高压压气机机匣为什么很少采用钛合金？造成航空发动机重大故障的

陈光/文

在航空发动机设计时,对零、组、部件及总体的结构设计一般都能做到细致、全面地进行分析,吸取以往的经验,合理选择参数,优化设计方案,反复进行强度验算,认真选用材料、配合值等,能够在长期使用中经得住考验。

但是,实践表明,往往由于在结构设计的细小处注意不够,而带来较为严重故障。

例如:1981年,装在 L1011三发客机上的 RB211 22B发动机,出现过三次(1981年5月、8月、9月)风扇轴折断后风扇盘甩离发动机的重大故障。

经过分析,这三起重大故障是由于对1号轴承(风扇后滚珠轴承)供油不足造成的。

在原设计中,用1根喷油杆的前后喷油孔分别对1号轴承及2号轴承(中压压气机前滚棒轴承)喷油,在某些特定条件下,向1号轴承的供油量不足,造成1号轴承超温而引发的故障。

1997年5月24日香港国泰航空公司、港龙航空公司宣布两家公司的15 架大型客机A330(前者11架、后者4架)全部停飞,究其原因竟是该飞机使用的遄达700发动机附件传动箱中,对支承主动锥形齿轮(与垂直传动轴连接的)的滚珠轴承喷滑油量不够。

由于喷油量不足,引起该轴承及锥形齿轮过热失效,导致发动机在飞行中停车。遄达700的附件传动箱是由法国伊斯帕诺 西札(Hispano Suiza)公司生产的。

该机匣的润滑系统设计不够完善,该轴承的喷油嘴与轴承间有20mm的缝隙,使轴承得不到充足的滑油,因而引起轴承温度变高。 该公司已用遄达800的设计对此做了修改,试验表明,改进后,轴承的工作温度由170 ℃ 降到 120 ℃。附件传动箱改装后,A330于1997年6月恢复航班飞行。

在结构设计中,设计不合理、选材不当也会引发严重故障。

前面提到的美国海军在1987年的一年中,共损失9架F/A18飞机,其中4架是由于发动机高压压气机钛合金机匣着火造成的。

这是典型的由于选材不当引发的事故。在F/A 18用的 F404发动机中,高压压气机前几级工作叶片与机匣均采用了钛合金,流路中的空气温度、压力分别达到300 ℃及0.35 MPa以上,在这种条件下,一旦工作叶片或其断片与机匣相碰磨时,极易引起钛机匣着火,且火势发展极快。

F/A 18于1978年首飞,到1986年初,已累积飞行达100万小时,还从未发生过钛机匣着火事件;

但到了1987年却突然发生了严重影响飞行安全的重大问题。这是由于发动机长期工作以后,压气机叶片受到外来砂尘的冲刷磨蚀,叶型发生了变化,改变了它原有的自然振动频率,在发动机某些工况下,引发第1、3级转子叶片折断。

折断后的断片卡在转子叶尖与机匣之间,随着转子旋转而在机匣内摩擦,产生大量的摩擦热,引起钛合金自燃着火。着火后,很快将叶片烧坏,机匣烧穿;

火焰继续外窜,烧穿外涵的钛合金机匣及发动机短舱,烧坏飞机其他系统的设备,最终导致飞机失事。

随后,GE公司将F404高压压气机机匣改用 M152合金钢,将外涵机匣改用 PMR15复合材料。

目前,在国外发动机中,高压压气机机匣已很少采用钛合金,个别发动机在采用钛合金时,也做了防止钛钛直接碰磨的措施,至于静子叶片已全部不采用钛合金了。

1988年5月30日晚,由广州起飞的图154 客机在爬升到3000 m 高度时,中间发动机 Д 30KУ 154的四级低压涡轮突然全部甩出发动机。

在这起严重的事件中(幸好是中发,如果是左或右发,其后果不堪设想),究其根源,除材料、工艺和胶圈等有缺陷外,发动机结构设计中有严重的错误,是其主要原因。

该发动机高压压气机轴内套装有一钛合金薄衬套,衬套两端均装有封严胶圈,而衬套上未开通气的卸压孔,因而衬套与高压压气机轴间形成了一死腔(这在发动机结构设计中是不允许的)。

就是这一疏忽引起了衬套低循环疲劳,使衬套抗外压失稳的能力降低,最终导致衬套在外压作用下失稳向内压陷,碰上了低压转子的轴,使其折断,造成低压涡轮转子飞转而甩出发动机。

这一失误,经向俄方指出后,俄方已在该衬套上加钻了一3mm的卸压孔。至于零件在转接处由于设计或工艺的疏忽,未做成倒角、圆弧或圆弧半径不够大,而引发的大小故障,更是层出不穷。

从以上三方面的一些实例中,说明了航空发动机结构设计在航空发动机研制、使用中有着极其重要的作用,应当引起重视,注意培养从事结构设计方面的人才。另外,目前已在结构设计岗位上的人员,也需不断提高业务能力,充实自己,扩大视界,随时关注有关领域特别在材料、工艺等方面的最新进展,了解国外一些著名的航空发动机的设计特点,关注它们在使用中出现的问题。这样,才能更好地搞好航空发动机的结构设计工作。

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