yīng)變片即可，改裝帶來的額外影響較少；其主要缺點(diǎn)為：目前國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制型號(hào)中鼠籠彈支輻條數(shù)較多，輻條寬度較窄，彈支軸向力應(yīng)變片粘貼、組橋和測(cè)試引線引出困難，軸向力加載時(shí)彈支輻條位置應(yīng)變數(shù)值較低，在軸向力較小時(shí)，應(yīng)變片受溫度影響產(chǎn)生應(yīng)變輸出（熱膨脹）可能與彈支輻條受軸向力加載時(shí)的應(yīng)變輸出數(shù)量級(jí)相同，兩種應(yīng)變輸出結(jié)果疊加在一起，對(duì)軸向力測(cè)試精度有影響。

上述兩種軸向力測(cè)試方法在實(shí)際運(yùn)用中較多，結(jié)合上述分析兩種測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為了保證較高精度的軸向力測(cè)試，需結(jié)合具體結(jié)構(gòu)選擇合適的測(cè)試方法。目前歐美國(guó)家一般采用彈支應(yīng)力測(cè)試方法，俄羅斯一般采用測(cè)力環(huán)測(cè)試方法。某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在新機(jī)研制中采用了測(cè)力環(huán)進(jìn)行某狀態(tài)下的整機(jī)軸向力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相差約7000N，占計(jì)算結(jié)果的43%；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修改后的計(jì)算值與試驗(yàn)前的計(jì)算值甚至方向相反，如表2所示。由此可見，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，尤其是型號(hào)未定型前的研制階段，有必要進(jìn)行軸向力測(cè)試。

表2 某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子軸向力 N

4 結(jié)語

本文結(jié)合某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向力計(jì)算、調(diào)整和測(cè)試情況分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型的轉(zhuǎn)子氣體軸向力設(shè)計(jì)，包括計(jì)算、調(diào)節(jié)和測(cè)試。由于軸向力的計(jì)算因素較多，且計(jì)算誤差較大，故采用合適的軸向力測(cè)試方法和軸向力調(diào)節(jié)手段顯得尤為重要。目前國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)承制廠商已基本摸索出一套符合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的軸向力調(diào)節(jié)手段和測(cè)試技術(shù)。國(guó)內(nèi)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作起步較晚，因此對(duì)國(guó)外典型機(jī)型的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及軸向力控制技術(shù)進(jìn)行分析并運(yùn)用到國(guó)內(nèi)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作上顯得尤為重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉長(zhǎng)福．航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1989．

[2]林基恕．航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸滾動(dòng)軸承的技術(shù)進(jìn)展[J]．燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2013，16（4）：52-56．

[3]方明偉，謝向宇，羅軍，徐進(jìn)．航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸后軸承打滑損傷失效分析[J]．潤(rùn)滑與密封，2016，41（4）：98-102．

[4]馬前容，吳虎，郭昕．核心機(jī)軸向力測(cè)量與應(yīng)用研究[J]．測(cè)控技術(shù)，2013，32（6）：39-43．

[5]蔡毅，朱惠人，張麗，王永杰．影響某型燃機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力關(guān)鍵因素分析[J]．航空工程進(jìn)展，2013，4（1）：66-70．

[6]林磊，伏宇．航空發(fā)動(dòng)機(jī)滾珠軸承軸向載荷的間接測(cè)量方法[J]．燃?xì)馕譁u輪試驗(yàn)與研究，2011，24（3）：38-40．

[7]盧艷輝，張春月，邊杰．彈性環(huán)法在測(cè)量航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)角接觸滾珠軸承軸向力中的應(yīng)用[J]．軸承，2013，（11）：48-50．

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

[9]張春月，邊杰．航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2014，（6）：13-15．

[10]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．