您好,欢迎来到蓝品汇优采云!
蓝品汇优采云

船用柴油机维修-航空燃气涡轮发动机叶片的重要性及工作条件分析四种燃气涡轮发动机的适用范围

来源:应急救援装备网  作者:蓝品汇优采云   2024-07-29 阅读:224

船用柴油机配件、船舶自动化设备一站式采购维修平台。www.ship023.com

燃气涡轮发动机的分类

在航空燃气涡轮发动机中,各种叶片(风扇、压气机、涡轮转子叶片和定子叶片)不仅数量多(通常有3000~4000片,甚至更多),而且要求高,它们的工作质量对发动机的影响很大,当它们发生故障时,对发动机的可靠性和耐久性也有很大影响,例如压气机前几级的工作叶片如果断裂,碎片会随气流倒流,损坏后部各级叶片乃至涡轮。

另一方面,叶片特别是工作叶片的工况比较恶劣,叶尖切向速度高(如GE90高压压气机叶尖切向速度为455m/s,高压涡轮则更高),载荷大,涡轮叶片要承受高温;叶片又薄又长,特别是风扇叶片,在运行过程中可能会发生振动、颤振;

燃气涡轮发动机的分类

风扇叶片位于发动机进气口处,容易被吸入发动机的异物(沙子、冰、鸟等)损坏。流入发动机的空气中往往含有沙子和灰尘,会磨损叶片表面。涡轮叶片中的某些杂质(如硫)会对涡轮叶片造成腐蚀;如果沙子和灰尘进入涡轮叶片并堵塞冷却通道,叶片会立即过热并损坏。

有时发动机投入使用后很长一段时间,叶片都不会出现什么问题;但随着使用时间的增长,叶片长期受到风沙、灰尘的侵蚀,原有的表面遭到破坏,不仅影响性能,还会影响叶片的振动特性,会使原本不振动的叶片也出现振动问题。

燃气涡轮发动机的分类

例如F/A18战斗/攻击机使用的F404发动机于1980年5月投入使用,一直工作良好,代表发动机可靠性的空中停机率和修理率逐年下降并趋于稳定。1987年,在发动机累计使用100多万飞行小时后,高压压气机1级和3级叶片发生共振断裂,碎片卡在钛叶片尖端与钛机壳之间,形成钛-钛摩擦,使钛机壳起火,导致飞机起火坠毁。

美国国防部于1987年11月公布,美国海军当年一共坠毁了9架F/A18战斗/攻击机,其中4架就是因为叶片振动断裂导致钛合金起火而坠毁。再比如B-1B轰炸机F101发动机,F101发动机于1970年6月研制,研制过程中进行了大量试验,是一款性能较好的发动机。

燃气涡轮发动机的分类

然而,1990年10月中旬,两架B1B在飞行过程中因发动机起火而险些坠毁。研究表明,第一级风扇叶片因长期受沙尘磨损而产生振动,振动频率发生变化,在特定转速下产生共振,导致一片叶片断裂。一片叶片断裂后,转子不平衡度增大,发动机振动加剧,导致锁住叶片的挡圈断裂,其他叶片相继甩出机轮,导致发动机失火。

燃气涡轮发动机的分类

由于该故障危及飞机的飞行安全,美国空军决定停飞所有B1B(共97架)直至1991年2月5日,以便分析故障并修改发动机(更换新的加厚固定环)。停飞期间,1991年1月17日,多国部队开始对伊拉克实施“沙漠风暴”空袭。因此,B1B轰炸机成为美国空军和海军中唯一一架没有参加“沙漠风暴”作战的飞机。

燃气涡轮发动机的分类

我国研制的运7飞机也在1992年春节前后停飞,原因是其发动机(WJ5)第一级涡轮叶片在使用过程中连续四次断裂,损坏严重。再如1994年6月10日和17日,两架F15E战斗机在飞行过程中涡轮叶片断裂,导致发动机半空中熄火的重大事件。

其采用的发动机是F100 PW 229型燃气涡轮发动机的分类,该型发动机以兼具高性能(推重比为8)和高可靠性而闻名,是目前西方国家在役的最先进的发动机之一(另一款是F110 GE 129型发动机),该型发动机于1988年12月下旬开始装备美国空军。

此次损坏的叶片为低压涡轮第二级工作叶片,1993年4月和6月,该机在飞行过程中还发生过另外两次叶片断裂故障,当时认为该批叶片的铸造质量存在缺陷,这批缺陷叶片可以进行更换。

燃气涡轮发动机的分类

但在1994年10月再次发生事故后,进一步分析认为,叶片出现裂纹是由于F15E在高速低空飞行时,叶片受到的震动和过大的气动载荷造成的。

因此作为应急措施,除了严格规定低空飞行时飞机速度不能大于/h外,还必须更换工作循环超过200战术循环的发动机。

结果导致75架F15E停飞,占总数200架的38%。最终的解决方案是加宽叶片根部,并增加相应轮辋的厚度,以降低叶片上的应力值。这些改变将使发动机重量增加5.9kg。

以上四个例子说明,发动机叶片断裂故障将造成极其严重的后果,另外,有些故障在设计开发试验时并没有被发现,而是在非常复杂的工况条件下,经过一定时间的使用后才会出现。

因此在发动机设计研发过程中船舶自动化设备维修,不仅需要对叶片工作进行详细的强度和振动分析计算,还要在试验台架上测量其应力和振动值,更重要的是对整机进行更全面的试验,以便能够更全面地模拟现场使用工况,对其强度和振动进行考核。

燃气涡轮发动机的分类

燃气涡轮发动机的分类

随着发动机性能和可靠性的不断提高,叶片的设计(气动设计和结构设计)也有了很大的改进。

例如,目前在风扇、高压压气机、高压涡轮和低压涡轮的工作叶片和静子叶片中(如在GE90等发动机中)已经全面采用了三维流气动设计船舶配件,而在20世纪80年代后期,仅在部分叶片上(如风扇叶片和低压涡轮叶片)采用三维流气动设计;

宽弦叶片和小展弦比的叶片已广泛应用于风扇和压气机叶片;可控扩散(CDA)叶片不仅用于压气机叶片,而且在某些发动机中还用于定子叶片;

20世纪90年代初研制的发动机的大型风扇叶片(如波音777使用的GE90,遄达800发动机)都采用了宽弦无肩设计,取代了传统的有肩叶片;“正交叶片”不仅在增压压气机上得到应用,而且在中压压气机和低压涡轮(遄达800)上也得到应用;

弯曲定子叶片于1993-1994年首次应用于高压压气机,预计很快会被其他发动机效仿。复合材料制成的大型风扇叶片已成功应用于GE90发动机。

燃气涡轮发动机的分类

在涡轮叶片中,用单晶材料制成的工作叶片在发动机上已得到广泛的应用,随着涡轮入口气体温度由20世纪80年代中期的1650~1700K提高到1850~1900K,涡轮叶片不仅必须采用更多的耐高温镍基合金,而且冷却设计更加复杂,冷却效果要求更高,高效的隔热涂层已得到广泛应用;

复合斜式涡轮导流叶片不仅在小型涡轴、涡桨发动机上得到广泛应用,而且在大推力涡扇发动机的高压涡轮上也有应用,在一些发动机上也有采用。

为解决叶片振动问题,在工作叶片根部增加减振块的设计,在风扇、涡轮叶片上已得到广泛采用;为提高效率,在压气机工作叶片的榫头根部加装密封条,也已被广泛采用。

目前,整体叶盘已在新设计的军用和民用发动机中得到应用,如军用发动机中的F414、EJ200、F119燃气涡轮发动机的分类,民用发动机中的BR710等,预计不久将在其他发动机上得到应用,这些都给叶片的结构设计、强度设计和振动设计带来了一些新的问题。

船用柴油机配件----------------------------
这是船舶柴油机配件采购平台。

免责声明:
本站部份内容系网友自发上传与转载,不代表本网赞同其观点;
如涉及内容、版权等问题,请在30日内联系,我们将在第一时间删除内容!

相关资讯