■ 陳光 / 北京航空航天大學(xué)

在航空發(fā)動機(jī)的研制與使用過程中，因結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理而引發(fā)的一些重大故障屢見不鮮，給發(fā)動機(jī)的正常使用帶來麻煩，在設(shè)計時應(yīng)多加重視。

對溫度變化考慮不周引發(fā)的故障

航空發(fā)動機(jī)在正常使用過程中，外部環(huán)境以及發(fā)動機(jī)的工況變化，都會使發(fā)動機(jī)各部件的溫度值與溫度場發(fā)生變化。例如，發(fā)動機(jī)在慢車狀態(tài)下，一推油門轉(zhuǎn)速立即提高至最大轉(zhuǎn)速，此時各部件的溫度也隨之上升，如果一些相配合的零組件的膨脹系數(shù)相差較大，原來配合較好的結(jié)構(gòu)，會由于膨脹系數(shù)不同，造成配合松動而漏氣漏油或配合變緊使零件受力過大而損壞等。熱脹冷縮是人們熟知的物理概念，但在航空發(fā)動機(jī)的研制與使用中，由于不夠重視，出現(xiàn)過眾多的故障。

冬天起飛過程中 JT9D發(fā)動機(jī)喘振造成空中停車事件

中國民航的747客機(jī)所用的JT9D發(fā)動機(jī)，在1985年年底至1986年年初的寒冬中，發(fā)生了15起在當(dāng)天第一次飛行爬升到600～1500m收油門時，因喘振而造成的空中停車事件，引起了中國民航領(lǐng)導(dǎo)的重視，立即通知普惠公司要求盡快解決。為此，普惠公司派出了十幾位專家來到北京，開展了調(diào)查分析工作。

圖1 同步環(huán)通過滑塊支承在機(jī)匣上

JT9D的高壓壓氣機(jī)有11級，其中前4排靜子葉片是可調(diào)節(jié)的，每個靜子葉片端頭裝有一搖臂，搖臂另一頭插到同步環(huán)的環(huán)槽中并用銷釘固定，在液壓作動筒驅(qū)使同步環(huán)轉(zhuǎn)動時，每個靜子葉片就轉(zhuǎn)一個角度，完成葉片安裝角的調(diào)整。在同步環(huán)周圍，均勻分布若干個由復(fù)合材料制成的滑塊，同步環(huán)通過滑塊支承在機(jī)匣上（見圖1）。

20世紀(jì)80年代的北京，冬季夜間氣溫較低（一般低于-10℃），波音747客機(jī)在機(jī)場過夜時，發(fā)動機(jī)的零件會受冷而收縮，次日清晨執(zhí)行第一個航班任務(wù)時，發(fā)動機(jī)開車后推油門轉(zhuǎn)速迅速上升，高壓壓氣機(jī)機(jī)匣的溫度隨之上升，鈦合金制的機(jī)匣向外膨脹較大，但處于發(fā)動機(jī)外部的鋁制的同步環(huán)與塑料滑塊的溫度未隨之上升，膨脹量較小，因此機(jī)匣將同步環(huán)卡死不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)飛機(jī)爬升到一定高度后發(fā)動機(jī)收油門降低轉(zhuǎn)速時，可調(diào)靜子葉片不能轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致高壓壓氣機(jī)喘振引起發(fā)動機(jī)停車。故障原因找到后，普惠公司采取加大滑塊與機(jī)匣間隙的措施排除了發(fā)動機(jī)喘振故障。

對渦輪軸承在停車后溫度上升現(xiàn)象重視不夠引起的故障

發(fā)動機(jī)工作時，渦輪葉片處于高溫燃?xì)獍鼑校錈崃客ㄟ^輪盤、軸傳到軸承。高速工作的軸承也會散發(fā)熱量，噴向軸承的大量滑油不僅可以帶走軸承的熱量，也帶走由渦輪葉片傳來的熱量。發(fā)動機(jī)一旦停車，終止了噴向軸承的滑油，此時渦輪葉片的熱量除向其周圍散發(fā)一些外，大量的熱量仍按上述傳播路線流向渦輪內(nèi)環(huán)，再流向軸承外環(huán)，直到渦輪機(jī)匣。由于眾多的渦輪葉片包含的熱量非常大，在發(fā)動機(jī)停車后逐漸通過軸承外傳，因此軸承的溫度在停車后一段時間內(nèi)是逐漸上升的，而且軸承內(nèi)環(huán)的溫度高于外環(huán)的溫度，直到渦輪工作葉片溫度逐漸降到正常值為止，這段時間為40～60min。在渦輪部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如不考慮上述特點(diǎn)，會造成一些故障。

發(fā)動機(jī)停車后的高溫使斯貝高壓渦輪前油腔封嚴(yán)失效滑油消耗量大增

20世紀(jì)80年代，中國民航的“三叉戟”客機(jī)所用的斯貝MK512發(fā)動機(jī)，由于發(fā)動機(jī)滑油消耗量超標(biāo)，使得提前換發(fā)率上升，1984年為37.5%，1985年達(dá)到40.7%。經(jīng)過羅羅公司的分析，發(fā)現(xiàn)是由高壓渦輪前軸承處的浮動環(huán)式封嚴(yán)裝置失效造成的。

浮動環(huán)式封嚴(yán)裝置（見圖2）是介于接觸式的漲圈封嚴(yán)與非接觸式的篦齒封嚴(yán)之間的封嚴(yán)裝置。與漲圈封嚴(yán)不同的是浮動環(huán)為整圓的，它自由地套在軸上，與軸間有0.03～0.10mm的半徑間隙，浮動環(huán)的安裝槽座是由兩件組合起來的，環(huán)在其中有0.06～0.15mm的軸向間隙；在油腔內(nèi)、外壓差的作用下，浮動環(huán)緊貼在槽座的端面A上，形成了徑向間隙式與端面接觸的混合封嚴(yán)裝置，這種封嚴(yán)裝置較篦齒封嚴(yán)裝置的封嚴(yán)效果好，長度小，且無徑向磨損問題。

圖2 浮動環(huán)式封嚴(yán)裝置

在斯貝發(fā)動機(jī)高壓渦輪軸承處采用浮動環(huán)式封嚴(yán)裝置則不合適，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)停車后軸承溫度不斷上升，使殘留在封圈處的滑油結(jié)焦，導(dǎo)致浮動環(huán)卡死而不能動，最終造成浮動環(huán)與軸相磨形成漏油的縫隙。在發(fā)現(xiàn)滑油消耗量超標(biāo)后，羅羅公司曾兩次將該油腔處的泄油口孔徑加大，希望在停車后能將油腔中的滑油盡量排光，但未解決問題，最后將浮動環(huán)封嚴(yán)裝置改為篦齒封嚴(yán)裝置后才最終解決問題。斯貝發(fā)動機(jī)中共采用了4副浮動環(huán)封嚴(yán)裝置，其他3處均未發(fā)生上述類似的故障。

發(fā)動機(jī)中采用死腔結(jié)構(gòu)帶來重大故障

發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除特殊情況（如真空膜盒等）外，一般不能做成死腔或密閉腔。發(fā)動機(jī)工作時，各部件溫度都會升高，死腔的容積不會變，當(dāng)發(fā)動機(jī)溫度升高后，死腔中的壓力會升高。升高的壓力對腔壁會施加一個力，發(fā)動機(jī)停車后此力也就消失了。發(fā)動機(jī)長期工作后，死腔的腔壁材料會發(fā)生低周疲勞，材料強(qiáng)度大大降低，在其他因素作用下腔壁破裂，會引起重大故障。

D30-KU-154發(fā)動機(jī)死腔破裂造成4級低壓渦輪非包容轉(zhuǎn)子爆破故障

在圖-154客機(jī)用的D30-KU-154發(fā)動機(jī)中，高壓壓氣機(jī)軸內(nèi)裝有一鈦合金制的隔熱套筒，隔熱套筒與低壓傳動軸間有5mm徑向間隙，間隙中為滑油腔。隔熱套筒兩端均裝有封嚴(yán)膠圈，使高壓壓氣機(jī)軸與隔熱套筒間形成了一死腔。

在發(fā)動機(jī)工作4582h / 2437循環(huán)后，隔熱套筒在反復(fù)加壓、卸壓作用下低周疲勞，材料強(qiáng)度大大降低。另外，由于封嚴(yán)膠圈老化，滑油漏入高壓壓氣機(jī)軸與隔熱套筒形成的環(huán)腔中，滑油自燃使腔壓突增，造成隔熱套筒在外壓作用下失穩(wěn)向內(nèi)變形形成一個凹陷處，凹陷處的最尖處與低壓傳動軸相接觸，在相對轉(zhuǎn)速5700r/min作用下，將低壓傳動軸磨出深槽后而折斷。低壓傳動軸折斷后，4級低壓渦輪失去負(fù)荷轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)，在極大的離心力作用下轉(zhuǎn)子爆裂，爆裂形成的斷塊擊穿機(jī)匣甩出發(fā)動機(jī)，幸好出故障的發(fā)動機(jī)位于飛機(jī)機(jī)尾處，甩出的斷塊未對飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)造成損傷，否則其后果不堪設(shè)想。

鎖緊葉片的鎖片強(qiáng)度不夠造成發(fā)動機(jī)重大故障

風(fēng)扇、壓氣機(jī)與渦輪工作葉片裝在輪盤上時，須用鎖片將葉片槽向固定在葉片的榫槽中，防止葉片沿槽向滑出榫槽。鎖片雖小，但它承受的負(fù)荷多且變化大，如果不認(rèn)真設(shè)計，會在工作中斷裂，造成葉片從輪盤甩出，嚴(yán)重時甩出的葉片會擊穿機(jī)匣，對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)或飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成二次損傷。

F101風(fēng)扇葉片鎖緊卡環(huán)斷裂使B-1B在海灣戰(zhàn)爭中全面停飛

F101為B-1B轟炸機(jī)所用的發(fā)動機(jī)，其第一級風(fēng)扇葉片是用一個卡環(huán)將所有葉片鎖緊在輪盤上。發(fā)動機(jī)工作一段時間后，風(fēng)扇葉片被吸入的細(xì)小沙石沖刷磨蝕，葉型略有變化因而改變了葉片的自然振動頻率，在97%的風(fēng)扇最大轉(zhuǎn)速下葉片出現(xiàn)共振，振動應(yīng)力很大。如果葉片存在一些缺陷，就會使葉片折斷，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的平衡被破壞，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子就會產(chǎn)生高頻振動，造成卡環(huán)斷裂，使葉片從輪盤上甩出，結(jié)果引起發(fā)動機(jī)著火。

1990年10月，一架B-1B轟炸機(jī)剛飛到1800m高度時，1號發(fā)動機(jī)鎖緊風(fēng)扇葉片的卡環(huán)突然折斷，使全部風(fēng)扇葉片甩出，引起發(fā)動機(jī)著火，飛機(jī)緊急著陸。2周后又一架飛機(jī)由于同樣原因，8片風(fēng)扇葉片被甩出發(fā)動機(jī)，并引起發(fā)動機(jī)著火，為此美國空軍下令全部97架B-1B停飛以排除故障。

1991年1月17日海灣戰(zhàn)爭爆發(fā)，美國出動了所有在役的軍機(jī)，唯獨(dú)B-1B正處于停飛排故期而未能參戰(zhàn)。自1986年6月29日第一架B-1B加入美國空軍服役到1990年年底，發(fā)動機(jī)累計工作時間超過10萬小時，曾出現(xiàn)6次葉片甩出事件。

為排除故障，GE公司將原來由不銹鋼材料制造的厚度為1.6 mm的卡環(huán)，改用鎳基合金制造，厚度加大到3.68 mm，以增加卡環(huán)的強(qiáng)度，另外在風(fēng)扇葉片根部加裝減振塊，以降低風(fēng)扇葉片的振動應(yīng)力（可降低1/3）。20世紀(jì)90年代后期，GE公司還采用激光沖擊強(qiáng)化（LSP）對風(fēng)扇葉片進(jìn)行強(qiáng)化處理，以提高葉片的疲勞強(qiáng)度。

滑油流量不足造成重大故障

在一般機(jī)器中，對軸承噴入的滑油是起潤滑作用的，其系統(tǒng)稱為潤滑系統(tǒng)，但在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，噴到軸承的滑油不僅潤滑軸承，還要帶走軸承高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量以及其他零組件傳到軸承的熱量，同時滑油還在一些操縱機(jī)構(gòu)中起到工質(zhì)作用，因此現(xiàn)代許多發(fā)動機(jī)中已將潤滑系統(tǒng)改稱滑油系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)的滑油系統(tǒng)如果出現(xiàn)某些設(shè)計缺陷，例如，對軸承等的噴油量不夠，會造成發(fā)動機(jī)的重大故障。

RB211供給風(fēng)扇后軸承的滑油量不夠造成風(fēng)扇軸折斷的重大故障

RB211系列發(fā)動機(jī)中，風(fēng)扇后軸承與中壓壓氣機(jī)前軸承均支承在同一個承力框架中（見圖3）。一根滑油供油管既向風(fēng)扇后軸承供油，又向中壓壓氣機(jī)前軸承供油，在某些情況下會使供給風(fēng)扇后軸承的滑油油量不夠，造成軸承損傷，最終導(dǎo)致風(fēng)扇軸斷裂，風(fēng)扇盤被甩離發(fā)動機(jī)的嚴(yán)重故障，由于低壓渦輪轉(zhuǎn)子設(shè)有防止風(fēng)扇軸斷裂后飛轉(zhuǎn)的措施，此故障只導(dǎo)致發(fā)動機(jī)空中停車而未造成飛機(jī)機(jī)體嚴(yán)重?fù)p傷，飛機(jī)均安全著陸。

選用RB211-22B發(fā)動機(jī)的L1011客機(jī)于1981年在飛行中先后出現(xiàn)了3次風(fēng)扇部件甩出的嚴(yán)重事件(1981年5月、1981年8月 與1981年9月)，其原因均是由于風(fēng)扇后軸承滑油供油量不夠造成的。同樣的原因，1982年12月在747客機(jī)上的RB211-524C2中也出現(xiàn)了風(fēng)扇盤甩出的故障。在不到兩年的時間內(nèi)，連續(xù)出現(xiàn)影響飛機(jī)飛行安全的4次風(fēng)扇盤甩出發(fā)動機(jī)的嚴(yán)重故障，在航空發(fā)動機(jī)的研制與使用歷史中實(shí)屬罕見。

不慎采用電化學(xué)腐蝕標(biāo)印造成重大故障

圖3 RB211風(fēng)扇后軸承與中壓壓氣機(jī)前軸承支承圖

電化學(xué)腐蝕標(biāo)?。‥CM）是在零件制造、發(fā)動機(jī)裝配與修理過程中常用的一種方法，但在操作中稍有不慎，會在表面上形成電弧而損傷表面，對于承受變化載荷的重要零件，例如，輪盤、葉片榫根等，就會引發(fā)裂紋，最后可能導(dǎo)致輪盤破裂、葉片斷裂等重大故障，因此，應(yīng)慎用這種標(biāo)印方法。

CF34風(fēng)扇盤不慎采用電化學(xué)腐蝕標(biāo)印造成重大故障

2007年1月25日，美國美莎航空公司的一架裝有兩臺 CF34發(fā)動機(jī)的龐巴迪CRJ200支線客機(jī)，在丹佛機(jī)場起飛20min后，飛機(jī)穿過7300m高度時，飛行員聽見“砰”的一聲，飛機(jī)突然劇烈顛簸，飛機(jī)飛行速度降低，飛機(jī)的飛行高度隨之下降，飛行員發(fā)現(xiàn)1號發(fā)動機(jī)(左發(fā))出現(xiàn)嚴(yán)重問題，立即將飛機(jī)安全地開回丹佛機(jī)場，未造成人員傷亡。

飛機(jī)著陸后，令人吃驚的是1號發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、進(jìn)氣錐、風(fēng)扇包容機(jī)匣及反推裝置已全部丟失，風(fēng)扇出口導(dǎo)葉仍保留在發(fā)動機(jī)中（見圖4）。

CF34為GE公司研制，1992—2007年已有2000余臺投入使用，是一型可靠性較高的發(fā)動機(jī)。出故障的發(fā)動機(jī)是1999年9月22日啟用的，己經(jīng)工作11000循環(huán)。

圖4 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、包容機(jī)匣等均在飛行中丟失

圖5 風(fēng)扇葉片后緣與分流環(huán)間的間距要大

圖6 CFM56-3的風(fēng)扇部件圖

經(jīng)檢查分析，這次重大故障是由于在維修時，為使輪盤與軸保持正確位置，在輪盤孔緣處采用了ECM作標(biāo)記。但是由于操作不當(dāng)，在輪盤表面上產(chǎn)生電弧，造成小的疵點(diǎn)引發(fā)了裂紋，之后擴(kuò)展的裂紋導(dǎo)致輪盤破裂。

GE公司在CF34的裝配中曾采用過這種電化學(xué)腐蝕標(biāo)記的方法，但后來發(fā)現(xiàn)如果操作不當(dāng)，容易在零件表面上產(chǎn)生電弧，造成小的疵點(diǎn)能引發(fā)裂紋，因此，GE公司從2000年起不再采用這種標(biāo)記的方法。2000年10月，GE 公司發(fā)布一份服務(wù)通報，要求采用了這種標(biāo)記的發(fā)動機(jī)，在使用到8000循環(huán)時，應(yīng)對風(fēng)扇盤中心孔緣表面處用目視及觸摸來檢查標(biāo)記是否已有由于電弧引起的疵點(diǎn)，出故障的發(fā)動機(jī)沒有按照GE公司的服務(wù)通告在8000循環(huán)時對輪盤進(jìn)行檢測。

風(fēng)扇葉片后緣與分流環(huán)間過小的間隙造成在大雨中發(fā)動機(jī)空中停車

在大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)中，風(fēng)扇葉片后緣與分流環(huán)應(yīng)保持較大間距（見圖5），以利于飛機(jī)在大雨天降落時，將流入發(fā)動機(jī)的雨水大部分甩到外涵道，避免過多的雨水經(jīng)高壓壓氣機(jī)進(jìn)入燃燒室，使燃燒室熄火，造成發(fā)動機(jī)空中停車的嚴(yán)重故障。

CFM56-3風(fēng)扇葉片后緣與分流環(huán)采用了小間距造成飛機(jī)在大雨中降落時雙發(fā)熄火

CFM56-3雖在研制中通過了美國聯(lián)邦航空局（FAA）按FAR33部的吞水考核，但在實(shí)際使用中，737客機(jī)在1987年5月—1988年9月的一年多時間內(nèi)，發(fā)生過4次在特大雨水/冰雹著陸時雙發(fā)空中停車的嚴(yán)重危及飛行安全的故障，分析其原因竟是風(fēng)扇部件中有2處結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理造成的（見圖6），其一是風(fēng)扇葉片后緣與分流環(huán)間的間距太小，使雨水不易甩到外涵道，其二是進(jìn)氣錐做成長錐形，使雨水不易甩到外涵道。

為此，GE公司采取了3項結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施：加大葉片后緣與分流環(huán)的間距，即在主要結(jié)構(gòu)不變的情況下，采用了更換長度較短的分流環(huán)，但間距加大不多；將進(jìn)氣錐改成先橢后錐的形式；在增壓壓氣機(jī)后拐彎處設(shè)置一個放氣閥，當(dāng)雨水流經(jīng)拐彎處時，在拐彎形成的離心力作用下將雨水甩至外涵道。另外，還將發(fā)動機(jī)的空中慢車轉(zhuǎn)速由32% N1提高到45% N1，以提高將雨水甩出的離心力。

在CFM56系列發(fā)動機(jī)中最后推出的CFM56-7中，吸取了CFM56-3的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對風(fēng)扇部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計做了較大改進(jìn)。

結(jié)束語

結(jié)構(gòu)設(shè)計是航空發(fā)動機(jī)研制與使用中的一個重要環(huán)節(jié)，在該領(lǐng)域沒有很多、很專的高深理論，也沒有復(fù)雜繁瑣的公式推導(dǎo)，一般也不需要編制若干條語句的計算機(jī)程序，但卻是一項綜合性很強(qiáng)，要緊密結(jié)合實(shí)際的工作。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般要綜合考慮氣動、性能、傳熱、材料、工藝、強(qiáng)度、振動、裝配、使用和維修等方面的問題，還要考慮實(shí)際制造與使用的具體條件并結(jié)合國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行權(quán)衡，才能得到較好、較適用的設(shè)計。上述一些重大故障正說明在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，絕對不能忽視所謂的“小事”，對待任何細(xì)小問題均應(yīng)考慮周到。另外，還須從一些已運(yùn)行的發(fā)動機(jī)出現(xiàn)的大小故障中吸取教訓(xùn)。