陈光/文
任何产品的可靠性是它本身所具有的属性,是由产品的设计与制造得到的,对于航空发动机也是同样的。由于发动机在飞机中的重要作用与突出地位,为保证飞机飞行安全,对发动机可靠性的要求越来越高,因此需要不断提高其可靠性。在美国军用标准MILE 87231《航空涡喷涡扇发动机军用规范》第3节“要求”中,对发动机提出的主要4项要求是“性能、适用性、可靠性和维修性”,用规范的条文将发动机可靠性的要求做了明确规定,从另一方面表明了发动机可靠性的重要意义。
为了提高发动机固有可靠性,需采用各种较好的先进的气动与结构设计,新的技术,先进的工艺方法,好的金属与非金属材料,特别是好的、能耐高温的耐热合金,完善的试验手段与试验技术等。本文汇总国外一些典型的与较先进的航空发动机在研制与发展过程中采取的一些提高可靠性的措施以及发动机主要零组件或部件采取的提高可靠性的具体措施,为今后发动机研制提供一些参考依据。
航空燃气涡轮发动机已有半个多世纪的发展历史,国内外已有丰富的设计、发展与使用经验,进入20世纪90年代后,更达到较高的水平。按理,在掌握丰富的经验基础上,发动机在研制与使用中不会出现严重的和/或影响较大的故障,应能很可靠地工作。但是,不论是成熟的发动机,还是新研制的发动机,仍然频繁地出现一些影响发动机可靠工作的故障,有的甚至造成了非常严重的后果,例如:
(1)F110发动机高压涡轮篦齿封严环断裂。1994年7月至9月,装F110发动机的F16 战斗机,由于发动机高压涡轮轴后端的封严篦齿环断裂,造成摔掉4架飞机的严重事故,从而引起350架F16战斗机(美国150架、美国国外200架)停飞的大事件,以便更换改进的涡轮轴。
(2)F101发动机风扇叶片甩出。由于F101 发动机于1990 年底连续发生两次风扇叶片锁紧用的卡环折断,造成风扇叶片甩脱引起发动机着火的事件,使得美国空军97架B1轰炸机在1991年1月17日海湾战争中为期6周的“沙漠风暴”空袭行动,未能参战。
(3)F404发动机钛机匣失火。F404发动机在使用100 万小时后,于1987年连续发生几起钛合金叶片断片(由于叶片振动造成断裂)卡在机匣与转子叶尖间,引起钛着火使发动机失火,造成当年损失4架F/A 18战斗/攻击机(占当年损失飞机总数的40%)的严重事故。
(4)F100发动机低压涡轮叶片断裂。1993年4月到1994年6月,有4架装F100发动机的F15E战斗机,由于发生低压涡轮叶片断裂的严重故障,使飞机迫降。经研究,是叶片根部强度不够,当飞机在低空高速飞行时,叶片上的振动应力与过大的气动负荷促使叶片产生裂纹而引起的。为此,约有75架F15E战斗机停飞,以便更换叶根加宽的叶片与轮缘加厚的轮盘。
(5)GE90发动机焊接螺钉座断裂。1996年底,用于波音777的GE90发动机,由于高压压气机出口飞机引气环安装边上的焊接螺钉孔座断裂,断块由4级引气环回流到压气机气流通道中,打坏第4级工作叶片,虽未造成空中停车事件,但已使8台发动机提前从飞机上卸下,送回工厂修理,其返修率达到0.174次/1000EFH∗。
(6)遄达700发动机传动齿轮轴承缺油。1997年5月中旬,正值香港回归祖国前夕,大批旅游人士前往香港参加世纪盛典之际,香港的国泰航空公司与港龙航空公司于5月24日宣布他们所有的15架 A330客机全部停飞,影响数万名旅客的旅行计划。
装遄达700的 A330于1994年底取得适航证,香港国泰航空公司于1995年3月开始使用,后来港龙也使用该机。由1996年11月以来,这两家公司的 A330发生过5次空中停车,都是由于传动附件机匣的垂直传动轴失效造成的。经分析研究得出,附件机匣中支承与垂直传动轴啮合的锥齿的止推轴承润滑不足,工作中轴承温度过高,造成轴承与传动轴先期疲劳而失效,是引起空中停车的原因。在这几起停车事件中,在滑油回油管中的磁屑末检测器(MCD)中均发现了金属屑末。后用遄达800的设计对此做了修改,试验表明,改进后,轴承的工作温度由170℃降到120℃。附件机匣改装后,A330于1997年6月中恢复航班飞行。
(7)飞机多余物造成F22首飞延误。美国第四代战斗机F 22“猛禽”01架于1997年4月9日出厂,原计划在完成一系列地面试验后,于5月27~29日首飞。但在地面试验中,出现燃油箱漏油与 APU(辅助动力装置)的滑油压力降低与温度上升的两个故障。
经排除后,于6月中旬进行发动机装在飞机上开车试验,开车试验情况比较好,但在试车后进行例行的检查时,通过孔探仪发现右侧的发动机(F119 PW 100)中,3级风扇及第1级高压压气机的工作叶片有被外物撞击的轻微伤痕,在飞机上无法修复这些叶片,只得将该发动机从飞机上卸下,换上一台新发动机,因而进一步延误了首飞日期。
经检查,飞机生产过程中残留于机体内的铆钉头与断片等飞机的“多余物”,在发动机工作时,被发动机吸入,成为发动机的“外来物”而打伤叶片,是造成飞机首飞延误的原因。在对飞机内腔进行了细致与全面的再检查后,于6月18日恢复了地面试车。F-22最后于1997年9月7日进行了具有历史意义的首飞,比预计日期晚了100余天。
上述几个事例所列举的发动机,均是被公认为当今最好的发动机,除 GE90与F119是20世纪90年代新研制的外,其他4型:F100、F101、F110和 F404是已经很成熟的发动机,且均积累了大量使用时间,但仍然逃脱不了出现严重故障的困境。
究其原因,主要在于航空发动机特别是高性能的发动机工作条件不仅十分恶劣而且多变,研制者不可能将在飞行中所遇到的各种问题都考虑到,这样就会在某些特殊条件下,诱发出某些在正常情况下不会出现的严重故障,从而大大影响发动机的可靠工作,对飞机的飞行安全带来危害。
当前,发动机结构与强度设计已达到较高的水平,发动机主要零组件从总体来看,一般不会出现什么大的问题,出问题的往往是一些比较细小与易被人们忽略的地方,或者是尚未被设计者们认识到的问题。
在前者中,例如容腔中未设卸压孔造成死腔、主轴台阶转接处圆角不够大、轴承游隙选用不当、锁紧叶片用的卡环强度不够与热部件中零件间的热匹配考虑不周等;在后者中,例如锥形齿轮在某一工况下出现行波谐振造成齿圈断裂、篦齿封严环自激振动造成断裂与冷却气流在轮盘中流过所产生的声波振荡,引起轮盘激振使盘上小孔裂纹等。
所有这些,只要当它们一出现,就可能造成大故障,引起发动机不能正常工作,对飞机的飞行带来极大的影响。
为提高发动机的可靠性,在发动机结构设计中,应全面考虑各方面的问题,精心设计,特别要重视以往发动机在研制与使用中的经验教训,举一反三采取相应措施,避免类似的故障在新的设计中或改型的设计中出现。
同时,应在设计中广泛采用先进技术包括气动、结构、材料、工艺、涂层和调节等方面经过验证过的新技术与新成果,使设计的发动机性能优良,结构简单,零件数少,可靠性高。
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