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)RB211 524 :正常使用时的燃气温度低于定型的温度130~150 ℃,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)RB211 535E4:实际使用时的燃气温度比定型时低250 ℃。
(3)V2500:温度裕度有100~145 ℃,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110 ℃。
(5)F110 GE 100:生产型发动机平均低于红线温度值110 ℃。
(6)РД 33:涡轮前燃气温度设计值为1540K,允许超温150 ℃,实际可达1690K。
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。
1988年5月30日,中国民航的一架图 154三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154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1987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。
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本文链接地址：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(2)
