某型飞机涡轮冷却器寿命试验方案研究.doc

某型飞机涡轮冷却器寿命试验方案研究
【摘 要】,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rds】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***,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。
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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***/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***、风扇叶轮的旋转运动引起偏心和变形,因此设计了涡***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***、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***、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***、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***/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***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