工况突变是造成航空发动机研制困难的原因之一

作者：张馨予

　　陈光/文

　　多年以来，人们都认为研制航空发动机难在它的三高上，即转速高、压力高与温度高。的确，要很好地解决三高带来的问题，是非常不容易的事。但是在人们注意解决三高问题时，却忽视了发动机工况变化太大带来的潜在风险，也是制约发动机顺利研制的绊脚石。

　　以发动机转速为例，只耍一推油门杆，发动机立即由每分钟六、七千转上升到每分钟一万三、四千转，随着转速的增加，发动机由前到后各零、组件的温度也升高，而且升高值也各不相同。这样一来，原来匹配很好的两相邻的组件，由于温度升高不同，加上热膨胀系数的差异，会导致原来良好的配合关系被破坏，造成配合处的缝隙加大，使气休泄漏或缝隙过小使零件受损。

　　另外，航空发动机是飞机的心脏，为满足飞机的要求，往往在一瞬之间，发动机在地面以较低的转速工作突然以最大转速飞到十几千米高度上工作，不仅工作环境发生了巨大变化，发动机工作条件也有大的变化。这些都会带来原来匹配很好的相关零组件，会带来意想不到的困境。

　　为此，在发动机设计时一定要充分考虑使用中出现的类似问题，采取对应的措施。但是在设计时，终有考虑不周之处，这样就会在发动机工作时出现意想不到的故障，有些故障有的影响发动机的研制进度，有的还会影响飞机的安全飞行。为了解决这些故障，少者会花费一两个月时间，多者甚至花费半年以上时间。

　　国内外很多发动机在研制中甚至在使用中就出现过多种影响研制进度与正常使用的故障，下面介绍几个影响较大的故障。

　　中国民航总局于上世纪八十年代中期引进了装普惠公司JT9D-7R4发动机的波音747-200系列客机。在1985年末至1986年初的严冬季节中，发生了15起在当天第一次飞行爬升到600- 1500米高度收油门时，因喘振而造成空中停车的事件。

　　发动机在飞行中发生喘振，是对飞机飞行安全带来危险的重大故障，JT9D-7R4发动机在短时间内出现了15次，是危及波音747机群安全飞行的隐患，为此，中国民航总局对普惠公司提出严重警示，要求该公司尽快排除这个重大故障。普惠公司遂派出近二十人的专家组来到北京，研究分析故障发生的原因，提出改进措施。

　　JT9D-7R4发动机为了解决在非设计状态下不发生喘振，在高压压气机前几级采取了静子叶片做成出口角度可以调节的设计，这也是大多数大涵道比涡扇发动机中普遍采用的措施。即进口导流叶片与1-3级静子叶片做成可以调节的。图1示出了其结构，在每片静子叶片外端均装有一个摇臂，摇臂的一端用销钉插在整环的操纵环中，当操纵环转动时，会将所有静止叶片转动一个角度，用这个装置来调节可调静子叶片的角度。操纵环可以围绕机匣转动，其与机匣间保持一定的间隙。

　　普惠来华的专家组经过全面调查分析后，认为原来设计中规定的操纵环与机匣间的间隙不夠，是造成发动机15次喘振的原因。

　　由于当年北京深冬的气温低到摄氏零下十几度，发动机在夜间冻了大半夜后，所有外部与内部零件均处于极低的温度下，第二天第一个航班时，起动发动机并将油门推到起飞状态，随着转速的增加，发动机内部各处温度急剧上升。在热膨胀的作用下，机匣向外膨胀，而处于发动机外面的、由复合材料制成的操纵环，仍保持相对低的温度下，虽然也膨胀了但膨胀不像机匣膨胀得多，其结果造成操纵环被膨胀的机匣卡死而不能转动，使几排静止叶片不能调节出口角度，造成发动机喘振。

　　图、可调静子叶片结构

　　最终，普惠专家将原设计的操纵环与机匣间的间隙做了大幅度的修改，其结果见下表，从而解决了引发喘振的故障。

　　高压压气机各级可调叶片操纵环与机匣间隙值 mm

　　级改装前改装后

　　进口可调静叶0.203-0.610 4.394-4.902

　　1级 0.127-0.330 7.035-7.340

　　2级 0.127-0.330 2.971-3.276

　　3级 0.152-0.356 6.756-7.061

　　由表中可见，其改动还是较大，以1级可调静叶为例，其操纵环与机匣间的间隙由不到1mm，增加到7. 3mm，说明发动机工作时机匣膨胀量相当大，由于设计时没有考虑到这一变化值，遂引发了在工作中出现大故障。

　　1985年中，中国民航使用的JT9D-7R4发动机由于两级高压涡轮间的级间箆齿封严环断裂掉块，造成5次空中停车事件，其中一次断块还击穿机匣，造成非常严重的非包容故障。图2为其结构图，在高压1级涡轮盘2与2级涡轮盘3间，装有一个带4个箆齿的封严环1，与固定在2级涡轮导向叶片4内的封严环组成封严装置。箆齿环断裂位置在3、4齿间。