工作叶片采用减振块防止叶片损坏，压气机与涡轮工作叶片在工作中,因为振动问题而出现裂纹与掉块的事件,在国内外发动机中是屡见不鲜的。有的发动机原来没有问题,但在投入使用较长时间后也出现振动问题。
例加F404发动机,在投入使用后累积工作时数达到100万小时时,高压压气机第1与第3级工作叶片出现共振而断裂的故障,引起钛机匣着火并造成飞机失事。为此,在发动机研制中,应很好地解决叶片振动问题。在叶根处采用减振块是一些新型发动机中采用的一种办法。
例如,CFM56 3型发动机中,风扇叶片采用了叶身凸肩以防止叶片振动与提高抗外物打击的能力,但在其衍生发展型CFM56 5中,除保留风扇叶片的叶身凸肩外,还在叶根与叶身底座间安装了减振块如图6所示。
图6、 CFM56风扇叶片减振块
RB211系列发动机中,高压涡轮工作叶片采用了叶冠结构,这在大型发动机中是独特的,因为其他发动机的高压涡轮工作叶片均未采用带叶冠的结构,按理,叶片带冠是解决叶片振动问题的一种办法。但是,在该系列发动机中,均在高压涡轮工作叶片的延长根处安装了减振块,如图7所示。
俄罗斯的计算分析表明,在叶根处采用带干摩擦的减振块后,可使振动应力减小50%~70%。
普惠公司在解决PW4084发动机高压压气机工作叶片振动应力过大的问题,将前4排静子叶片在上下两半机匣中的叶片数目做成不一致,且相邻级中,前排做成上半叶片多,后排做成下半叶片多,如表1所示。采用这样的配置后,使1、3与4级工作叶片的振动应力降低了30%。
图7、RB211高压涡轮工作叶片的减振块
在低压涡轮轴上,一定要设防止涡轮轴突断后转子进入飞转的措施,国内曾出现过由于没有采取该措施而造成影响极大的灾难性事故,这个耗费了极大代价的教训,在今后发动机的设计中,一定要吸取。
在现有发动机中,薄壁套筒在发动机上用得较多,例如 Д30KY(苏制发动机,用于图154与伊尔62 等客机上),F404、F110和 CFM56 等发动机上均采用了长而薄的钛合金做的套筒。薄壁套筒最易在外压作用下失稳。在设计中,套筒除要求有足够的失稳储备外,还应考虑其他可能导致提前失稳的因素,例如材料质量、加工质量与不慎造成的划伤损伤等。
另外,还要考虑在某些意外情况下外压突增的可能性,而相应地采用一些必要的措施。例如,沿长度上隔一定距离做一加强肋环,或用锻件机械加工成厚度稍大的套管等。另外,还应在发动机总体设计中,采取措施防止可能出现的外压突升。
由于上述发动机中的薄壁套筒均装在高压转子内,套在低压轴外,在工作中如出现外压失稳,会与低压轴相磨,能造成不可估量的严重故障,这已被国内的使用情况所证实。
表1、PW4084高压压气机前4排静叶不对称配置
注意高温部件中的热匹配，在发动机内的高温部件中,设计时,不仅要考虑零件材料的高温机械性能,使零件在高温条件下具有足够的强度与耐久性,而且要考虑该零件与其相邻零组件间的热匹配问题。
所谓热匹配问题,系指两相配的零件,在工作温度发生变化时,两者应做到基本变形一致,即当温度上升或降低时,在配合处两零件的膨胀量或收缩量基本一致,否则,在配合处或出现过大过盈量或过大的间隙,使发动机正常工作被损坏。
在航空发动机的高温部件中,不仅停车与工作时温度差别很大,发动机工况变化特别是急剧变化时,温度变化也很大。当温度发生变化时,相互配合的零组件(转子内的零件,静子内的零件,或转子与静子间的零组件),或由于材料不同,线膨胀系数不同,或由于温度分布不均各零件的温度不同,或由于这两种原因同时存在,使各零件膨胀或收缩不同,出现不匹配现象。
例如,配合处的配合性质变化,使过盈量大增,零件内产生过大的热应力;或过盈量减少,甚至出现大的间隙,零件间的定心破坏。又如,两环形零件沿圆周处在几处配合,如果当温度变化时两零件的膨胀、收缩不一致,不仅会使配合性质变化,而且还可能使零件变形。
又如,涡轮导向器与工作叶片表面上喷涂隔热涂层,这已是现代发动机常用的一种防护措施,但是,如果涂层材料与基体材料热匹配不好,工作时,在两个材料上均作用一热应力。
这种由于热不匹配在零件上产生的热应力,是发动机每工作一次,或油门突变一次就产生一次的,因此这种热应力会引起零件低循环疲劳,造成一些故障。例如,叶片上的涂层如果两者间热不匹配,发动机短期工作可能不会出现问题,但当发动机工作时间长了以后,就会出现涂层脱落问题。例如,PW2037发动机中就曾出现过长期工作后隔热涂层脱落而不得改用涂层的事。
结构设计中避免出现死腔，除非有特别需要外(这是很罕见的),在发动机结构设计中不允许有死腔。所谓死腔系指密闭的、与外界无气路相通的腔室。发动机工作时,内部各处的温度比停车时高,特别是从压气机后几级起,越后越高。
另外,即使在某一位置处,随着工况的改变,温度也会变化,如果在发动机内部有一死腔,发动机每经过一次启动—停车循环,该死腔内的气体压力就有一次增加—降低的过程,也即反反复复作用于该腔腔壁一定的负荷,易出现低循环疲劳。
另外,如果温升过大,腔内压力突增,也易引导起腔壁变形、鼓包与破裂。例如,装销钉的孔做成盲孔,销钉装入后,工作时随着温度升高内腔压力也增加,严重时会将销钉顶出。
国内外发动机由于死腔结构在使用中出现问题,引起发动机发生严重故障,甚至引起空中停车的事件,提醒设计者在发动机结构设计时注意不要出现死腔。
涡轮盘上不开螺栓孔，在一些发动机的涡轮中,常在涡轮盘上开多个螺栓孔,用以与涡轮轴连接(如 РД 33与АЛ 31Ф),或用以将2级轮盘连接起来(如JT9D7R4与PW2037),或用以固定将工作叶片限制在轮盘内的前、后挡板(如CFM562、3,CF6 80C2与CF6 80E1)。
涡轮盘上开螺栓孔,特别是外缘处开孔不仅对轮盘削弱,而且在工作中会成为一个易引发故障的根源;另外螺栓的两端头,随轮盘一起旋转时,会搅动周围的气体,不仅增加了阻力,还使轮盘处的工作温度上升。因此,在结构设计中,最好不在涡轮盘上开螺栓孔,改用其他结构。
例如,CFM56 5型发动机的高压涡轮转子中,将固定前、后挡板的方式做了改动,没有采用在CFM562与 3型中所用的螺栓连接方式,改用了类似高压锅锅盖的连接方式。在 GE公司最新发展的 GE90发动机中,也采用了这一结构。PW4000与 V2500等发动机的高压涡轮盘也采用了类似的结构。
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