工作葉片採用減振塊防止葉片損壞，壓氣機與渦輪工作葉片在工作中,因為振動問題而出現裂紋與掉塊的事件,在國內外發動機中是屢見不鮮的。有的發動機原來沒有問題,但在投入使用較長時間後也出現振動問題。
例加F404發動機,在投入使用後累積工作時數達到100萬小時時,高壓壓氣機第1與第3級工作葉片出現共振而斷裂的故障,引起鈦機匣著火併造成飛機失事。為此,在發動機研製中,應很好地解決葉片振動問題。在葉根處採用減振塊是一些新型發動機中採用的一種辦法。
例如,CFM56 3型發動機中,風扇葉片採用了葉身凸肩以防止葉片振動與提高抗外物打擊的能力,但在其衍生發展型CFM56 5中,除保留風扇葉片的葉身凸肩外,還在葉根與葉身底座間安裝了減振塊如圖6所示。
圖6、 CFM56風扇葉片減振塊
RB211系列發動機中,高壓渦輪工作葉片採用了葉冠結構,這在大型發動機中是獨特的,因為其他發動機的高壓渦輪工作葉片均未採用帶葉冠的結構,按理,葉片帶冠是解決葉片振動問題的一種辦法。但是,在該系列發動機中,均在高壓渦輪工作葉片的延長根處安裝了減振塊,如圖7所示。
俄羅斯的計算分析表明,在葉根處採用帶幹摩擦的減振塊後,可使振動應力減小50%~70%。
普惠公司在解決PW4084發動機高壓壓氣機工作葉片振動應力過大的問題,將前4排靜子葉片在上下兩半機匣中的葉片數目做成不一致,且相鄰級中,前排做成上半葉片多,後排做成下半葉片多,如表1所示。採用這樣的配置後,使1、3與4級工作葉片的振動應力降低了30%。
圖7、RB211高壓渦輪工作葉片的減振塊
在低壓渦輪軸上,一定要設防止渦輪軸突斷後轉子進入飛轉的措施,國內曾出現過由於沒有采取該措施而造成影響極大的災難性事故,這個耗費了極大代價的教訓,在今後發動機的設計中,一定要吸取。
在現有發動機中,薄壁套筒在發動機上用得較多,例如 Д30KY(蘇制發動機,用於圖154與伊爾62 等客機上),F404、F110和 CFM56 等發動機上均採用了長而薄的鈦合金做的套筒。薄壁套筒最易在外壓作用下失穩。在設計中,套筒除要求有足夠的失穩儲備外,還應考慮其他可能導致提前失穩的因素,例如材料質量、加工質量與不慎造成的劃傷損傷等。
另外,還要考慮在某些意外情況下外壓突增的可能性,而相應地採用一些必要的措施。例如,沿長度上隔一定距離做一加強肋環,或用鍛件機械加工成厚度稍大的套管等。另外,還應在發動機總體設計中,採取措施防止可能出現的外壓突升。
由於上述發動機中的薄壁套筒均裝在高壓轉子內,套在低壓軸外,在工作中如出現外壓失穩,會與低壓軸相磨,能造成不可估量的嚴重故障,這已被國內的使用情況所證實。
表1、PW4084高壓壓氣機前4排靜葉不對稱配置
注意高溫部件中的熱匹配，在發動機內的高溫部件中,設計時,不僅要考慮零件材料的高溫機械性能,使零件在高溫條件下具有足夠的強度與耐久性,而且要考慮該零件與其相鄰零組件間的熱匹配問題。
所謂熱匹配問題,係指兩相配的零件,在工作溫度發生變化時,兩者應做到基本變形一致,即當溫度上升或降低時,在配合處兩零件的膨脹量或收縮量基本一致,否則,在配合處或出現過大過盈量或過大的間隙,使發動機正常工作被損壞。
在航空發動機的高溫部件中,不僅停車與工作時溫度差別很大,發動機工況變化特別是急劇變化時,溫度變化也很大。當溫度發生變化時,相互配合的零組件(轉子內的零件,靜子內的零件,或轉子與靜子間的零組件),或由於材料不同,線膨脹係數不同,或由於溫度分佈不均各零件的溫度不同,或由於這兩種原因同時存在,使各零件膨脹或收縮不同,出現不匹配現象。
例如,配合處的配合性質變化,使過盈量大增,零件內產生過大的熱應力;或過盈量減少,甚至出現大的間隙,零件間的定心破壞。又如,兩環形零件沿圓周處在幾處配合,如果當溫度變化時兩零件的膨脹、收縮不一致,不僅會使配合性質變化,而且還可能使零件變形。
又如,渦輪導向器與工作葉片表面上噴塗隔熱塗層,這已是現代發動機常用的一種防護措施,但是,如果塗層材料與基體材料熱匹配不好,工作時,在兩個材料上均作用一熱應力。
這種由於熱不匹配在零件上產生的熱應力,是發動機每工作一次,或油門突變一次就產生一次的,因此這種熱應力會引起零件低循環疲勞,造成一些故障。例如,葉片上的塗層如果兩者間熱不匹配,發動機短期工作可能不會出現問題,但當發動機工作時間長了以後,就會出現塗層脫落問題。例如,PW2037發動機中就曾出現過長期工作後隔熱塗層脫落而不得改用塗層的事。
結構設計中避免出現死腔，除非有特別需要外(這是很罕見的),在發動機結構設計中不允許有死腔。所謂死腔係指密閉的、與外界無氣路相通的腔室。發動機工作時,內部各處的溫度比停車時高,特別是從壓氣機後幾級起,越後越高。
另外,即使在某一位置處,隨著工況的改變,溫度也會變化,如果在發動機內部有一死腔,發動機每經過一次啟動—停車循環,該死腔內的氣體壓力就有一次增加—降低的過程,也即反反覆覆作用於該腔腔壁一定的負荷,易出現低循環疲勞。
另外,如果溫升過大,腔內壓力突增,也易引導起腔壁變形、鼓包與破裂。例如,裝銷釘的孔做成盲孔,銷釘裝入後,工作時隨著溫度升高內腔壓力也增加,嚴重時會將銷釘頂出。
國內外發動機由於死腔結構在使用中出現問題,引起發動機發生嚴重故障,甚至引起空中停車的事件,提醒設計者在發動機結構設計時注意不要出現死腔。
渦輪盤上不開螺栓孔，在一些發動機的渦輪中,常在渦輪盤上開多個螺栓孔,用以與渦輪軸連接(如 РД 33與АЛ 31Ф),或用以將2級輪盤連接起來(如JT9D7R4與PW2037),或用以固定將工作葉片限制在輪盤內的前、後擋板(如CFM562、3,CF6 80C2與CF6 80E1)。
渦輪盤上開螺栓孔,特別是外緣處開孔不僅對輪盤削弱,而且在工作中會成為一個易引發故障的根源;另外螺栓的兩端頭,隨輪盤一起旋轉時,會攪動周圍的氣體,不僅增加了阻力,還使輪盤處的工作溫度上升。因此,在結構設計中,最好不在渦輪盤上開螺栓孔,改用其他結構。
例如,CFM56 5型發動機的高壓渦輪轉子中,將固定前、後擋板的方式做了改動,沒有采用在CFM562與 3型中所用的螺栓連接方式,改用了類似高壓鍋鍋蓋的連接方式。在 GE公司最新發展的 GE90發動機中,也採用了這一結構。PW4000與 V2500等發動機的高壓渦輪盤也採用了類似的結構。
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