硬核航空国外航空发动机滚动轴承的发展概况陈光谈航发255-沈阳之窗

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1.0×106,目前在较先进的发动机上则为2.0×106左右,工作温度在200℃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3.0×106,到80年代则要求DN值达到4.0×106与工作温度为300℃的轴承;但是,实际上DN 值并未继续上升,而是维持在2.0×106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1972年的F100,这是因为在其后的发动机中基本上没有超过F100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200~250℃,今后可能会要求在400 ℃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100~150℃。

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。