防止风扇叶片颤振和外物进入高压压气机:对于第1级与2级风扇叶片,在设计时应考虑在工作包线内不应出现颤振,除在强度、振动计算中予以避免外,还应在高空台中进行高温与大 Ma下以及低温条件的试验,后者是在进气温度为-30 ℃下进行试车予以考核,或者在飞行试验中予以考验。
风扇叶片还应有足够的疲劳强度储备,仅用静强度的应力来设计是不够的,因为在工作中振动应力比正常工作的应力大很多,欧美发动机中,其比值约为8,苏制 Д36发动机(用于雅克42客机)风扇叶片的振动应力比正常时应力大3~5倍。
在发动机结构设计时要采取措施防止由进口吸入的外物(砂石、冰块与水等)进入高压压气机,以及其后部的燃烧室与涡轮。这可以用改进风扇前的帽罩形式,增大风扇出口与分流环间的间距,在风扇部件后端安装放气门等来达到。
防止压气机及涡轮轮盘破裂:风扇、压气机与涡轮轮盘如果在工作中破裂,破裂的断块甩出发动机时的能量非常大,机匣是不可能包容住的,因此其危害非常大,极大地危及飞机的安全,所以必须提高轮盘的可靠性。
提高计算精度:提高静强度(确定破裂转速)与低循环疲劳寿命的计算精度,要采用最完善的计算模型与计算方法,要将计算的结果与实验所得的数据进行比较与修正。目前,按破裂转速计算的安全系数比试验得到的破裂安全系数高10%,因此对计算得到的数据要用修正系数修正。
用计算方法确定轮盘低循环疲劳寿命时,要求考虑在复杂应力状态下的应力集中。为了得到真实的轮盘寿命,要求采用由试验测得的载荷与温度状况的周期变化情况。
严格控制榫槽槽底裂纹:榫槽槽底允许有裂纹存在,但要监视裂纹的发展,严格控制裂纹允许的长度。允许的裂纹长度应经过详细计算,并通过试验验证,然后留有裕度规定出允许的长度。
一般按计算与试验得出的危险长度的50%值作为允许裂纹扩展的长度。检查裂纹发展的间隔时间应低于从发现裂纹起到扩展到临界长度所经历时间的一半(F100 PW 220中,从裂纹发现开始到扩展至临界长度的时间大于检验周期的二倍以上)。
严格控制粉末盘粉末粒度:采用粉末冶金做轮盘时,粉末的粒度要严格控制。F404投入使用后由于涡轮轮盘粉末的粒度不够细,发生过高压涡轮轮盘工作中破裂造成飞机失事的严重事故,不得不换用锻造轮盘。后来进一步细化粉末粒度后,才又在F404中使用粉末冶金的涡轮盘。
严格控制轮盘的冷、热加工轮盘中的冶金缺陷与冷热加工的缺陷是严重影响发动机可靠性的重要因素,因此,对加工过程要严格控制,并要加强检验。RB211 22B在1972年底到1973年初的两周时间内,出现过两次风扇轮盘破裂甩出发动机的严重事件,经调查分析,其原因是原材料冶炼中杂质未除净,冷热加工中,残余加工应力未能消除等。
为此,除针对原因采取了一些措施外,还特别采取了增加一次旋转的程序,即在轮盘完成最后加工与检验工序后,将它装在旋转试验台上,在工作转速下旋转一定时间,以便将那些潜伏的疵点显示出来(参见“RB211 22B风扇盘飞行中甩出的严重故障”)。
轮盘轮毂上不开斜孔:在轮盘轮毂处最好不开导引冷却空气用的斜孔,因为开斜孔后会产生高的应力集中(应力集中系数高达5~6)。
防止涡轮轴损坏:涡轮轴的损坏将造成极为严重的事件。国内外发动机使用中,已出现过多次。因此,在设计、生产中应给予特别注意。
应力集中不能过大:设计中,不应出现应力集中过大的结构,例如台阶处,应采取圆弧过渡,圆角半径不能小;轴上开孔时,孔在外缘与内径处均应倒圆;非配合表面也要有很高的加工光洁度,低压轴与高压轴间应留有足够的空隙,以保证即使工作中出现过大振动时也不会相碰。
主轴采用模锻毛坯:主轴的毛坯应采用模锻,不允许毛坯中有锻造缺陷,应严格检验。
严格控制冷加工质量:制造中,要保证加工精度与表面光洁度,特别是要保证圆角与倒角的尺寸,要确保内表面的加工质量,苏制发动机 HK 8 4曾由于涡轮轴内壁加工质量不好而断裂,引起过严重的飞行事故。
提高工作叶片锁片的可靠性:在国内发动机研制、使用中均出现过由于锁紧工作叶片的锁片强度不够而造成严重后果的事例。
例如B 1轰炸机未能在1991年初海湾战争中参战,主要是由于它的动力F101发动机第1级风扇叶片锁紧用的卡环折断使风扇叶片甩离轮盘而造成的。
国内发动机研制中,也出现过由于叶片锁片强度不够在试车中折断使叶片甩离轮盘而造成不该发生的重大事故。
因此,在设计、制造、装配与重新装配锁片或锁紧卡环时,一定要精心对待。
设计时,除考虑它正常工作时承受的气动载荷外,还要考虑飞机作机动飞行时的惯性载荷,不正常工作(例如喘振)时的过大载荷,叶片振动时的附加载荷,低循环疲劳等。
加工时,避免出现会造成应力集中过大的加工缺陷,装配时要避免反复弯边等。
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