留有較大的溫度裕度

航空發動機渦輪前燃氣溫度對發動機性能、可靠性和耐久性有很大關系,溫度高,性能要好,但可靠性與壽命卻大大受影響。在以往的發動機研制中,往往是盡可能地充分發揮渦輪葉片的耐高溫能力,使發動機設計性能較高,但卻使發動機的適應性不佳,工作可靠性差,壽命短。

現在發展的一些發動機,在設計中,對渦輪前燃氣溫度的選用上,留有較大的裕度,使發動機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(早期的發動機,保持起飛推力的大氣溫度為15 ℃,目前的發動機,多在33~40 ℃),發動機熱端部件的壽命可以長,具有應急時提高發動機推力的能力,而且可以提高發動機的可靠性。

以下列出幾種發動機留有的溫度裕度情況。

(1)RB211 524 :正常使用時的燃氣溫度低于定型的溫度130~150 ℃,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:實際使用時的燃氣溫度比定型時低250 ℃。

(3)V2500:溫度裕度有100~145 ℃,隨起飛時大氣溫度而變。

 (4)CFM56:正常使用時的燃氣溫度低于定型的110 ℃。

 (5)F110 GE 100:生產型發動機平均低于紅線溫度值110 ℃。

(6)РД 33:渦輪前燃氣溫度設計值為1540K,允許超溫150 ℃,實際可達1690K。

發動機設計時,應考慮到有些零組件或子系統一般不易出問題,但是一旦出問題后,會引起發動機出現較大的或災難性的故障,就應采取一些防止出現這些災難性故障的措施。在設計中采取的這些措施稱為安全設計。

防止低壓渦輪軸在工作中折斷后,低壓渦輪轉子進入飛轉狀態的措施,就是渦扇發動機設計時,必須采用的安全設計之一。

 眾所周知,低壓渦輪軸由于套裝在高壓渦輪軸內,其直徑比高壓軸小,但它的轉速卻低于高壓轉子的轉速,隨著發動機涵道比的增加,其轉速差也越大,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動機中。

由此可見,低壓渦輪軸由于傳遞功率大,轉速低,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力遠大于高壓渦輪軸,如果兩軸采用同樣材料制作,低壓軸的安全系數顯然小于高壓軸的。當然,設計時一定要保證低壓軸有一定安全系數,確保能正常工作。

但是,發動機在工作中,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 154三發客機在廣州起飛時,裝在機尾中部的發動機,由于裝在高壓壓氣機轉子內的鈦合金空氣導管突然失穩向內變形,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,發動機工作中將大鳥或跑道上的大塊輪胎碎片(其他飛機在起飛或著陸時磨壞而遺留在跑道上的輪胎碎塊)吸入,風扇葉片又未能將它們切碎,碎片卡在風扇葉片與靜子之間,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難性事故。因為一旦低壓渦輪軸折斷,低壓渦輪轉子與風扇轉子之間,就失去機械聯系,低壓渦輪失去負荷。此時,高溫燃氣仍繼續流入低壓渦輪中膨脹做功,失去負荷的低壓渦輪就會急劇增速以至飛轉,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,擊穿渦輪機匣后如打到飛機要害構件或系統,就會給飛機帶來災難性事故。前述的圖154低壓渦輪軸斷裂故障中,幸好是中間的發動機發生的,發動機外圍沒有飛機關鍵構件與系統,因而只是機尾嚴重損壞而沒有造成飛行事故。但1987年5月3日,在波蘭卻發生了一件類似的故障,其后果卻不同。

 
　
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