发动机设计得越复杂,零件数目越多,就越易出问题。为了提高发动机的可靠性,同时也为了简化维修工作,应在发动机设计中,尽量简化结构,减少零件数目。当然,这必然是采用先进技术后才能达到的。

例如,当有了大型的电子束焊或摩擦焊设备后,压气机转子做成焊接的一体结构才有可能;采用粉末冶金的涡轮盘后,不仅可使盘的耐温能力提高,而且强度也可提高,使发动机转速提高,为达到同样总压力比的发动机其级数可以减少;压气机中采用先进的可控扩散叶型后,叶片数目约可减少1/4等。

以GE公司为例,它发展的两代战斗机用的发动机J79(用于F-4鬼怪式)与F(用于F/A18),推力级基本相同,但F的压气机级数与涡轮级数分别比J79的少7级与1级,即发动机总级数少8级,整台发动机的零件数少2/3,加上采用了许多其他措施后,F的可靠性比J79提高了4倍。

又以普惠公司为例,年中投入营运的PW发动机,与年中投入营运的JT9D7R4发动机相比,它们的外廓尺寸与推力级基本相同,但零件数目却由5万件降为2.5万件,即减少了50%。

总的零件数目的减少是由于:风扇叶片数少11%,增压压气机叶片数少32%,高压压气机叶片数少27%,高压涡轮叶片数少43%,低压涡轮叶片少9%,即叶片总数少了24%;各种安装边少了20个,其中外部机匣安装边少4个,内部转子安装边少8个,静子安装边少9个;各种紧固件少个,各种管子及相应的托架、卡箍等少30%等。

与PW发动机推力级基本相同的同代发动机CFC2与RBG/H,零件的总数也比JT9D7R4的少,分别为与件。

欧洲战斗机“台风”EF(属于三代半战斗机)用的EJ发动机,与用于欧洲“狂风”战斗机(属于第三代战斗机)的RB发动机相比,推重比提高了1.34倍,总级数却由16级减为10级。

留有较大的温度裕度

航空发动机涡轮前燃气温度对发动机性能、可靠性和耐久性有很大关系,温度高,性能要好,但可靠性与寿命却大大受影响。在以往的发动机研制中,往往是尽可能地充分发挥涡轮叶片的耐高温能力,使发动机设计性能较高,但却使发动机的适应性不佳,工作可靠性差,寿命短。

现在发展的一些发动机,在设计中,对涡轮前燃气温度的选用上,留有较大的裕度,使发动机长期处于温度稍低的条件下工作。这样,不仅可以提高保持起飞推力的大气温度(早期的发动机,保持起飞推力的大气温度为15℃,目前的发动机,多在33~40℃),发动机热端部件的寿命可以长,具有应急时提高发动机推力的能力,而且可以提高发动机的可靠性。

以下列出几种发动机留有的温度裕度情况。

(1)RB:正常使用时的燃气温度低于定型的温度~℃,而定型时的温度与材料允许的(即红线)温度尚有一定裕度。

(2)RBE4:实际使用时的燃气温度比定型时低℃。

(3)V0:温度裕度有~℃,随起飞时大气温度而变。

(4)CFM56:正常使用时的燃气温度低于定型的℃。

(5)FGE:生产型发动机平均低于红线温度值℃。

(6)РД33:涡轮前燃气温度设计值为K,允许超温℃,实际可达K。

发动机设计时,应考虑到有些零组件或子系统一般不易出问题,但是一旦出问题后,会引起发动机出现较大的或灾难性的故障,就应采取一些防止出现这些灾难性故障的措施。在设计中采取的这些措施称为安全设计。

防止低压涡轮轴在工作中折断后,低压涡轮转子进入飞转状态的措施,就是涡扇发动机设计时,必须采用的安全设计之一。

众所周知,低压涡轮轴由于套装在高压涡轮轴内,其直径比高压轴小,但它的转速却低于高压转子的转速,随着发动机涵道比的增加,其转速差也越大,但它传递的功率却比高压涡轮轴大,特别在高涵道比涡扇发动机中。

由此可见,低压涡轮轴由于传递功率大,转速低,它承受的扭矩比高压轴大很多;加上直径小于高压轴,因此低压涡轮轴上承受的剪切应力远大于高压涡轮轴,如果两轴采用同样材料制作,低压轴的安全系数显然小于高压轴的。当然,设计时一定要保证低压轴有一定安全系数,确保能正常工作。

但是,发动机在工作中,会由于某些偶然因素,使低压轴折断。例如,在其他零件损坏后,使低压轴与高压转子相磨碰,低压轴受损而断裂等。

年5月30日,中国民航的一架图三发客机在广州起飞时,装在机尾中部的发动机,由于装在高压压气机转子内的钛合金空气导管突然失稳向内变形,将低压涡轮轴磨出了一道较深的磨痕,使低压轴折断,即是一例。

又如,发动机工作中将大鸟或跑道上的大块轮胎碎片(其他飞机在起飞或着陆时磨坏而遗留在跑道上的轮胎碎块)吸入,风扇叶片又未能将它们切碎,碎片卡在风扇叶片与静子之间,对低压涡轮轴形成了一个很大的刹车力,造成低压轴上的反扭矩突增,会将低压轴拧断等。

当然,这种低压涡轮轴突然折断的概率是极小的,几年甚至十几年不一定遇到,但是一旦不幸遇到就会带来灾难性事故。因为一旦低压涡轮轴折断,低压涡轮转子与风扇转子之间,就失去机械联系,低压涡轮失去负荷。此时,高温燃气仍继续流入低压涡轮中膨胀做功,失去负荷的低压涡轮就会急剧增速以至飞转,此时,工作叶片与轮盘所受的离心力急剧增(因为离心力是与转速的2次方成正比),大大超出其允许值,叶片会由根部处折断高速甩出,轮盘也会四分五裂甩出。

甩出去的碎片能量很大,击穿涡轮机匣后如打到飞机要害构件或系统,就会给飞机带来灾难性事故。前述的图低压涡轮轴断裂故障中,幸好是中间的发动机发生的,发动机外围没有飞机关键构件与系统,因而只是机尾严重损坏而没有造成飞行事故。但年5月3日,在波兰却发生了一件类似的故障,其后果却不同。

当时,一架装有与图所用发动机基本相同发动机的伊尔62客机在华沙起飞时,突然发生了低压涡轮轴折断故障使低压涡轮转子进入飞转状态,低压涡轮转子四分五裂,其飞出的碎片打坏飞机结构,结果造成了波兰航空史上最大的空难———机上人员全部死亡的灾难性事故。

另外,普惠公司的JT8D小涵道比涡扇发动机,由于4号与5号轴承滑油腔着火造成低压涡轮轴或联轴器折断的重大故障,在年~0年间共出现过28起(参见“JT8D发动机4、5号轴承滑油腔着火造成涡轮轴或联轴器折断故障”)。

对于这种一般不易出现,但可能偶然会出现,而出现后又会带来严重后果的故障,除了要采取一些必要措施防止它出现外,还应采取必要的安全设计,避免出现这类故障后造成灾难性的事故。在上面所举的例子中,就应在设计中采取防止低压涡轮转子在断轴后进入飞转的措施,这就是安全设计。

我国曾在20世纪70年代将涡桨6发动机改型成火车的动力涡动6发动机,在一次牵引多节货车的试验运行中,由于供给减速箱的滑油供油中断,造成齿轮咬死,将动力涡轮轴扭断。由于在动力涡轮中未采用防飞转的安全设计,燃油继续供向燃烧室,使动力涡轮飞转,导致涡轮盘破裂,叶片及轮盘碎片打穿机匣及机罩,并击穿置于机罩上方的滑油箱,滑油下流,引发机组起火燃烧,整个燃机毁于一旦,此惨痛教训说明采用安全设计的必要性。

图3、PW低压涡轮结构图

现在绝大多数涡扇发动机中,均采用了防止低压涡轮转子在断轴后进入飞转的安全设计。常用的有两种方法。其一是断轴后,立即将进入发动机燃烧室的燃油全部放掉,形成不了高温燃气,因此低压涡轮转子不会飞转,这是从根本上来解决的措施。

其二是机械刹车防止转子飞转,它是将转子工作叶片与静子叶片的相对位置设计成:当断轴后转子在燃气轴向力作用下向后轴向移动,两种叶片相互卡咬,起到刹车作用,例如PW发动机即采用这种措施,如图3所示。

对于紧急放油措施,在现有发动机中有两种方法:在JT15D发动机中如图4所示,是在低压涡轮后轴的后端设有一顶块,在后轴承机匣内相应位置处设有一摇臂,摇臂一端用钢索与设在燃油总管的紧急放油活门相连,另一端与转子上的顶块保持一定间隙。正常情况下,顶块与摇臂绝对不会相碰,但一旦低压涡轮轴突然折断时,转子在燃气作用下快速向后移动,顶块顶到摇臂上,钢索将放油活门急速拉下,高压燃油被快速放掉。

图4、JT15D防低压转子飞转装置

在斯贝与RB等发动机上,同样采用了类似于JT15D的顶块与摇臂结构,但是顶块的移动是利用了一般车床上刀架行车结构。具体结构如图5所示,在低压涡轮轴内装有滑油管,滑油管前端与风扇轴的前端固紧。后端装有一多头外螺纹的衬套,涡轮后轴内活动地装有带顶块的衬套。

衬套外径上开有一条纵向槽,轴上装有1个插到衬套纵向槽中的止动销,也即衬套可在涡轮后轴内轴向移动而不能转动。带顶块的衬套内径上作有多头内螺纹,与装在滑油管上的衬套外螺纹相啮合。当低压涡轮轴折断时,断口前方的转子转速会下降以至最终停转,与此同时,和风扇轴固紧的中心滑油管转速会逐渐下降。而断口后方的转子转速会上升,也即顶块的转速会上升。

这时,顶块与中心滑油管间的螺纹连接处,内外螺纹件间有相对转动,但内螺纹所在的顶块衬套被止动销卡在低压涡轮后轴上,因此顶块快速向后移动,顶到摇臂上,将钢索下拉,放油活门被打开,使高压燃油快速放掉。

在采用全功能数字式电调(FADEC)装置的发动机上,通过电调装置来限定低压转子转速,当发生断轴、低压转子转速要超转时,调节装置将自动切断供入燃烧室的燃油,使转子滞止下来。

另一个安全设计的例子是RB系列发动机风扇轴内的保持轴。在现有高涵道比、大推力涡扇发动机中,除RB系列(包括它的衍生发展型———遄达发动机在内)发动机外,大多数发动机中,悬臂支承的风扇转子,紧靠风扇盘后均采用一个大的滚珠轴承支承转子,这种设计能够使得当低压涡轮轴或风扇轴突然折断时(发生的概率极小),带风扇叶片的风扇轮盘会被滚珠轴承保持在发动机中而不会甩出发动机。

图5、斯贝防低压转子飞转装置

但是,在RB系列发动机中,紧靠风扇轮盘后面采用了一个大的滚棒轴承,而滚珠轴承则装在风扇轴的后端,在这种布局的设计中,当风扇轴折断时,带风扇叶片的风扇轮盘,会在流过风扇叶片的气流作用下产生向前的轴向力,拉离发动机而甩出。

为此,罗·罗公司采用了一种安全设计,在风扇轴内装了一根保持轴,当风扇轴折断时,通过保持轴将风扇转子向前的轴向力由后面的滚珠轴承承受,使风扇轮盘不致甩出发动机。

RB发动机在使用中,于年曾接连发生过三次由于支承风扇转子的轴承的润滑不良等原因引起风扇轴折断的事件。在这三次事件中,保持轴均未能将风扇轮盘保持在发动机中,因此,后来又将保持轴进行了改进(参见“RB22B再次出现风扇盘甩出的故障”)。

滑油系统中设置的最低滑油压力警告灯也是安全设计之一。

国内外在研制与使用发动机中,由于没有采用必要的安全设计措施而带来重大的或灾难性事故的事实说明,在发动机研制中,采取必要的安全设计是提高发动机可靠性的措施之一。