施晓伟　葛俊　宋冬

【摘 要】本文主要介绍了某型涡轮冷却器的寿命试验技术方案.文中介绍了产品的工作原理及概述，依据研制单位对薄弱环节的外场和维修中发现的耗损型故障进行分析，开展试验方案设计，经理论分析和仿真计算分别得到各因素对涡轮盘、风扇叶轮的内部应力的占比以及温度的影响，最终确定试验技术方案。

【关键字】涡轮冷却器;寿命试验;薄弱环节

中图分类号： V245.3文献标识码： A 文章编号： 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

某型飞机涡轮冷却器对空调系统的空气进行第三级冷却。产品利用空气势能通过涡轮导向器转变为动能，从而带动涡轮轴转动变为机械能来达到降低空气温度。寿命试验的目的是考核考核该涡轮冷却器经修理合格后是否满足产品再延寿的要求。

涡轮冷却器由风扇和离心式单级膨胀涡轮组成，二者共同支承在两个滚珠轴承上，工作原理如图2所示。空气通过进口管进入导向器，再通过导向器进入涡轮盘，空气在涡轮叶片上膨胀，其势能（压力和温度）变为动能，通过涡轮叶片后，空气降低了温度和压力，并进入座舱和设备舱冷却设备。

1.涡轮外壳;2.涡轮导向器;3.涡轮盘;4.风扇;5.风扇外壳

图1 产品结构简图

图2 产品功能框图

1 试验方案设计

本次试验采用薄弱环节长期运转试验、整机振动耐久和整机性能检测的工作思路：依据故障情况、维修工艺和FMEA等數据，分析确定修理后涡轮冷却器的薄弱环节;依据薄弱环节的故障机理及两件被试产品维修的实际情况，确定薄弱环节长期运转试验项目;依据产品实测和有限元仿真分析，确定薄弱环节长期运转试验的载荷和边界条件;长期运转试验平台配备在线检测设备，实时记录试验条件;在振动耐久试验和薄弱环节长期运转试验后，进行整机性能检测，考核涡轮冷却器产品经修理合格后是否满足产品再延寿的要求。

依据研制单位对薄弱环节的外场和维修中发现的耗损型故障进行分析，薄弱环节故障机理为涡轮盘/风扇叶轮高速旋转引起的叶片偏心和变形、滚动轴承的磨损和疲劳点蚀，这两个因素均会引发转子系统的不平衡而失稳，进而造成滚动轴承抱轴及各旋转部件的损坏。由于轴承在修理维修过程中属于必换件，寿命试验着重分析的耗损型故障为由涡轮盘、风扇叶轮的旋转运动引起偏心和变形，因此设计了涡轮盘和风扇叶轮的旋转试验。为了更准确地模拟产品的实际运转情况，将转子系统的其他部件作为陪试部件，设计了以涡轮盘、风扇叶轮为薄弱环节长时旋转试验。

涡轮冷却器在正常运转时，涡轮盘、风扇叶轮高速旋转引起的叶片偏心和变形是由内部应力和温度共同作用引起的：内部应力引起偏心和变形，温度加速叶轮材料的蠕变。内部应力主要由旋转离心力和气动力共同作用，其中旋转离心力与转速正相关，气动力与内部气体的压力、气体的流量正相关，经理论分析和仿真计算分别得到各因素对涡轮盘、风扇叶轮的内部应力的占比。

2 离心力、气动力以及温度的影响

经仿真计算得出，在《某型涡轮冷却器寿命试验任务书》中规定的载荷剖面状态I-状态V条件下，涡轮盘/风扇叶轮的内部应力分布和内部应力的最大值（表1），其中，图3左图为状态I下风扇叶轮在离心力作用下产生的内部应力图，图3右图为离心力+气动力共同作用下产生的内部应力图;图4左图为涡轮盘在离心力作用下产生的内部应力图，图4右图为离心力+气动力共同作用下产生的内部应力图。可知，相对于旋转离心力作用下产生的内部应力，气动力对叶轮内部应力的影响较小（不超过2%），故气动力可忽略不计。

表1 状态I-状态V的仿真计算结果表

蠕变是指在恒应力（或载荷）下发生的缓慢而连续的塑性变形。金属材料通常在T>0.3-0.6倍的融化温度时，蠕变现象比较明显。风扇叶轮和涡轮叶轮材料的均为牌号AK4-1的铝合金，熔点为660℃，当温度低于198-396℃时，铝合金的蠕变速度相对很低，可以忽略不计。在《某型涡轮冷却器寿命试验任务书》中试验载荷谱规定：在1500小时长期运转试验过程中，风扇叶轮仅有较短时间接近蠕变点最低温度，涡轮端进口温度各试验状态下均不超过75℃。所以，风扇叶轮和涡轮盘的材料蠕变速度相对很低，故在长期运转试验中温度的影响可以忽略不计。

综上所述，长期运转试验中，可以忽略温度和气动力对涡轮盘和风扇叶轮偏心和变形的影响，在寿命试验中忽略温度、内部气体的压力和流量等外界条件因素，用仅考虑转速的薄弱环节长期运转试验代替寿命试验。

图3 离心力作用下的风扇应力云图

图4 离心力作用下的涡轮盘应力云图

3 试验技术方案

图5 长期运转试验台结构图

试验平台依照图5所示，涡轮端：去掉涡轮蜗壳，过滤后的外界气源通过喷嘴直接驱动涡轮盘;风扇端通过风扇端入口安装压力调节阀、风扇端出口安装真空泵，通过调节风扇端的压力调节阀、真空泵和涡轮端的入口空气压力和流量，调整转子系统运转速度;热电偶温度传感器监测轴承的温度变化，转速测量仪监控转子系统的转速。

【参考文献】

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