陳光/文
美國普惠公司(PWA)生產的JT9D-7R4系列發動機(以下簡稱7R4)是JT9D發動機家族中的最後一個系列,自1982年投入使用以來共生產了740多臺(中國民航有40臺),累計使用了一億多飛行小時、三百多萬次循環。與早期各型JT9D相比,7R4的推力由220kN增大到247kN,巡航耗油率降低約10%。
JT9D其主要結構改進包括:採用了多圓弧、低展弦比風扇葉片(阻尼凸臺由2個減為1個),空心風扇盤,增加一級低壓壓氣機,使用了單晶高壓渦輪葉片,全新設計了燃燒室、高壓渦輪和低壓渦輪並在3號軸承腔採用了端面碳封嚴等。7R4在投入使用以來出現過不少結構故障,有些重大故障已徹底排除,有些則得到改善。本文將分析7R4的幾個典型故障。
自1984年起,7R4已發生多起風扇葉片斷裂事故,其中5 起是非包容事故。斷裂部位集中在阻尼凸臺附近和葉根平臺上部。圖1所示為7次風扇葉片斷裂故障的部位、日期和發動機具體型號,裂紋均起源於前緣並向後發展。
圖、JT9D-7R4風扇葉片斷裂部位與斷裂日期
為了判斷造成葉片裂紋、斷裂的原因,將安裝了測試設備的發動機,裝在波音747上進行飛行試驗,試飛結果表明,在起飛功率附近葉片上有顫振響應,但是顫振應力不足以產生疲勞裂紋,只有在外來物擊傷前緣和/或前緣打磨過量時才導致材料疲勞而產生裂紋。
改進措施是將阻尼凸臺的角度由62°改為52°以提高葉片固有頻率,即在阻力凸臺局部區域進行填焊(圖2)。據稱角度改為52°後可消除所有工作條件下的顫振響應,從而避免了在工作中出現風扇葉片斷裂故障。
無獨有偶，CFM-56推力增大型發動機也曾出現過風扇葉片根部裂紋造成葉片斷裂故障，CFM公司也採取了類似措施將阻尼凸臺角度由65°改為53°。
另外為防止在改裝之前繼續發生風扇葉片斷裂並打傷飛機機體,PWA建議每200次循環對風扇葉片前緣進行渦流探傷檢查,而FAA則於1987年發佈適航指令要求在風扇機匣上加裝兩圈厚度分別為1.60mm和1.32mm的 GreekAscoloy鋼製包容環。
圖2、風扇葉片阻力凸臺角度改變情況
高壓壓氣機可調靜子葉片同步環卡阻。1985—1986兩年中,7R4連續發生了15起在當天第一次飛行爬升到600~1500m 高度收油門時,因喘振而造成空中停車的事件。試飛發現,其原因是可調靜子葉片同步環上的滑塊與高壓壓氣機機匣之間的間隙不足(圖3)。
圖3、高壓壓氣機機匣、同步環與滑塊關係圖
每天在發動機工作初期,鈦合金機匣溫度很快升高,而用聚醚酰亞胺塑料製造的滑塊因導熱性差,而且與機匣間有間隙,加溫較慢,所以鋁合金的同步環和滑塊溫度均比機匣低。在起飛功率下工作1~3 min時,由於機匣迅速加熱膨脹(據估算各機匣安裝邊徑向膨脹達1mm 以上),而使同步環滑塊卡滯(圖4)。
當收油門時發動機轉速降低,可調靜子葉片應協調減小角度,但由於同步環滑塊卡死,使可調靜子葉片仍卡阻在打開位置,造成發動機喘振。在當天以後的飛行中發動機處於熱態,因而不會發生同步環滑塊卡滯現象,也就不會出現喘振。改進措施是增大機匣與滑塊之間的間隙,改裝前後的冷態間隙值見表1。
圖4、工作中滑塊與機匣徑向膨脹情況
表1 高壓壓氣機各級可調葉片滑塊與機匣間隙值 mm
高壓壓氣機第一級轉子葉片斷裂和第一級盤燕尾榫槽裂紋。在20世紀80年代7R4共發生第一級轉子葉片斷裂66起,輪盤裂紋/破裂13起,其中在中國國際航空公司的7R4G2上分別發生了2起和1起。
應變片試驗表明,這種故障是由於葉片顫振所產生的振動應力,使葉片產生疲勞,並導致斷裂;同時葉片顫振使輪盤榫槽上與葉根相接觸的表面承受較大的反覆作用擠壓應力,導致在榫槽上出現高周疲勞裂紋(圖5),嚴重時使榫槽破裂。
經過試驗,歸納出產生顫振的主要原因有以下幾個。① 在低於慢車轉速下有一個顫振區,最大振動應力為8.4kg/mm2,比正常工作時的振動應力高2倍。PWA 規定:如發動機因供氣負荷過大等原因在該區累計穩定工作時間超過2小時,必須立即報廢所有第一級轉子葉片。解決措施是上調慢車轉速5%N2轉速。
②由於不正確地組裝、校準可調靜子葉片系統,使可調靜子偏離了預定程序而產生顫振。試驗發現在進口可調導向葉片偏大2°和第一級可調靜子葉片偏小2°時,在巡航推力附近有14kg/mm2的振動應力峰值。
③可調靜子葉片控制系統失效造成發動機在慢車以上工作時,可調靜子葉片仍停留在關閉位置。這是十分危險的,因為在這種情況下發動機只能被加速到87%N2轉速,而振動應力會急劇增大到使轉子葉片立即斷裂。PWA規定:如發動機在可調靜子葉片停留在關閉位置時,在76.9%N2轉速以上工作時間大於10秒鐘,必須立即報廢所有第一級轉子葉片。針對後兩種原因,PWA已採取了一系列改進措施提高可調靜子葉片系統的可靠性以防止顫振的發生。
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