陳光/文
任何產品的可靠性是它本身所具有的屬性,是由產品的設計與製造得到的,對於航空發動機也是同樣的。由於發動機在飛機中的重要作用與突出地位,為保證飛機飛行安全,對發動機可靠性的要求越來越高,因此需要不斷提高其可靠性。在美國軍用標準MILE 87231《航空渦噴渦扇發動機軍用規範》第3節“要求”中,對發動機提出的主要4項要求是“性能、適用性、可靠性和維修性”,用規範的條文將發動機可靠性的要求做了明確規定,從另一方面表明了發動機可靠性的重要意義。
為了提高發動機固有可靠性,需採用各種較好的先進的氣動與結構設計,新的技術,先進的工藝方法,好的金屬與非金屬材料,特別是好的、能耐高溫的耐熱合金,完善的試驗手段與試驗技術等。本文彙總國外一些典型的與較先進的航空發動機在研製與發展過程中採取的一些提高可靠性的措施以及發動機主要零組件或部件採取的提高可靠性的具體措施,為今後發動機研製提供一些參考依據。
航空燃氣渦輪發動機已有半個多世紀的發展歷史,國內外已有豐富的設計、發展與使用經驗,進入20世紀90年代後,更達到較高的水平。按理,在掌握豐富的經驗基礎上,發動機在研製與使用中不會出現嚴重的和/或影響較大的故障,應能很可靠地工作。但是,不論是成熟的發動機,還是新研製的發動機,仍然頻繁地出現一些影響發動機可靠工作的故障,有的甚至造成了非常嚴重的後果,例如:
(1)F110發動機高壓渦輪篦齒封嚴環斷裂。1994年7月至9月,裝F110發動機的F16 戰鬥機,由於發動機高壓渦輪軸後端的封嚴篦齒環斷裂,造成摔掉4架飛機的嚴重事故,從而引起350架F16戰鬥機(美國150架、美國國外200架)停飛的大事件,以便更換改進的渦輪軸。
(2)F101發動機風扇葉片甩出。由於F101 發動機於1990 年底連續發生兩次風扇葉片鎖緊用的卡環折斷,造成風扇葉片甩脫引起發動機著火的事件,使得美國空軍97架B1轟炸機在1991年1月17日海灣戰爭中為期6周的“沙漠風暴”空襲行動,未能參戰。
(3)F404發動機鈦機匣失火。F404發動機在使用100 萬小時後,於1987年連續發生幾起鈦合金葉片斷片(由於葉片振動造成斷裂)卡在機匣與轉子葉尖間,引起鈦著火使發動機失火,造成當年損失4架F/A 18戰鬥/攻擊機(佔當年損失飛機總數的40%)的嚴重事故。
(4)F100發動機低壓渦輪葉片斷裂。1993年4月到1994年6月,有4架裝F100發動機的F15E戰鬥機,由於發生低壓渦輪葉片斷裂的嚴重故障,使飛機迫降。經研究,是葉片根部強度不夠,當飛機在低空高速飛行時,葉片上的振動應力與過大的氣動負荷促使葉片產生裂紋而引起的。為此,約有75架F15E戰鬥機停飛,以便更換葉根加寬的葉片與輪緣加厚的輪盤。
(5)GE90發動機焊接螺釘座斷裂。1996年底,用於波音777的GE90發動機,由於高壓壓氣機出口飛機引氣環安裝邊上的焊接螺釘孔座斷裂,斷塊由4級引氣環迴流到壓氣機氣流通道中,打壞第4級工作葉片,雖未造成空中停車事件,但已使8臺發動機提前從飛機上卸下,送回工廠修理,其返修率達到0.174次/1000EFH∗。
(6)遄達700發動機傳動齒輪軸承缺油。1997年5月中旬,正值香港迴歸祖國前夕,大批旅遊人士前往香港參加世紀盛典之際,香港的國泰航空公司與港龍航空公司於5月24日宣佈他們所有的15架 A330客機全部停飛,影響數萬名旅客的旅行計劃。
裝遄達700的 A330於1994年底取得適航證,香港國泰航空公司於1995年3月開始使用,後來港龍也使用該機。由1996年11月以來,這兩家公司的 A330發生過5次空中停車,都是由於傳動附件機匣的垂直傳動軸失效造成的。經分析研究得出,附件機匣中支承與垂直傳動軸齧合的錐齒的止推軸承潤滑不足,工作中軸承溫度過高,造成軸承與傳動軸先期疲勞而失效,是引起空中停車的原因。在這幾起停車事件中,在滑油回油管中的磁屑末檢測器(MCD)中均發現了金屬屑末。後用遄達800的設計對此做了修改,試驗表明,改進後,軸承的工作溫度由170℃降到120℃。附件機匣改裝後,A330於1997年6月中恢復航班飛行。
(7)飛機多餘物造成F22首飛延誤。美國第四代戰鬥機F 22“猛禽”01架於1997年4月9日出廠,原計劃在完成一系列地面試驗後,於5月27~29日首飛。但在地面試驗中,出現燃油箱漏油與 APU(輔助動力裝置)的滑油壓力降低與溫度上升的兩個故障。
經排除後,於6月中旬進行發動機裝在飛機上開車試驗,開車試驗情況比較好,但在試車後進行例行的檢查時,通過孔探儀發現右側的發動機(F119 PW 100)中,3級風扇及第1級高壓壓氣機的工作葉片有被外物撞擊的輕微傷痕,在飛機上無法修復這些葉片,只得將該發動機從飛機上卸下,換上一臺新發動機,因而進一步延誤了首飛日期。
經檢查,飛機生產過程中殘留於機體內的鉚釘頭與斷片等飛機的“多餘物”,在發動機工作時,被髮動機吸入,成為發動機的“外來物”而打傷葉片,是造成飛機首飛延誤的原因。在對飛機內腔進行了細緻與全面的再檢查後,於6月18日恢復了地面試車。F-22最後於1997年9月7日進行了具有歷史意義的首飛,比預計日期晚了100余天。
上述幾個事例所列舉的發動機,均是被公認為當今最好的發動機,除 GE90與F119是20世紀90年代新研製的外,其他4型:F100、F101、F110和 F404是已經很成熟的發動機,且均積累了大量使用時間,但仍然逃脫不了出現嚴重故障的困境。
究其原因,主要在於航空發動機特別是高性能的發動機工作條件不僅十分惡劣而且多變,研製者不可能將在飛行中所遇到的各種問題都考慮到,這樣就會在某些特殊條件下,誘發出某些在正常情況下不會出現的嚴重故障,從而大大影響發動機的可靠工作,對飛機的飛行安全帶來危害。
當前,發動機結構與強度設計已達到較高的水平,發動機主要零組件從總體來看,一般不會出現什麼大的問題,出問題的往往是一些比較細小與易被人們忽略的地方,或者是尚未被設計者們認識到的問題。
在前者中,例如容腔中未設卸壓孔造成死腔、主軸臺階轉接處圓角不夠大、軸承遊隙選用不當、鎖緊葉片用的卡環強度不夠與熱部件中零件間的熱匹配考慮不周等;在後者中,例如錐形齒輪在某一工況下出現行波諧振造成齒圈斷裂、篦齒封嚴環自激振動造成斷裂與冷卻氣流在輪盤中流過所產生的聲波振盪,引起輪盤激振使盤上小孔裂紋等。
所有這些,只要當它們一出現,就可能造成大故障,引起發動機不能正常工作,對飛機的飛行帶來極大的影響。
為提高發動機的可靠性,在發動機結構設計中,應全面考慮各方面的問題,精心設計,特別要重視以往發動機在研製與使用中的經驗教訓,舉一反三採取相應措施,避免類似的故障在新的設計中或改型的設計中出現。
同時,應在設計中廣泛採用先進技術包括氣動、結構、材料、工藝、塗層和調節等方面經過驗證過的新技術與新成果,使設計的發動機性能優良,結構簡單,零件數少,可靠性高。
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