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确保航空发动机可靠工作:超过10万小时试验,耗资10亿美元

阅读量:3872591 2019-10-28



陈光/文
为确保研制的发动机能可靠工作,需对发动机主要零部件进行大量部件及整机试验,以考核设计、制造和选材等方面是否能满足要求。同时,通过试验,还能暴露出原设计中的不足之处并予以改进,以不断提高发动机的性能与可靠性。试验工作越多、越深入,发动机的可靠性就越有保证。
为此,在发展一种发动机时,需进行大量部件与整机试验,一般需用10~20台发动机进行大约一万余小时试验,十万余小时的部件与附件试验。因此,发展一种新发动机,耗费极大,一般需耗资10亿美元以上。
例如,F101发动机的核心部分的发展历时12年,耗资10亿美元。V2500发展费用约10~12亿美元。20世纪80年代后期发展但未投入使用的UDF(无涵道风扇发动机)估计约为20亿美元。斯贝RB1631型发动机在定型前完成了6594h的台架试验。

普惠公司的PW4000系列发动机(1986年6月定型)在定型前为取得适航证共进行过75项试验,其中包括:24项发动机整机试验,19项试验器上的主要零件试验,32项部件试验,另外还有2个飞机飞行试验计划。地面试车中用了6台发动机,飞行试验用5台发动机,即为定型用的发动机共11台,另外还有3台发动机在定型后继续进行“定型后加速循环试验”(PACER)。
以下列出了PW4000发动机整机试验24项的内容:150h耐久试验,最大排气温度(525℃),最大低压转子转速(4012r/min),最大高压转子转速(10300r/min),循环耐久性,海平面工作,高空工作,风扇/低压压气机(增压压气机)应力(103%N1),低压涡轮应力(103%N1),超温42℃,风扇叶片脱落(即包容性试验),吸水与吸入冰块(12.7mm×304.8mm×304.8mm),吸入0.681kg的中等鸟与吸入1.861kg的大鸟,结冰,放气,海平面冷却,高空冷却,假启动,排气的排放物测定,高压压气机应力(103%N2),高压涡轮应力(103%N2)等试车。

发动机的转子特别是高温涡轮盘的可靠性对发动机的工作可靠性有很大的影响,所以在发动机研制中,一定要对它进行长期的试验,特别是低循环疲劳试验。普惠公司专门有一个“转子设计系统”来改进转子的设计,并通过试验来确定转子的低循环寿命。
到20世纪90年代初,该“转子设计系统”已进行过14000个试件的试验,1380个全尺寸轮盘的试验,300000试验发动机的循环考验以及3500台使用发动机的运行检验,因而得到了较长寿命(低循环疲劳寿命)的高压涡轮轮盘。发动机在工作中吸入外来物(鸟、冰雹和轮胎碎块等)以及长的风扇叶片被外物打断的碎片,是危及发动机安全工作的一个重要因素。
为此,在设计中要提高风扇转子抗外来物打伤(FOD)的能力以及风扇机匣具有能将从叶根处断裂的风扇叶片碎片包容在发动机内部的包容能力(为此,风扇部件中,包在风扇叶片一周的机匣专门称之为“包容环”)。
在发动机研制后期,需对发动机进行外物吸入(或称吞咽)试验以及包容试验(又称风扇叶片脱离试验)。这些试验既危险又费钱,试验时还需适航管理部门专门派人监督进行。

例如CFM56研制中,为了通过适航管理部门的吞鸟试验,在正式鉴定试验前,共用了3台发动机进行了长达4年的吞咽外物试验,在试验中共损坏风扇叶片350片,一套低压压气机。通过多次试验,不断改进,最终才达到要求。
为保证发动机安全与可靠工作,发动机应具有较好的包容能力,即转子上的叶片由根部折断后,其断片应被包容在发动机内部而不能击穿机匣外逸,因为外逸的断片会对发动机外部管路、附件和飞机结构造成后果严重的二次损伤。在发动机中,风扇叶片不仅最长,工作时产生的离心力也最大,而且处于发动机进口处,极易受到外物打击而折断,如果它从根部折断,断片撞击机匣的撞击能量非常大,因此需采用能将碎片包容在发动机内部的包容环。

包容环是否能起到作用,需在发动机试车中予以考核。试验时,发动机以最大转速工作,将埋在叶根处的雷管引爆炸断叶片,断片应被包容在发动机内部,在15min内发动机未着火,可人为地将发动机停车,安装节没有脱落等,这样,该发动机即通过包容试验。由上述的试验内容可以看出,包容试验是既费钱又危险的试验,即使试验成功,一台发动机也完全报废。
因为,风扇叶片的碎片会打坏其后部的零件,后面零件的碎片往后流动的过程中,又会打坏更后面的零件,最后,发动机内部被打得面目全非成为废物一堆。如果试验不成功,风扇叶片碎片击穿机匣外逸,会打坏试车台台架设备,如将台架中的燃油与滑油管路打断,引起台架失火等,其损失就更大了。一般包容试验均在其他所有试验均已通过后,最后进行。

应注意的是,发动机应具有包容能力是指能包容住叶片断片的能力,如果在工作中,轮盘破裂,其破裂的断块重量很大,发动机是不可能将它们包容住的,对于这种可能出现的灾难性故障,只能由设计及轮盘零件的超转试验予以保证。同时要在低压转子中设置防止转子飞转的措施。
目前用于大型客机的几种高涵道比涡扇发动机,虽然对抗外来物击伤的能力及包容能力从设计到试验方面均做了大量工作,但由FOD引起的和由叶片断裂转子破裂后碎片未包容住的事仍有发生。根据1980年末期统计,由FOD引起的拆换发动机概率在三种发动机中是:

JT9D7为0.027次/1000EFH,CF650为0.0285次/1000EFH,RB211524为0.019次/1000EFH,即平均35000~53000飞行小时会有一次。非包容事件发生的概率是每一百万飞行小时中,JT9D7有5.2次,CF650有4.3次,RB211524有1.0次。随着技术的发展,发动机的不断改进,到20世纪90年代后期,新研制出的发动机,非包容事件发生概率已很低了。
例如遄达89217发动机在2001年1月31日飞机起飞过程中,1片风扇叶片从叶根处断裂,打坏发动机,但叶片碎片被包容在发动机内部,未对飞机造成严重的二次损伤即是—例(参见“用于波音777的三型发动机出现的一些故障”)。

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