航空发动机轴承预载的加载方法与工程实践

刘小凤，苏廷铭

(中国燃气涡轮研究院，四川 成都 610500)

1 引言

滚动轴承在工作时，其滚动体应在内、外环滚道上作纯滚动。当滚道与滚动体间的拖动力难以克服滚动体与保持架组合体之间正常运动的阻力时，滚动体就会在滚道上打滑从而形成滑动摩擦。当滑动摩擦系数大于滚动摩擦系数时，再加之某些外来因素的影响，使得滚动体在内、外环滚道上发生干摩擦，从而引起轴承的滑蹭损伤，在滚动体、内外环滚道上出现蹭痕、表面局部磨损等现象。当轴承出现滑蹭损伤时，其表面粗糙度被破坏，摩擦系数增大，磨损过程加速，使得滚动体的直径变小，并在滚道上出现不均匀的槽痕，造成轴承损坏，对转子的工作带来严重危害，对发动机的可靠工作构成威胁[1]。

航空发动机轴承的工作条件比一般机械轴承的恶劣得多。航空燃气涡轮发动机的转子有转速高、负荷小的特点，容易引起发动机主轴承出现打滑现象。这是因为在高转速作用下，轴承滚子在大的离心力作用下有脱离内环滚道接触的趋势，且航空发动机的转子重量较轻，使得作用在轴承上的径向负荷小，再加上飞机作机动飞行时会在某些情况下使作用于轴承上的负荷更小，甚至出现零负载，因而由摩擦产生的拖动力变得很小，甚至为零，从而引起轴承打滑。因此，航空涡轮发动机主轴承上应特别注意防止轴承的滑蹭损伤。

阻止主轴承打滑的有效措施有两大类，即减小阻力与增大拖动力。本文只针对采用增大拖动力的措施防止轴承滑蹭的工程实例做介绍。

2 采用增大拖动力的措施防止轴承滑蹭的工程实例

在航空发动机设计中，采用增大拖动力来防止轴承滑蹭的措施有很多，包括减小轴承的游隙、将轴承保持架定位于内环、对轴承施加预载和将滑油喷射方向做成与滚子运动方向一致等。其中对轴承施加预载的措施除了在轴承设计上采用非圆轴承外，采用轴向弹簧对轴承施加预载也是非常有效的方法之一。J69发动机轴流压气机转子后支点采用轴向弹簧将预载施加在滚珠轴承支座上。在军用斯贝发动机MK202中，为防止低压转子的止推滚珠中介轴承在工作中作用的轴向负荷变向而引起轴承打滑，也采用了弹簧施加预载的结构形式。利用两个贝氏弹簧，通过小轴承对中介止推轴承施加7 120 N向后的预载，当中介止推轴承向后的轴向力变小甚至反向时，弹簧对它施加向后的轴向力，如图1所示。此种采用轴向弹簧对滚珠轴承施加预载荷的结构形式，在一些小型涡轮机械中被广泛运用。

图1 斯贝MK202发动机中介止推轴承防止打滑的结构简图Fig.1 The layout of the anti-slipping bearing system in the SPEY MK202

3 轴承打滑的故障实例与解决措施

在某型发动机高压压气机部件试验中，曾出现过由于辅助支点滚珠轴承因轻载打滑导致轴承失效的故障。图2为某型发动机高压压气机部件试验转子支承简图。该部件试验件转子运转时产生的轴向力由主支点的滚珠轴承承受，通过轴承座、试验件排气机匣传至试验设备的排气涡壳上。

图2 某型发动机高压压气机部件试验件转子支承简图Fig.2 The supporting system of a HPC test rig

试验件辅助支点的作用是将试验件的转子与设备的高速齿轮箱联接起来，通过辅助支点传动轴组件将设备提供的动力传给试验件转子，带动试验件运转。传动轴组件前端与试验件转子之间采用花键传扭和球头定心的柔性联接方式，传动轴组件后端与设备的高速浮动轴之间也是采用花键传扭和球头定心的柔性联接方式，如图3所示。

图3 某型发动机压气机部件试验件辅助支点与转子及设备联接处结构图Fig.3 The sketch of the assistant fulcrum connecting with rotor assembly and the test bed

该部件试验件转速非常高，由于受到某些条件的限制，该部件试验件辅助支点轴承选用了某型发动机3号支点的轴承，且与试验件主支点选用的轴承为同一型号，此轴承为角接触滚珠轴承，主要承受轴向力。从图3中可以看出，由于传动轴组件与试验件转子及试验设备之间采用的是柔性联接方式，在整个部件试验件运行过程中，该试验件辅助支点的滚珠轴承只起到了一个支点的作用而并未承受轴向力。同时，为保证试验件的安全运行，在部件试验件各支点靠近轴承外环的轴承座垂直和水平方向上均布置2支热电偶，用于试验中轴承温度的在线监测。图4为试验件故障前监测的轴承温度随转速变化的曲线图。从图中可以看出，辅助支点滚珠轴承的温度随转速变化上升较快，且在试验件运行过程中始终较高，当试验件相对换算转速为1.0时，此滚珠轴承温度已超过120℃。在录取了相对换算转速1.0的喘振边界后，准备再补充录取设计点数据时，试验间突然发出剧烈异响，从操纵间观测到试验件与高速齿轮箱之间有烟雾出现，遂立即停车并对部件试验件和试验设备进行分解检查。检查后发现，部件试验件的辅助支点组件和排气机匣组件以及试验设备高速齿轮箱的浮动轴损坏，试验件辅助支点的滚珠轴承严重烧毁，仅剩下轴承外环，辅助支点轴承座和排气机匣轴承座安装边也完全破坏，如图5所示。通过对故障现场及实物的认真勘察，并结合试验件各支点的振动信号时域图谱，发现辅助支点处的振动信号异常，振动早于其它支点。分析认为，事故原因是由于试验件辅助支点首先发生失效、坍塌，从而导致其它部件损坏，而辅助支点的损毁则是由于辅助支点的滚珠轴承轻载打滑导致轴承失效而造成的。

图4 加预载前轴承温度随转速变化曲线图Fig.4 The bearing temperature vs rotational speed before preloading

图5 试验件辅助支点故障图Fig.5 The failure of assistant fulcrum

根据轴承失效原因，分析认为需对辅助支点滚珠轴承施加100～200 N的轴向预载荷。以往许多给轴承加预载荷的方法均是将预载荷直接加在轴承外圈上，而根据此部件试验件的结构形式特点，在已有的结构布局下，很难将预载荷直接加在轴承外圈上。因此，在对试验件结构形式不作大的改动的情况下来给轴承施加预载，比较直接的方法是在试验件辅助支点传动轴组件前端面与部件试验件转子后轴颈联接处之间增加一轴向弹簧(见图6)。此轴向弹簧在部件运转过程中随转子一起旋转，同时利用作用力和反作用力的关系及在弹簧力的作用下，使辅助支点的滚珠轴承在试验件的整个运行过程中始终承受一定的轴向力，以防止轴承因轻载打滑而失效。通过初步计算评估，第一步通过施加约为100 N的预载荷进行试验验证，验证轴承温度能够降低的程度。若温度降幅较大，则按正常试验程序进行试验，否则将轴承预载荷再次增加进行试验验证。

图6 弹簧Fig.6 The spring

为此，对部件试验件做了一定的修改设计和补加工：对传动轴前端内孔进行补加工，并在此处增加一弹簧安装座，将弹簧安装在弹簧安装座与试验件转子后轴颈之间，弹簧承受约100 N的压缩力。图7为试验件预载荷施加处的结构图。

经试验验证表明，预加约100 N的轴向预载荷后，试验件运行情况良好，辅助支点的滚珠轴承温度明显下降，辅助支点轴承最高温度低于65℃，该部件试验件的安全运行时间已达1 694.4 min。图8为改进设计后的某部件试验件试验时辅助支点轴承温度随转速变化的监测结果图。

图7 预载荷施加处的结构图Fig.7 The preloading structure

4 结论

图8 加预载后轴承温度随转速变化曲线图Fig.8 The bearing temperature vs rotational speed after preloading

对转子施加预载荷来防止轴承轻载打滑是一种有效的轴承预载方法，该方法已在后继的多个部件试验件设计中得到成功运用。

[1]陈 光.航空发动机轴承的滑蹭损伤与防止措施[J].燃气涡轮试验与研究，2004，17(3)：58—60.