為確保研製的發動機能可靠工作,需對發動機主要零部件進行大量部件及整機試驗,以考核設計、製造和選材等方面是否能滿足要求。同時,通過試驗,還能暴露出原設計中的不足之處並予以改進,以不斷提高發動機的性能與可靠性。試驗工作越多、越深入,發動機的可靠性就越有保證。
為此,在發展一種發動機時,需進行大量部件與整機試驗,一般需用10~20臺發動機進行大約一萬餘小時試驗,十萬餘小時的部件與附件試驗。因此,發展一種新發動機,耗費極大,一般需耗資10億美元以上。
例如,F101發動機的核心部分的發展歷時12年,耗資10億美元。V2500發展費用約10~12億美元。20世紀80年代後期發展但未投入使用的 UDF(無涵道風扇發動機)估計約為20億美元。斯貝 RB163 1型發動機在定型前完成了6594h的臺架試驗。
普惠公司的PW4000系列發動機(1986年6月定型)在定型前為取得適航證共進行過75項試驗,其中包括:24項發動機整機試驗,19項試驗器上的主要零件試驗,32項部件試驗,另外還有2個飛機飛行試驗計劃。地面試車中用了6臺發動機,飛行試驗用5臺發動機,即為定型用的發動機共11臺,另外還有3臺發動機在定型後繼續進行“定型後加速循環試驗”(PACER)。
以下列出了PW4000發動機整機試驗24項的內容:150h耐久試驗,最大排氣溫度(525 ℃),最大低壓轉子轉速(4012r/min),最大高壓轉子轉速(10300r/min),循環耐久性,海平面工作,高空工作,風扇/低壓壓氣機(增壓壓氣機)應力(103%N1),低壓渦輪應力(103%N1),超溫42 ℃,風扇葉片脫落(即包容性試驗),吸水與吸入冰塊(12.7mm×304.8mm×304.8mm),吸入0.681kg的中等鳥與吸入1.861kg的大鳥,結冰,放氣,海平面冷卻,高空冷卻,假啟動,排氣的排放物測定,高壓壓氣機應力(103%N2),高壓渦輪應力(103%N2)等試車。
發動機的轉子特別是高溫渦輪盤的可靠性對發動機的工作可靠性有很大的影響,所以在發動機研製中,一定要對它進行長期的試驗,特別是低循環疲勞試驗。普惠公司專門有一個“轉子設計系統”來改進轉子的設計,並通過試驗來確定轉子的低循環壽命。
到20 世紀90 年代初,該“轉子設計系統”已進行過14000個試件的試驗,1380個全尺寸輪盤的試驗,300000試驗發動機的循環考驗以及3500臺使用發動機的運行檢驗,因而得到了較長壽命(低循環疲勞壽命)的高壓渦輪輪盤。發動機在工作中吸入外來物(鳥、冰雹和輪胎碎塊等)以及長的風扇葉片被外物打斷的碎片,是危及發動機安全工作的一個重要因素。
為此,在設計中要提高風扇轉子抗外來物打傷(FOD)的能力以及風扇機匣具有能將從葉根處斷裂的風扇葉片碎片包容在發動機內部的包容能力(為此,風扇部件中,包在風扇葉片一週的機匣專門稱之為“包容環”)。
在發動機研製後期,需對發動機進行外物吸入(或稱吞嚥)試驗以及包容試驗(又稱風扇葉片脫離試驗)。這些試驗既危險又費錢,試驗時還需適航管理部門專門派人監督進行。
例如CFM56研製中,為了通過適航管理部門的吞鳥試驗,在正式鑑定試驗前,共用了3臺發動機進行了長達4年的吞嚥外物試驗,在試驗中共損壞風扇葉片350片,一套低壓壓氣機。通過多次試驗,不斷改進,最終才達到要求。
為保證發動機安全與可靠工作,發動機應具有較好的包容能力,即轉子上的葉片由根部折斷後,其斷片應被包容在發動機內部而不能擊穿機匣外逸,因為外逸的斷片會對發動機外部管路、附件和飛機結構造成後果嚴重的二次損傷。在發動機中,風扇葉片不僅最長,工作時產生的離心力也最大,而且處於發動機進口處,極易受到外物打擊而折斷,如果它從根部折斷,斷片撞擊機匣的撞擊能量非常大,因此需採用能將碎片包容在發動機內部的包容環。
包容環是否能起到作用,需在發動機試車中予以考核。試驗時,發動機以最大轉速工作,將埋在葉根處的雷管引爆炸斷葉片,斷片應被包容在發動機內部,在15min內發動機未著火,可人為地將發動機停車,安裝節沒有脫落等,這樣,該發動機即通過包容試驗。由上述的試驗內容可以看出,包容試驗是既費錢又危險的試驗,即使試驗成功,一臺發動機也完全報廢。
因為,風扇葉片的碎片會打壞其後部的零件,後面零件的碎片往後流動的過程中,又會打壞更後面的零件,最後,發動機內部被打得面目全非成為廢物一堆。如果試驗不成功,風扇葉片碎片擊穿機匣外逸,會打壞試車臺臺架設備,如將臺架中的燃油與滑油管路打斷,引起臺架失火等,其損失就更大了。一般包容試驗均在其他所有試驗均已通過後,最後進行。
應注意的是,發動機應具有包容能力是指能包容住葉片斷片的能力,如果在工作中,輪盤破裂,其破裂的斷塊重量很大,發動機是不可能將它們包容住的,對於這種可能出現的災難性故障,只能由設計及輪盤零件的超轉試驗予以保證。同時要在低壓轉子中設置防止轉子飛轉的措施。
目前用於大型客機的幾種高涵道比渦扇發動機,雖然對抗外來物擊傷的能力及包容能力從設計到試驗方面均做了大量工作,但由FOD引起的和由葉片斷裂轉子破裂後碎片未包容住的事仍有發生。根據1980年末期統計,由 FOD引起的拆換髮動機概率在三種發動機中是:
JT9D 7 為0.027 次/1000 EFH,CF6 50 為0.0285 次/1000 EFH,RB211 524 為0.019次/1000EFH,即平均35000~53000飛行小時會有一次。非包容事件發生的概率是每一百萬飛行小時中,JT9D 7有5.2次,CF650有4.3次,RB211 524有1.0次。隨著技術的發展,發動機的不斷改進,到20世紀90年代後期,新研製出的發動機,非包容事件發生概率已很低了。
例如遄達892 17發動機在2001年1月31日飛機起飛過程中,1片風扇葉片從葉根處斷裂,打壞發動機,但葉片碎片被包容在發動機內部,未對飛機造成嚴重的二次損傷即是—例(參見“用於波音777的三型發動機出現的一些故障”)。
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