某型飛機渦輪冷卻器壽命試驗方案研究

施曉偉　葛俊　宋冬

【摘 要】本文主要介紹了某型渦輪冷卻器的壽命試驗技術方案.文中介紹了產品的工作原理及概述，依據研制單位對薄弱環節的外場和維修中發現的耗損型故障進行分析，開展試驗方案設計，經理論分析和仿真計算分別得到各因素對渦輪盤、風扇葉輪的內部應力的占比以及溫度的影響，最終確定試驗技術方案。

【關鍵字】渦輪冷卻器;壽命試驗;薄弱環節

中圖分類號： V245.3文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）30-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.30.020

The Life Test Scheme of a Certain Aircraft Turbine Cooler Technology Research

SHI Xiao-wei GE Jun SONG Dong

（Wuhu TianHang Aero-Tech Co.Ltd， Wuhu Anhui 241000， China）

【Abstract】This article mainly introduced the life test of a turbine cooler technical scheme. This article introduces the working principle and the overview， according to the research unit found in the field and maintenance of weak link type wear failure analysis， experiment design， each factor was obtained respectively by the theoretical analysis and simulating calculation of turbine disk， fan impeller internal stress accounted for and the influence of the temperature， final test technology solutions.

【Key words】Turbine cooler; Life test; Week link

0 概述

某型飛機渦輪冷卻器對空調系統的空氣進行第三級冷卻。產品利用空氣勢能通過渦輪導向器轉變為動能，從而帶動渦輪軸轉動變為機械能來達到降低空氣溫度。壽命試驗的目的是考核考核該渦輪冷卻器經修理合格后是否滿足產品再延壽的要求。

渦輪冷卻器由風扇和離心式單級膨脹渦輪組成，二者共同支承在兩個滾珠軸承上，工作原理如圖2所示。空氣通過進口管進入導向器，再通過導向器進入渦輪盤，空氣在渦輪葉片上膨脹，其勢能（壓力和溫度）變為動能，通過渦輪葉片后，空氣降低了溫度和壓力，并進入座艙和設備艙冷卻設備。

1.渦輪外殼;2.渦輪導向器;3.渦輪盤;4.風扇;5.風扇外殼

圖1 產品結構簡圖

圖2 產品功能框圖

1 試驗方案設計

本次試驗采用薄弱環節長期運轉試驗、整機振動耐久和整機性能檢測的工作思路：依據故障情況、維修工藝和FMEA等數據，分析確定修理后渦輪冷卻器的薄弱環節;依據薄弱環節的故障機理及兩件被試產品維修的實際情況，確定薄弱環節長期運轉試驗項目;依據產品實測和有限元仿真分析，確定薄弱環節長期運轉試驗的載荷和邊界條件;長期運轉試驗平臺配備在線檢測設備，實時記錄試驗條件;在振動耐久試驗和薄弱環節長期運轉試驗后，進行整機性能檢測，考核渦輪冷卻器產品經修理合格后是否滿足產品再延壽的要求。

依據研制單位對薄弱環節的外場和維修中發現的耗損型故障進行分析，薄弱環節故障機理為渦輪盤/風扇葉輪高速旋轉引起的葉片偏心和變形、滾動軸承的磨損和疲勞點蝕，這兩個因素均會引發轉子系統的不平衡而失穩，進而造成滾動軸承抱軸及各旋轉部件的損壞。由于軸承在修理維修過程中屬于必換件，壽命試驗著重分析的耗損型故障為由渦輪盤、風扇葉輪的旋轉運動引起偏心和變形，因此設計了渦輪盤和風扇葉輪的旋轉試驗。為了更準確地模擬產品的實際運轉情況，將轉子系統的其他部件作為陪試部件，設計了以渦輪盤、風扇葉輪為薄弱環節長時旋轉試驗。

渦輪冷卻器在正常運轉時，渦輪盤、風扇葉輪高速旋轉引起的葉片偏心和變形是由內部應力和溫度共同作用引起的：內部應力引起偏心和變形，溫度加速葉輪材料的蠕變。內部應力主要由旋轉離心力和氣動力共同作用，其中旋轉離心力與轉速正相關，氣動力與內部氣體的壓力、氣體的流量正相關，經理論分析和仿真計算分別得到各因素對渦輪盤、風扇葉輪的內部應力的占比。

2 離心力、氣動力以及溫度的影響

經仿真計算得出，在《某型渦輪冷卻器壽命試驗任務書》中規定的載荷剖面狀態I-狀態V條件下，渦輪盤/風扇葉輪的內部應力分布和內部應力的最大值（表1），其中，圖3左圖為狀態I下風扇葉輪在離心力作用下產生的內部應力圖，圖3右圖為離心力+氣動力共同作用下產生的內部應力圖;圖4左圖為渦輪盤在離心力作用下產生的內部應力圖，圖4右圖為離心力+氣動力共同作用下產生的內部應力圖。可知，相對于旋轉離心力作用下產生的內部應力，氣動力對葉輪內部應力的影響較小（不超過2%），故氣動力可忽略不計。

表1 狀態I-狀態V的仿真計算結果表

蠕變是指在恒應力（或載荷）下發生的緩慢而連續的塑性變形。金屬材料通常在T>0.3-0.6倍的融化溫度時，蠕變現象比較明顯。風扇葉輪和渦輪葉輪材料的均為牌號AK4-1的鋁合金，熔點為660℃，當溫度低于198-396℃時，鋁合金的蠕變速度相對很低，可以忽略不計。在《某型渦輪冷卻器壽命試驗任務書》中試驗載荷譜規定：在1500小時長期運轉試驗過程中，風扇葉輪僅有較短時間接近蠕變點最低溫度，渦輪端進口溫度各試驗狀態下均不超過75℃。所以，風扇葉輪和渦輪盤的材料蠕變速度相對很低，故在長期運轉試驗中溫度的影響可以忽略不計。

綜上所述，長期運轉試驗中，可以忽略溫度和氣動力對渦輪盤和風扇葉輪偏心和變形的影響，在壽命試驗中忽略溫度、內部氣體的壓力和流量等外界條件因素，用僅考慮轉速的薄弱環節長期運轉試驗代替壽命試驗。

圖3 離心力作用下的風扇應力云圖

圖4 離心力作用下的渦輪盤應力云圖

3 試驗技術方案

圖5 長期運轉試驗臺結構圖

試驗平臺依照圖5所示，渦輪端：去掉渦輪蝸殼，過濾后的外界氣源通過噴嘴直接驅動渦輪盤;風扇端通過風扇端入口安裝壓力調節閥、風扇端出口安裝真空泵，通過調節風扇端的壓力調節閥、真空泵和渦輪端的入口空氣壓力和流量，調整轉子系統運轉速度;熱電偶溫度傳感器監測軸承的溫度變化，轉速測量儀監控轉子系統的轉速。

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