留有較大的溫度裕度

航空發(fā)動機(jī)渦輪前燃?xì)鉁囟葘Πl(fā)動機(jī)性能、可靠性和耐久性有很大關(guān)系,溫度高,性能要好,但可靠性與壽命卻大大受影響。在以往的發(fā)動機(jī)研制中,往往是盡可能地充分發(fā)揮渦輪葉片的耐高溫能力,使發(fā)動機(jī)設(shè)計性能較高,但卻使發(fā)動機(jī)的適應(yīng)性不佳,工作可靠性差,壽命短。

現(xiàn)在發(fā)展的一些發(fā)動機(jī),在設(shè)計中,對渦輪前燃?xì)鉁囟鹊倪x用上,留有較大的裕度,使發(fā)動機(jī)長期處于溫度稍低的條件下工作。這樣,不僅可以提高保持起飛推力的大氣溫度(早期的發(fā)動機(jī),保持起飛推力的大氣溫度為15 ℃,目前的發(fā)動機(jī),多在33~40 ℃),發(fā)動機(jī)熱端部件的壽命可以長,具有應(yīng)急時提高發(fā)動機(jī)推力的能力,而且可以提高發(fā)動機(jī)的可靠性。

以下列出幾種發(fā)動機(jī)留有的溫度裕度情況。

(1)RB211 524 :正常使用時的燃?xì)鉁囟鹊陀诙ㄐ偷臏囟?30~150 ℃,而定型時的溫度與材料允許的(即紅線)溫度尚有一定裕度。

(2)RB211 535E4:實際使用時的燃?xì)鉁囟缺榷ㄐ蜁r低250 ℃。

(3)V2500:溫度裕度有100~145 ℃,隨起飛時大氣溫度而變。

 (4)CFM56:正常使用時的燃?xì)鉁囟鹊陀诙ㄐ偷?10 ℃。

 (5)F110 GE 100:生產(chǎn)型發(fā)動機(jī)平均低于紅線溫度值110 ℃。

(6)РД 33:渦輪前燃?xì)鉁囟仍O(shè)計值為1540K,允許超溫150 ℃,實際可達(dá)1690K。

發(fā)動機(jī)設(shè)計時,應(yīng)考慮到有些零組件或子系統(tǒng)一般不易出問題,但是一旦出問題后,會引起發(fā)動機(jī)出現(xiàn)較大的或災(zāi)難性的故障,就應(yīng)采取一些防止出現(xiàn)這些災(zāi)難性故障的措施。在設(shè)計中采取的這些措施稱為安全設(shè)計。

防止低壓渦輪軸在工作中折斷后,低壓渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)入飛轉(zhuǎn)狀態(tài)的措施,就是渦扇發(fā)動機(jī)設(shè)計時,必須采用的安全設(shè)計之一。

 眾所周知,低壓渦輪軸由于套裝在高壓渦輪軸內(nèi),其直徑比高壓軸小,但它的轉(zhuǎn)速卻低于高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,隨著發(fā)動機(jī)涵道比的增加,其轉(zhuǎn)速差也越大,但它傳遞的功率卻比高壓渦輪軸大,特別在高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)中。

由此可見,低壓渦輪軸由于傳遞功率大,轉(zhuǎn)速低,它承受的扭矩比高壓軸大很多;加上直徑小于高壓軸,因此低壓渦輪軸上承受的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于高壓渦輪軸,如果兩軸采用同樣材料制作,低壓軸的安全系數(shù)顯然小于高壓軸的。當(dāng)然,設(shè)計時一定要保證低壓軸有一定安全系數(shù),確保能正常工作。

但是,發(fā)動機(jī)在工作中,會由于某些偶然因素,使低壓軸折斷。例如,在其他零件損壞后,使低壓軸與高壓轉(zhuǎn)子相磨碰,低壓軸受損而斷裂等。

1988年5月30日,中國民航的一架圖 154三發(fā)客機(jī)在廣州起飛時,裝在機(jī)尾中部的發(fā)動機(jī),由于裝在高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的鈦合金空氣導(dǎo)管突然失穩(wěn)向內(nèi)變形,將低壓渦輪軸磨出了一道較深的磨痕,使低壓軸折斷,即是一例。

又如,發(fā)動機(jī)工作中將大鳥或跑道上的大塊輪胎碎片(其他飛機(jī)在起飛或著陸時磨壞而遺留在跑道上的輪胎碎塊)吸入,風(fēng)扇葉片又未能將它們切碎,碎片卡在風(fēng)扇葉片與靜子之間,對低壓渦輪軸形成了一個很大的剎車力,造成低壓軸上的反扭矩突增,會將低壓軸擰斷等。

當(dāng)然,這種低壓渦輪軸突然折斷的概率是極小的,幾年甚至十幾年不一定遇到,但是一旦不幸遇到就會帶來災(zāi)難性事故。因為一旦低壓渦輪軸折斷,低壓渦輪轉(zhuǎn)子與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子之間,就失去機(jī)械聯(lián)系,低壓渦輪失去負(fù)荷。此時,高溫燃?xì)馊岳^續(xù)流入低壓渦輪中膨脹做功,失去負(fù)荷的低壓渦輪就會急劇增速以至飛轉(zhuǎn),此時,工作葉片與輪盤所受的離心力急劇增(因為離心力是與轉(zhuǎn)速的2次方成正比),大大超出其允許值,葉片會由根部處折斷高速甩出,輪盤也會四分五裂甩出。

甩出去的碎片能量很大,擊穿渦輪機(jī)匣后如打到飛機(jī)要害構(gòu)件或系統(tǒng),就會給飛機(jī)帶來災(zāi)難性事故。前述的圖154低壓渦輪軸斷裂故障中,幸好是中間的發(fā)動機(jī)發(fā)生的,發(fā)動機(jī)外圍沒有飛機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件與系統(tǒng),因而只是機(jī)尾嚴(yán)重?fù)p壞而沒有造成飛行事故。但1987年5月3日,在波蘭卻發(fā)生了一件類似的故障,其后果卻不同。

 
　
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