航空发动机故障导致波兰航空史上最大的空难 导致183人遇难

2019-11-22 12:47:50

陈光/温

发动机设计越复杂,零件越多,就越有可能出现问题。为了提高发动机的可靠性,同时简化维修工作,在发动机设计中应尽可能简化结构,减少零件数量。当然,这必须在采用先进技术后才能实现。

例如,当有大型电子束焊接或摩擦焊接设备时,可以将压缩机转子制成焊接的整体结构。采用粉末冶金涡轮盘后,不仅可以提高盘的耐温性,还可以提高强度,从而提高发动机转速,减少发动机达到相同总压比的级数;叶片的数量可以减少大约1/4,等等。在压缩机中采用先进的可控扩散叶片轮廓之后。

以通用电气公司为例。通用电气公司为两代战斗机开发的发动机j79(f-4幻影型)和f404(f/a18)推力水平基本相同,但f404的压气机级和涡轮级分别比j79低7级和1级,即发动机总数少8个,整个发动机的零件数少2/3,采用许多其他措施后,f404的可靠性比j79高4倍。

以普惠公司为例。与1982年年中投入运行的jt9d 7r4发动机相比,1986年年中投入运行的pw4000发动机具有与推力水平基本相同的外部尺寸,但零件数量从50,000个减少到25,000个,即减少了50%。

零件总数减少的原因是:风扇叶片减少11%,增压压缩机叶片减少32%,高压压缩机叶片减少27%,高压涡轮叶片减少43%,低压涡轮叶片减少9%,即总叶片减少24%;安装边减少了20个,包括外壳安装边减少了4个,内转子安装边减少了8个,定子安装边减少了9个。紧固件减少2600个,管道和相应的支架和夹具减少30%,等等。

同代发动机cf6 80c2和rb211 524g/h的推力水平与pw4000发动机相同,但零件也少于jt9d7r4,分别为31000和19000个零件。

欧洲战斗机“台风”ef2000(属于第三代半战斗机)使用的ej200发动机的推重比是欧洲“龙卷风”战斗机(属于第三代战斗机)使用的rb199发动机的1.34倍,但总级数已从16级减少到10级。

留下很大的温度余量

航空发动机涡轮前气体的温度对发动机的性能、可靠性和耐久性有很大影响。温度高,性能好,但对可靠性和使用寿命影响很大。在过去的发动机发展中,往往是尽可能充分发挥涡轮叶片的耐高温性能,使发动机具有更高的设计性能,但这使得发动机适应性差,工作可靠性差,使用寿命短。

在现在开发的一些发动机的设计中,为选择涡轮前的气体温度保留了很大的余地,以便发动机可以在稍低的温度下长时间工作。这样,不仅可以提高维持起飞推力的大气温度(在早期发动机中,维持起飞推力的大气温度是15℃,在目前的发动机中,大部分是33~40℃),发动机热端部件的使用寿命可以很长,发动机有能力在紧急情况下提高发动机推力,而且可以提高发动机的可靠性。

以下是几个发动机留下的温度裕量列表。

(1)rb211 524:正常使用时的气体温度比设定温度低130~150℃,而设定温度与材料的允许(即红线)温度仍有一定的余量。

(2)rb211 535e4:实际使用时的气体温度比设置时低250℃。

(3)v2500:温度裕度为100~145℃,随起飞时的大气温度而变化。

(4)cfm56:正常使用时气体温度低于设定值110℃。

(5)f110 ge 100:平均生产引擎比红线温度低110℃。

(6)с33:透平前气体温度设计值为154万,允许超温150℃,实际可达169万

在设计发动机时,应该考虑到一些部件或子系统通常不容易出现问题,但是一旦出现问题,发动机就会发生大的或灾难性的故障,并且应该采取一些措施来防止这些灾难性的故障。设计中采取的这些措施称为安全设计。

防止低压涡轮轴断裂后低压涡轮转子飞动的措施是涡扇发动机设计中必须采用的安全设计之一。

众所周知,低压涡轮轴的直径小于高压涡轮轴的直径,因为它套在高压涡轮轴中,但是它的转速低于高压转子的转速。随着发动机旁通率的增加,其转速差也增加,但其传递功率大于高压涡轮轴,特别是在高涵旁通涡扇发动机中。

可以看出,低压涡轮轴由于其高传动功率和低转速而承受比高压轴大得多的扭矩。此外,直径小于高压轴的直径,因此低压涡轮轴上的剪应力远大于高压涡轮轴上的剪应力。如果两个轴由相同的材料制成,低压轴的安全系数明显小于高压轴的安全系数。当然,设计必须保证低压轴具有一定的安全系数,以保证正常运行。

但是,在运行过程中,由于一些意外因素,发动机会损坏低压轴。例如,在其他部件损坏后,低压轴会与高压转子摩擦,低压轴会损坏和断裂。

1988年5月30日,当中国图154-3的一架民航飞机在广州起飞时,安装在飞机尾部中间的发动机突然变得不稳定,并由于安装在高压压缩机转子上的钛合金风道而向内变形,例如将低压涡轮轴磨削成深磨痕,并折断低压轴。

例如,当发动机工作时,跑道上的大鸟或大块轮胎碎片(起飞或着陆时由于其他飞机的磨损而留在跑道上的轮胎碎片)被吸入,风扇叶片不能再次将其切碎,碎片卡在风扇叶片和定子之间,在低压涡轮轴上形成大的制动力,导致低压轴上的反扭矩突然增加,这将扭断低压轴等。

当然,这种低压涡轮轴突然断裂的可能性极小,可能在几年甚至十几年内都不会发生,但一旦不幸发生,就会带来灾难性的事故。因为一旦低压涡轮轴断裂,低压涡轮转子和风扇转子之间的机械连接将失去,并且低压涡轮将失去其负载。此时,高温气体仍继续流入低压涡轮中膨胀做功,失去负荷的低压涡轮将迅速增加甚至旋转。此时,工作叶片和轮盘上的离心力将急剧增加(因为离心力与转速的平方成正比),大大超过其允许值。叶片将在根部断裂并高速抛出,轮盘将以分裂的方式抛出。

扔出的碎片的能量非常大。如果它在穿透涡轮机壳体后击中飞机的关键部件或系统,将会给飞机带来灾难性的事故。在上述图154的低压涡轮轴断裂故障中,幸运的是,中间发动机发生了,并且在发动机的外围没有飞机的关键部件和系统,因此只有发动机的尾部被严重损坏而没有引起飞行事故。然而,1987年5月3日,波兰发生了类似的失败,后果不同。

当时,一架装备与图154中使用的发动机相同的Il62客机正在华沙起飞,这时低压涡轮轴突然断裂,导致低压涡轮转子进入飞行状态。低压涡轮转子被撕裂,飞来的碎片损坏了飞机的结构。结果,波兰航空史上最大的空难——一场灾难性事故,机上183人全部遇难。

此外,普惠公司的jt8d小旁通比涡扇发动机在1969年至1990年期间,由于轴承油室4和5点火导致的低压涡轮轴或联轴器断裂(参见“jt8d发动机的轴承油室4和5点火导致的涡轮轴或联轴器断裂”)。

对于这种一般不容易发生,但偶尔会发生并带来严重后果的故障,除了采取一些必要的措施防止其发生外,还应采取必要的安全设计,以避免此类故障发生后发生灾难性事故。在上面给出的例子中,应在设计中采取措施防止低压涡轮转子在轴断裂后飞行。这是安全设计。

20世纪70年代,中国将涡轮螺旋桨6发动机改造成火车动力涡轮螺旋桨6发动机。在牵引多节卡车的试运行过程中,减速箱的供油中断,导致齿轮咬死,动力涡轮轴扭断。由于动力涡轮没有采用防旋转安全设计,燃料继续供应到燃烧室,导致动力涡轮旋转,导致涡轮盘破裂,叶片和盘碎片刺破壳体和发动机罩,并刺破置于发动机罩上方的滑动油箱。润滑油向下流动,导致机组着火燃烧,整个燃气轮机被摧毁。这个惨痛的教训说明了采用安全设计的必要性。

图3,pw2037低压汽轮机结构图

目前,大多数涡扇发动机采用安全设计,以防止轴断裂后低压涡轮转子进入飞轮。有两种常用的方法。首先,轴断裂后,所有进入发动机燃烧室的燃料将立即排出,不会形成高温气体。因此,低压涡轮转子不会旋转。这是一个基本的解决方案。

第二种是防止转子旋转的机械制动。它设计了转子工作叶片和定子叶片的相对位置,使得当轴断裂后转子在气体轴向力的作用下向后轴向移动时,两个叶片相互咬合,起到制动作用。例如,pw2037发动机采用这种措施,如图3所示。

对于紧急放油措施,现有发动机有两种方法:在jt15d发动机中,如图4所示,在低压涡轮后轴的后端设置一个顶块,在后轴承箱中的相应位置设置一个摇臂。摇臂的一端通过钢丝绳与设置在燃油主管内的紧急放油阀连接,另一端与转子上的顶块保持一定的间隙。正常情况下,顶块绝不会与摇臂碰撞,但一旦低压涡轮轴突然断裂,转子会在气体的作用下迅速向后移动,顶块会被推到摇臂上,钢缆会迅速拉下放油阀,高压燃油会迅速排出。

图4低压转子jt15d防飞装置

在西贝(Siebel)和rb211等发动机上,也采用了类似jt15d的顶块和摇臂结构,但顶块的运动是利用普通车床上的其余行走结构。具体结构如图5所示。低压涡轮轴内安装有滑动油管,滑动油管的前端固定在风扇轴的前端。后端设有带多个外螺纹的衬套,涡轮后轴上活动设有带顶块的衬套。

衬套的外径上设有纵向凹槽,轴上设有插在衬套纵向凹槽内的止动销,即衬套可以在涡轮后轴内轴向移动而不能转动。带顶块的衬套内径设有多头内螺纹,多头内螺纹与安装在滑油管上的衬套外螺纹相啮合。当低压涡轮轴断裂时,断裂前转子的转速将下降至最终停止。同时,固定在风扇轴上的中央滑动油管的转速将逐渐下降。断裂后的转子速度将上升,也就是说,顶块速度将上升。

此时,在顶块和中心滑动油管之间的螺纹连接处,内螺纹部分和外螺纹部分之间存在相对旋转,但是内螺纹所在的顶块衬套被止动销卡在低压涡轮的后轴上,因此顶块快速向后移动,推压摇臂,拉下钢索,打开放油阀,并快速排出高压燃料。

在采用全功能数字fadec装置的发动机上,低压转子的转速受到fadec装置的限制。当轴断裂并且低压转子的转速超过转速时,fadec装置将自动切断供应到燃烧室的燃料,从而导致转子停滞。

安全设计的另一个例子是rb211系列发动机风扇轴中的固定轴。在现有的具有高涵比的大推力涡扇发动机中,除了rb211系列发动机(包括其衍生开发——特伦特发动机),在大多数发动机中,悬臂支撑的风扇转子使用大滚珠轴承来支撑紧接在风扇盘后面的转子。这种设计可以使带有风扇叶片的风扇盘由滚珠轴承保持在发动机中,而不会在低压涡轮轴或风扇轴突然损坏时抛出发动机(发生的可能性极小)。

图5。低压转子专用防飞装置

然而,在rb211系列发动机中,在风扇轮盘的正后方使用了一个大滚柱轴承,而滚珠轴承安装在风扇轴的后端。在这种布局设计中,当风扇轴断裂时,带有风扇叶片的风扇轮盘将在流过风扇叶片的气流的作用下产生向前的轴向力,将风扇轮盘从发动机上拉开并甩出。

为此,罗洛公司采用了安全设计。保持轴安装在风扇轴中。当风扇轴断裂时,风扇转子的向前轴向力通过保持轴由后滚珠轴承承受,这样风扇盘就不会被抛出发动机。

Rb211发动机在使用中,1987年连续发生三次风扇轴断裂事件,原因是支撑风扇转子的轴承润滑不良。在这三个事件中,保持轴未能将风扇盘保持在发动机中,因此保持轴后来得到改进(参见“在rb211 22b中再次发生风扇盘抛出故障”)。

机油系统中设置的最小机油压力警告灯也是安全设计之一。

在国内外发动机的开发和使用中,没有采取必要的安全设计措施来导致重大或灾难性事故的事实表明,在发动机的开发中,采取必要的安全设计是提高发动机可靠性的措施之一。

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