F101发动机风扇叶片断裂
1991年初的海湾战争中,美国投入了除B1轰炸机外的所有在役作战飞机,其中既有最新式的飞机,也有稍老一些的飞机。B 1轰炸机是美国投入大量资金,经过历届总统反复数次的上下过程,最终装备美国空军约100架。
B-1轰炸机群未参加海湾战争主要是由于在开战前约一个多月前,它的发动机F101在1990年12月突然出现两起风扇叶片折断故障(当时F101已积累使用时数达十万小时,风扇叶片曾折断过5次),发动机可靠性得不到保证,因此,不能让飞机出勤,只得趴地待修。
信息返回通用电气公司后,立即开展研究,发现叶片折断的原因有两点,即锁住叶片的保持环(卡环)疲劳断裂与由气动引起的叶片疲劳被外来物打伤叶片。
为此,相应采取了两项改进措施:即加强保持环,用Inconel718取代原采用的不锈钢,环厚由0.16cm增大为0.208cm;叶片前缘处加防锈涂层,在叶片后部的机匣上加空气罩起减振器作用。这两项改进分别于1991年1月~3月执行,因而影响了参加海湾战争。
F404发动机钛机匣着火
F404发动机是美国GE 公司为美国海军的F/A 18舰载战斗/攻击机研制的小涵道比军用涡扇发动机,F/A-18于1978年11月首飞,到1986年初,F404已累积工作时数达100万小时。
1987年11月美国海军宣布1987年1年内海军损失F/A-18战斗/攻击机9架,其中4架是由于F404高压压气机钛机匣着火,火焰烧穿机匣将钛制的外涵机匣烧着并引起飞机着火造成的。
着火的原因是高压压气机第1级工作叶片疲劳断裂,断片卡在转子与机匣间,工作叶片与机匣均用钛合金制成,形成钛 钛相互摩擦,引起钛机匣着火。经过分析,查出其原因是长期工作后,第1级与第2级工作叶片疲劳断裂是触发着火的起因,但高压压气机机匣采用钛合金则是事故的根本原因。
因为高压压气机内空气压力与温度是易引起钛合金着火的条件(低压压气机或风扇中,不易着火)。事故的信息返回 GE 公司后,很快采取了相应的措施:修改第1级与第3级工作叶片叶型,使其在长期工作后,也不易出现共振;根本的措施是不用钛合金做机匣,将高压压气机匣改用M152合金钢,外涵机匣改用PMR15复合材料。
高压压气机匣由钛改钢后重量加大,但外涵机匣由钛改用PMR15后重量减轻。两者综合后,发动机的重量增加0.454kg。
由于民用涡扇发动机CFM56-3采用了与F404相同的核心机(均由F101核心机发展而成),它的高压压气机机匣也是采用钛合金做的,但在设计中考虑了防止钛着火的问题,在与工作叶片相对应的机匣处,加装了较为复杂的防火隔层等。
当 F404发生钛着火并将机匣改为合金钢后,CFM56 3也将钛机匣改为 M152合金钢,同时取消了防火隔层,这一改动,使发动机重量增加5.64kg,但零件数目却减少140余件。
CFM56-3发动机在大雨中飞行时熄火
装CFM56发动机的波音737300双发客机于1989年发生了两起由于飞机降落穿过大雨区时,雨水吸入发动机核心部分将燃烧室火焰扑灭,造成发动机空中停车,幸好未造成事故,但这确是影响飞机安全的事件。信息反馈到 GE公司后,立即开展了分析研究工作。
按FAA的FAR33部规定,发动机定型前需通过吞水(吞水量为空气流量的4%)试验,CFM563已通过该项试验。这两次熄火说明遇到的雨太大,超过了规定值,按道理讲,它已通过 FAA的审定,设计符合FAR33部的要求,可以不管这两起偶发事件。
但是,为了确保飞机飞行安全,公司还是认真对待。经过分析,得出风扇后分流环处将流入发动机的水向外涵排出得不够充分,因而雨水向内涵流入较多。为此做了下述一些改进。
(1)将风扇后的分流环(用以将风扇后的气流分向内、外涵)尽可能地在现有结构下向后移,使风扇叶片后缘与分流环间间距拉大,便于水向外流。
(2)改进低压压气机后气流拐弯处的12个放气活门,使它便于将水或其他外来物在气流拐弯时的离心力作用下甩到外涵中去。
(3)将风扇旋转的进气整流罩(为了防止进气整流罩在工作中结冰,CFM56 3 研制时,通过结冰试验,将进气整流罩做成锥形)从纯锥形改为前段做成锥形,后段做成椭圆形,利于雨水向外甩。
(4)当飞机穿过雨区飞行时,如需使用空中慢车状态(例如下降着陆时),将空中慢车转速由原规定的32%N1,提高到45%N1。
为了验证所作改进的有效性,GE公司进行了一项独特的试验,如图2所示。将一台 CFM56 3发动机装在由波音707改装的飞行试车台的2号发动机位置上,以空中慢车状态工作,一架装水的 KC135加油机飞在波音707的前方,其加油管对着 CFM56 3发动机的进口向发动机喷水,以考核发动机是否会熄火。
试验结果表明所作的改进可防止在大雨中降落时不会引起发动机熄火。为什么试验发动机要以空中慢车状态工作,这是因为当飞机起飞时,发动机处于大工作状态,转速高,进入发动机的雨水在大的离心力作用下,大部分被甩到外涵气流中而不会进入燃烧室;
而飞机降落时,发动机处于空中慢车状态下工作,低压转子转速低,进入发动机的雨水甩到外涵气流中的少,大部分雨水会随气流流入燃烧室;如降落时遇到特大暴雨,进入燃烧室的雨水就会浇灭火焰,造成发动机空中停车。
PW4000发动机研制试车中性能衰退快
PW4000在研制发展过程的地面台架试车中,发现性能衰退快,即经过750 个循环后,发动机的耗油率增值Δsfc在冬天达到2.4%,非冬天增大值为1.0%。
经过分析,发现冬天试车时,Δsfc增值的百分数在各部件中的分布为:风扇0.15%,高压压气机0.35%,高压涡轮1.6%,低压涡轮0.3%,(总计2.4%),也即高压涡轮性能变坏是冬天使发动机性能衰退快的主要部件。
经过检查与分析,发现高压涡轮性能变坏的原因是涡轮工作叶片外环内径处的易磨陶瓷涂层(厚1.01mm)。在冬天时被吸入的砂石完全磨掉,造成叶尖间隙变大。
所以提高易磨陶瓷涂层的抗砂石磨蚀性能是降低发动机性能衰退率的重要措施。经过反复试验研究,得出在陶瓷原材料中,加入局部稳定的氧化锆(PSZ,PartialyStabilizedZirconia)后可提高它的抗磨蚀性能。目前,PW4000、PW2037、V2500等发动机中,均采用了这一改进措施。
