動力渦輪軸承性能試驗臺的研制

王春月，劉靜，劉丹丹

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039)

動力渦輪常用于燃氣渦輪發動機中，氣流流過葉片時產生作用力，對轉子葉片做功而使其轉動，將燃氣流的能量轉換為機械能，從而驅動外部負載(如旋翼或螺旋槳等)。與飛機機翼希望升力大而阻力小的原理類似，氣流通過動力渦輪時產生的作用力極大而阻力小，在此作用力的驅動下，渦輪葉片直接受到高溫高壓氣流的沖擊，因此對動力渦輪軸承的性能和壽命也提出了更高的要求。

為了向動力渦輪軸承的設計部門和軸承裝機用戶提供特定工況下相關性能原始數據，尤其對于航空航天發動機、船舶等特種裝備上的動力渦輪軸承，判斷軸承是否能達到預期的使用性能、壽命與可靠性而進行試驗顯得更加重要，試驗臺是開展上述工作的必要手段。因此，針對動力渦輪軸承的高溫運行工況、極限載荷條件及其運轉特點，研制了一種動力渦輪軸承試驗裝置，通過多方面技術方案的實施，可以模擬動力渦輪軸承的實際運行工況，從而滿足軸承性能試驗的要求。

1 主要技術要求

試驗軸承為三點接觸球軸承(φ150 mm×φ370 mm×69 mm)和圓柱滾子軸承(φ220 mm×φ300 mm×48 mm)。根據主機條件，軸承實際運轉工況應滿足以下主要技術要求：試驗軸承內徑150～230 mm，外徑200～380 mm；最高轉速5 500 r/min，且可實現無級調速；最大軸向載荷50 kN，最大徑向載荷46 kN，均可實現連續可調；軸承最高工作溫度125 ℃。另外，系統可以實時在線監控軸承的工作狀態，可以自動和手動控制各項參數，并對軸承的性能參數進行存儲、顯示和處理，系統出現故障可啟動自動保護措施。

2 試驗臺主體結構

如圖1所示，試驗臺由試驗平臺及可剖分殼體、驅動系統、液壓系統、潤滑及加熱系統、電氣控制系統等組成。

圖1 試驗臺結構圖

試驗臺主體尺寸(長×寬×高)為2 000 mm×1 200 mm×300 mm；試驗主軸徑向跳動不大于0.015 mm。試驗設計結構多樣化，可采取2種試驗形式：三點接觸球軸承試驗時，左端為試驗軸承，中間和右端為陪試軸承；圓柱滾子軸承試驗時，兩端為陪試軸承，中間為試驗軸承。試驗臺加載原理如圖2所示，在油缸施力點處的加載力為

F=MS，

(1)

式中：M為油路壓力，MPa；S為加載油缸的面積，mm2。

三點接觸球軸承試驗時，油缸施力點在FB處，則

FB=MS=1.256M，

(2)

FD=MS=12.266M。

(3)

圓柱滾子軸承試驗時，油缸施力點在FB處，則

FA=FB+FC，

(4)

FC=165FB/350，

(5)

FA=1.47FB=1.47MS=1.85M。

(6)

圖2 試驗軸承加載原理圖

3 驅動系統

為保證試驗軸承達到試驗要求的轉速，采用試驗軸承內圈旋轉、外圈固定的形式，軸承內圈與軸緊配合，驅動主軸帶動內圈旋轉，即通過控制電動機的轉速來滿足試驗要求轉速。

電動機的功率選擇非常重要，功率過小，會出現“小馬拉大車”現象，造成電動機長期過載，導致其因發熱而損壞；功率過大，又造成“大材小用”，增加設備成本。因此，為使電動機在額定負載下運行，需要根據軸承的摩擦力矩進行計算選擇。分別計算試驗軸承和陪試軸承的摩擦力矩，取圓柱滾子軸承的摩擦因數為0.001 1，雙列角接觸球軸承的摩擦因數為0.002 4，單列三點接觸球軸承的摩擦因數為0.002 0[1]。

三點接觸球軸承試驗時：最大軸向載荷Fa為50 kN，最大徑向載荷Fr為3 kN，最高轉速n1為3 600 r/min，經計算得出總的摩擦力矩M1=24.86 N·m，則所需功率P1=Mn/9 550=9 kW。

圓柱滾子軸承試驗時：軸承不承受軸向力，最大徑向載荷Fr為46 kN，最高轉速n為5 500 r/min。同理，計算得此時所需功率P2為12 kW。

考慮到直流電動機效率系數η為0.8，則電動機功率應該為P=P2/η=15 kW。但考慮到此試驗臺的擴展性及后續試驗，故選擇稍高功率的電動機，最終選定37 kW的高速電動機，額定轉速為3 000 r/min，最高轉速8 000 r/min。

4 液壓系統

試驗臺液壓系統工作壓力為14 MPa(油泵最大供油能力)，其結構如圖3所示。圖中：Ⅰ路油為徑向油缸，壓力范圍0～10 MPa(F折合加載力=P壓力×S加載盤面積，折合加載力為0～120 kN);Ⅱ路油為軸向油缸，壓力范圍0～5 MPa(折合加載力為0～6 280 N)。載荷控制精度為±2%F.S.，可分別無極調節Ⅰ向和Ⅱ向加載油壓，且互不干擾。

圖3 液壓系統

5 潤滑及加熱系統

試驗臺潤滑、加熱系統如圖4所示，總流量20 L/min，潤滑油加熱范圍為室溫至100 ℃，潤滑油箱引出3路供油支路對相應的軸承進行潤滑。試驗軸承要求在高溫環境下運轉，因此在試驗軸承潤滑油支路添加加熱裝置，將被加熱的高溫潤滑油噴淋到試驗軸承上，靠對流傳熱的方式使試驗軸承升溫，從而達到模擬高溫運行環境的目的。為保證潤滑油的溫度恒定，加熱過的潤滑油需經溫度傳感器測試達到預期溫度才可使用。由于高溫會影響軸承壽命，陪試軸承的潤滑油路不僅無需加熱，反而需要兼顧冷卻的作用，因此在回油管路上裝有冷卻裝置(油冷機)，對回到油箱的油統一冷卻，循環利用。

圖4 潤滑及加熱系統的結構

6 電氣控制系統

電氣控制系統的結構如圖5所示，通過溫度傳感器、振動傳感器及壓力傳感器將試驗軸承的各項參數傳輸到信息采集卡上并反饋給工控機，最終在工控機的屏幕上實時顯示，從而驗證試驗軸承是否能達到設計要求。

圖5 電氣系統結構圖

另外，變頻器與工控機通過串口通信來控制主軸電動機的轉速；系統的報警和啟動、停止通過開關量板卡控制。

7 結束語

使用該試驗臺對圓柱滾子軸承進行了徑向加載試驗，對三點接觸球軸承進行了軸向和徑向同時加載試驗，并按試驗要求進行了極限載荷、極限轉速試驗。試驗過程中，油壓可順利無極調節，油路系統不存在漏油現象且兩路調節過程互不干擾，試驗臺運行可靠、平穩，達到了預期的設計性能及試驗效果，可以為主機用戶和動力渦輪軸承的研發和檢驗單位提供有力的評估依據和原始數據支持。