航空燃气涡轮发动机压气机-涡轮转子的轴承(一般称为主轴承)几乎无例外的均采用滚动轴承。这是因为与滑动轴承相比,滚动轴承具有下述使用特性:低温下易于启动,启动与停车过程的性能较好,摩擦损失小,而且在低速下滑油系统失灵时仍可维持短时间(15~30min)的工作;但是它在超高速下使用的性能却远不如滑动轴承。
几十年来,滚动轴承的基本结构设计变化不大。然而,近二三十年来,为满足航空燃气涡轮发动机性能不断提高的要求,特别是高转速、高温度与长寿命的要求,航空滚动轴承的使用性能有了很大的提高。这是由于改善了材料、加工过程、使用条件与润滑条件等而取得的。
目前,新型发动机对轴承的工作条件提出了更苛刻的要求。为此,国外航空发动机制造厂家、轴承厂家以及科研机构,很重视主轴承的发展与研究工作,而且,研究工作不仅在于进一步提高现有的技术,还在轴承的基本结构方面做了许多工作。
轴承的速度特性一般采用DN值(D:轴承内径,mm;N:转速,r/min)表示。初期的燃气涡轮发动机轴承的DN值约为1.0×,目前在较先进的发动机上则为2.0×左右,工作温度在℃左右。
在20世纪60年代,曾预计航空燃气涡轮发动机到70年代中期,将要求有DN值将达到3.0×,到80年代则要求DN值达到4.0×与工作温度为℃的轴承;但是,实际上DN值并未继续上升,而是维持在2.0×左右的水平。这是因为当时认为提高发动机转速将是提高发动机性能的一项主要措施;但实际上,由于受到转子强度的约束,发动机转速不能大幅度提高,因而用于发动机的主轴承DN值并未像预计那样大幅度提高。
表1列出了几种具有代表性的发动机主轴承的DN值,表中只列到年的F,这是因为在其后的发动机中基本上没有超过F的。
表1、几种航空发动机主轴承的DN值
轴承发展中出现的很多问题都是由于DN值不断增长而引起的。因为DN值增高后,滚子的离心力增大,作用于外环滚道上的挤压应力增大,发热量增多,因而带来了材料、滑油和冷却等问题;转速大,还必须提高轴承的制造精度及平衡精度,同时也给保持架的设计带来许多问题。
随着发动机转速与涡轮前燃气温度的增高,主轴承的工作温度也不断提高。目前轴承工作于~℃,今后可能会要求在℃以上温度下工作。
此外,轴承工作的温度范围很广,要求既能在-55℃下易于启动,又要在高温下正常工作,而且还能适应停车后的温度变化。由于发动机停车后,冷却轴承的滑油循环系统停止工作,涡轮叶片、轮盘及轴的残余热量会逐渐传至涡轮轴承上,使其温度随停车后时间的增长而逐渐上升,如图1所示。由图1可见,停车40min后,涡轮轴承的温度甚至可高出正常工作温度~℃。
由于发动机主轴承的温度高,要求有能在高温下保持一定硬度的高温轴承材料以及能在高温下工作的润滑剂。由于工作温度范围大要求对轴承内部间隙(游隙)进行细致分析,还要求对轴承的结构设计进行仔细分析,选用合理的装配间隙等。
图1、发动机停车后轴承温度趋势
在发动机正常工作时,作用于主轴承上的径向载荷只有转子的重力与不平衡的离心力。这两个力一般均很小,特别在小型发动机上。每当转子转动一圈,不平衡的离心力就出现一次与转子的重力方向相反的情况。这时,如果转子不平衡力接近转子的重力,作用于转子轴承上的径向载荷就会很小(“轻载)”,甚至成为“零载”;
当飞机作机动飞行时,作用于发动机转子上的过载,在某一瞬间也会使轴承轻载甚至零载,这就会在滚棒轴承上,有时也会在承受轴向载荷小的滚珠轴承上出现“打滑”现象。滚动轴承出现打滑后,在某些情况下会出现“滑蹭损伤”。这种对轴承疲劳寿命很有影响的“打滑”现象在一般机械的轴承上是很少出现的。
作用于角接触滚珠轴承上的轴向载荷取决于压气机与涡轮的气动设计及减荷的结构设计。一般在设计时,应使此轴承载荷在设计状态时较小,但不能小于会使轴承产生打滑的载荷。随着飞行高度与速度的变化,作用于轴承上的轴向载荷也是变化的。图2是典型的战斗机发动机滚珠轴承轴向载荷的变化情况。在发动机设计中,应尽量避免作用在止推轴承上的轴向载荷在工作中出现变向。因为一旦出现变向,在变向前后,作用于轴承的轴向载荷必然会有轻载-零载-轻载的过程，会引起轴承打滑。
图2、止推轴承的轴向载荷随高度(H)与Ma变化图。
当飞机作机动飞行时,还有很大的过载作用于轴承,而且此载荷有时较设计载荷高出10倍左右。虽然过载载荷作用的时间很短,只占发动机总工作时间的很小比例,但在轴承寿命计算以及轴承试验中,均应将此载荷考虑在内。
图3、几种轴承材料硬度随温度的变化。
为保证轴承正常工作,内、外环与滚子的材料硬度不能小于RC58,否则轴承就会出现“压伤”损坏。但是,随着工作温度的升高,材料的硬度则逐渐下降。一般应用很广的SAE52轴承钢,当工作温度超过℃时,硬度就低于RC58,因此不能适应现代航空主轴承的要求。已发展了一些高温轴承钢,其最大使用温度与成分参见表2。图3绘出了它们的高温硬度。
表2、几种轴承钢的成分
工作温度低于℃时。可采用普通的SAE52轴承钢。MHT轴承钢系在
SAE52中加入1.3%的铝,其工作温度可提高到℃。M50适用于~℃。M1和M2在℃时硬度是足够的,但此温度却是它们的抗氧化性能的边界值,因此其工作温度只限于℃。
WB49渗碳钢虽然高温性能好,能在℃下工作,但现行的制造技术还不能用它做出性能可靠的滚珠,而只能用来制作内、外环,滚珠用M1制造。这种轴承的工作温度为℃。多年来用于航空发动机主轴承的材料多为M50。
20世纪80年代,在M50基础上发展了M50NiL,即在M50的成分中,增加了镍(用Ni表示),降低了碳的含量(用L表示),是一种表面渗碳钢。表3列出了M50与M50NiL两种材料的主要成分。
表3、M50与M50NiL的主要成分
M50NiL除了具有M50所具有的特性外,还由于是渗碳钢,其表面硬度可达60~64HRC,渗碳层深度约为0.3~1.5mm,渗层底部硬度约为58HRC,中心部分的硬度最高约为48HRC。
由于中心硬度低(M50的表面与中心部分硬度是一致的),所以它的断裂韧性比M50高出1.5倍。另外,M50NiL的表层内还具有较大的残余压缩应力,这对提高轴承的疲劳寿命有好处,但是采用M50NiL作轴承内、外环时,会带来保持架引导面磨损,为此,需在保持架引导面上镀TiN层。据德国FAG轴承公司称,该公司自年向GE公司提供第1套由M50NiL作的轴承起,近10年中已为各航空发动机公司提供了00余套M50NiL轴承。
国外航空发动机主轴承的轴承钢,几乎全部是用真空熔炼的,采用较多的是消耗电极真空熔炼。为了进一步提高轴承的疲劳寿命,还可以采用连续真空熔炼。图4所示是SAE52钢经过5次真空熔炼,疲劳寿命提高的情况:经过1次熔炼,寿命约提高1倍;经过5次熔炼,寿命大致提高3倍。
图4、轴承材料真空熔炼次数对轴承寿命的影响
美国广泛采用消耗电极真空熔炼的CEVMM50制作航空发动机主轴承的内、外环及滚子。这种材料与过去空气熔炼的SAE52相比,使轴承的疲劳寿命提高了10~20倍。
在高速轴承中,常常由于保持架的磨损、疲劳等原因造成轴承的损坏。因此,保持架不仅需仔细设计,其材料也应很好地选择。大多数主轴承均采用整体机械加工的保持架:低于℃时,铁硅青铜采用较多;温度再高时,则采用S莫奈尔镍基合金(工作温度可达℃)。
绝大多数主轴承的保持架均镀银,银层厚约为0.~0.mm。镀银的作用有二:(1)保证在干摩擦条件下不损坏保持架。这种情况在启动时常常会发生,特别是在涡轮轴承中。如前所述,发动机停车后的一段时间内,轴承的温度会升高~℃,从而破坏了轴承内的滑油膜,再次启动时就发生干摩擦。
(2)防止保持架产生疲劳损坏。滚珠与保持架在工作时实际上是点接触。当转子加速或减速时,在保持架的惯性作用下,滚珠撞击到保持架上,造成很大的单位压力,热量也很集中,因而易使保持架疲劳破裂。这种事故曾在罗·罗公司生产的“达特”发动机的滚珠轴承上出现六十余次,在“康维”发动机上也出现过多次。保持架镀银后,由于银层硬度较低,在滚珠的撞击下形成较大的凹坑,增大了接触面积,降低了单位压力,因而可避免保持架的疲劳剥伤、裂纹等损坏。
轴承表面纹理结构是指表面由于精加工而形成的显微纹路。它包括表面的光洁度(即粗糙度)与滚道沿圆周的波纹度。随着弹性流体力学(EHD)的发展,在20世纪50~60年代发现轴承表面纹理结构对疲劳的发展过程糙度相同时,例如0.mm(5mil)绝对平均值(AA),油石精研的表面比抛光或磨削得到的表面的疲劳寿命要长,而且,疲劳寿命随油膜厚度(h)与表面组合粗糙度(σ)之比值(即h/σ)的增大而延长,如图5所示。
滚道沿圆周的波纹度过大会造成轴承表面的“扇形”损坏。根据试验,在30°的扇形范围内,如果波纹度大于1.mm(60mil),就会出现扇形损坏。
图5、疲劳寿命与h/σ的关系
因此目前有些发动机工厂已在主轴承制造过程中,增加了对表面粗糙度及圆周波纹度的控制要求,即要求有小于0.mm(5mil)AA的、用油石研磨的表面,并要求在圆周30°扇形中波纹度小于1.mm(60mil),以保证轴承具有高的疲劳寿命。
滚道与滚子的硬度对轴承的承载能力即寿命有很大的影响。有时单纯提高材料的机械性能,不一定会对轴承的疲劳寿命有利。图6示出了几种轴承钢在不同硬度下的承载能力。很明显,当工作温度增高使硬度下降时,轴承的承载能力降低。
图6、轴承承载能力与轴承硬度的关系
NASA的研究还表明,内、外环与滚子之间的硬度差对轴承疲劳寿命的影响也很大。
例如对于SAE52钢做的轴承,如果滚子的硬度大于环的硬度RC为1~2时,其寿命可提高4~5倍,如图7所示。
图7、轴承滚子与内环硬度差与轴承寿命关系图
在一般的轴承生产中,环的硬度容差为±HRC2,滚珠的容差为±HRC1。因此,为保证有较恰当的硬度差,除严格控制热处理外,还应准确地测量硬度并按硬度进行分组组装。
图8、纤维流线平行于滚道的轴承环
将轴承钢在奥氏体条件下进行成形处理称为热机械处理或奥氏体成形(Ausform)。用这种方法得到的轴承,寿命可提高6~7倍。当然并不是所有的轴承钢均能进行热机械处理的。如SAE52钢,它由奥氏体范围到淬火的相变发生很快,因而处在奥氏体条件下的时间很短,不足以对材料进行成形。M—50等M型轴承钢则适于热机械处理。
图9、纤维流线垂直于滚道的轴承环
对于承受推力的滚珠轴承,环的纤维流线形式对轴承的寿命很有影响。纤维流线平行于滚道的轴承环(如图8所示)比纤维流线垂直于滚道的轴承环(如图9所示)寿命可提高10倍。对于只承受径向载荷的轴承,纤维的流线则没有显著的影响。