原标题：地面试车出现非包容故障，多灾多难的普·惠齿轮传动涡扇发动机GTF陈光谈航发165

  大涵道比涡轮风扇发动机自20世纪70年代初投入到正常的使用中以来,一直存在风扇转速较低造成低压压气机(亦称增压压气机)与低压涡轮处于不利的转速下工作的窘境,随着涵道比的加大,问题显得越来越严重。

  这是因为由风扇叶片榫根与风扇轮盘强度考虑,一般叶尖切线m/s,但是由于风扇直径大,风扇转速当然较低,可是低压压气机与低压涡轮转子均是与风扇转子连接在一起的,这样,低压压气机与低压涡轮只能在较低的转速下工作,为满足驱动风扇的功率需要以及发动机总体性能要求的需要,它们的级数必定较多。

  在20世纪80年代研制的大涵道比涡扇发动机,涵道比一般在5.0左右;90年代中后期研制的发动机涵道比大者达到8.0左右(GE90);21世纪初研制的发动机,涵道比达到10.0~11.0。涵道比越大,不仅低压压气机与低压涡轮级数要增多,而且效率低。

  如果在风扇转子与由低压压气机及低压涡轮组成的低压转子间,安装一套减速比恰当的减速器（图1）,使风扇转子工作于较低的转速,而低压转子工作于高的转速下,即成为齿轮传动的涡轮风扇发动机GTF（ GearedTurbofan）,可以很好地解决上述困境。

  普惠公司是最早研制齿轮传动涡轮风扇发动机的公司，早在上世纪90年代后期就推出过齿轮传动的涡轮风扇发动机PW8000，PW8000发动机的推力为115～162千牛，当时，此发动机用的减速器除在部件试验器上进行了一千多小时试验外，还装在发动机上进行了一千余小时的试车。

  但是，估计是无飞机选用，因此从提出的三、四年后就消声匿迹了。直到2007年，普.惠公司再次提出齿轮传动的涡轮风扇发动机，但不以PW8000出现，而以齿轮传动风扇（GTF）之名出现。

  2007年7月，日本三菱重工宣布启动70座～90座级的三菱支线飞机MRJ，并宣布选择普惠GTF发动机作为唯一动力装置，发动机的推力为66.5～75.7千牛，计划2014年投入到正常的使用中。由于有了用户，普惠公司加紧了GTF的研制工作，并宣称GTF是“改变游戏规则”的发动机。

  2008年7月普惠公司在英国范堡罗航展上宣布，GTF发动机被正式命名为“Pure Power PW1000G”即“洁静动力PW1000G型发动机”。

  同时，庞巴迪公司也正式公开宣布启动了100～149座级的C系列C110和C130型飞机研发和生产计划，该飞机也采用PW1000G作动力，发动机推力为93.5～102.4千牛。此型发动机为C系列飞机带来的好处是：二氧化碳排放减少20%，飞行时的噪声水平只有当今同类飞机的20%，为航空公司运营现金成本带来15%的优势。C系列飞机于2013年9月16日进行了首飞，计划在2014年交付使用。

  2009年，俄罗斯伊尔库特（Irkut）飞机制造公司宣布选用PW1000G系列发动机作为其新型的伊尔MC-21飞机的动力装置。

  2011年，空客公司宣布PW1000G系列发动机将作为其新型飞机A320neo系列飞机的备选发动机。

  PW1000G的涵道比为10～12，采用了普.惠公司特有的“泰龙”(TALON)燃烧室技术，并在高、低压压气机，高、低压涡轮，材料工艺，发动机监测和控制上进行重大的技术改进，采用了先进的技术，制造出了环保好、低油耗、高效、低维修成本的新一代发动机。

  与当今常用的发动机相比，油耗降低12%以上，使造成雾霾气候的氮氧化合物（NOx）的排放减少50%。噪声比世界民航组织规定的第四阶段的要求低20分贝等。据普惠公司计算，装两台PW1000G发动机的飞机，每年每架飞机能够大大减少1000吨的二氧化碳排放。

  PW1500G在2013年取得适航证后，装在庞巴迪C系列的CS100飞机上进行飞机的取证试飞。2014年5月29日，装在CS100左翼的PW1500G在地面检验性试车中，1级低压涡轮轮盘爆裂甩出发动机，是一起严重的非包容故障。

  对故障发动机分解并做多元化的分析后，发现涡轮间承力框架后的、向低压涡轮1级轮盘吹冷却空气的引气口（参见图2）喷出了高温的燃烧气体，像喷灯一样对着1级低压涡轮轮盘的轮毂处喷火，其结果当然是轮盘在轮毂处形成一周的烧熔断口，轮盘外缘部分在离心力作用下破裂其断块击穿机匣甩离发动机，而轮盘的中心部像一个面包圈似的残留在低压涡轮轴上，这种故障模式实属罕见。

  为了说明火焰从何而来，先对此处结构作进一步分析。图3为PW1000G转子支承简图，由图可见高压转子后支点（4号）是支承于涡轮间承力框架中的，图4为涡轮间承力框架简图。涡轮间承力框框是位于高低压涡轮间的将高压转子后轴承（4号）负荷传至外机匣的结构，它是由外机匣、内机匣、连接内、外机匣的承力杆以及套在承力杆外面的空心导向叶片组成，4号轴承座固定在内机匣内。

  PW1000G的涡轮间承力框架（图5）中，内机匣做成环形的盒型结构，普惠称此机匣为扭力盒；

  在外、内机匣间，装有14片空心导流叶片，其中有7片中间通过传力的承力杆；

  滑油供油管、回油管与通风管以及对低压涡轮进行冷却的冷却空气导管等则由另外几片空心导流叶片中间通过。

  图5中示出了对4号轴承供滑油的供油管，供油管插入到扭力盒上的油孔中，在供油管与油孔接触处，在油管端头处装有特氟龙Teflon C-seal封严圈。图6示出了对低压涡轮冷却的流路，由来自高压压气机4级处的空气通过某一承力杆中心导管引到扭力盒中,冷却空气由扭力盒后端的出气口对着1级低压涡轮轮盘吹出。

  普惠公司对PW1500G的试车指南中规定，停车前必需在低于70% N2下至少运转10分钟，以冷却发动机，使主轴承腔中的滑油不结焦，并减轻起动时转子弯曲的影响。

  再次起动发动机不采取特别措施時，需停车8小时且发动机排气温度不高于90℃。如果需在停车后，再次起动发动机则需在20分钟内冷转发动机多次，每次90秒，直到排气温度稳定于低于90℃；或者冷转发动机5次，在N2=0后至少5分钟后测量排气温度，如低于90℃，能再一次起动发机。

  发动机工作時，4号轴承既承受非常快速地旋转产生的摩擦热量，还要承受通过轮盘、轴等传来的涡轮叶片热量，这些热量由供入的滑油带走，保持轴承在能正常工作时候的温度下工作。

  但是，如果发动机停车前不经过一段時间的冷却（低转速下运转），直接从大功况下停车，这時涡轮叶片的极高温度的热量，大部分会经轮盘、轴传至轴承，并通过轴承座传至扭力盒，使扭力盒温度升高。

  其结果不仅会使轴承腔中滑油会结焦，轴承游隙减少甚至成负游隙，而且还会使高压转子出现热弯曲等不利影响。

  庞巴迪公司的试车人员在出故障的当天以及其前的几次试车中，均未遵守指南中关于停车的规定，例如，在出故障前三天的试车中，即2014年5日26日发动机在78% N2工作118秒后，进行约19秒的冷却后停车，在50分钟后发动机再次起动，此次试车后滑油消耗量增大，表明已出现问题。

  由于飞机座舱内闻到滑油的气味，2014年５月29日飞机在地面对两台发动机开车，检查发动机是否有滑油泄漏现象，先对右发进行全方位检查，检查根据结果得出该发动机沒有滑油泄漏。然后对左发开车检查，第1次开车过程为：1分38秒冷运转后起动发动机，在慢车运行7分53秒后在停车，地面修东西的人对发动机进行全方位检查，未发现滑油泄漏迹象；

  44分钟后重起发动机，在慢车下运行6分1秒，隨后推到60% N1维持15分8秒，再推到74%N1，运行5分45秒时发生爆炸。

  在发生故障前的那次（5月26日）试车中，发动机在大车状态（78%N2）下运转后，只进行了19秒的冷却过程立即停车，随后在50分钟后再次起动发动机，造成扭力盒温度上升较大，使滑油进油管特氟龙封严圈的工作时候的温度达到190℃，大大超过它的允许工作时候的温度（大于162℃时变形，大于180℃时永久变形），封严圈失效，滑油向外泄漏（图7）。

  另外，由于滑油导管在穿过扭力盒外壳时，外壳与导管间有一定的缝隙，因此扭力盒腔内是与空心的导向叶片内腔是连通的（参见图5），导向叶片内腔的热空气流入扭力盒腔，同时，冷却低压涡轮的气流是由高压压气机4级处引来的温度比较高的气流，也是流到扭力盒腔（参见图6），在这二股热气流的作用下，使漏出的滑油自燃形成连续不断的火焰，吹向1级低压涡轮轮盘，见图8。

  由于此次试车中，工作時间不长，所以轮盘虽已受损但未破裂，只是滑油消耗量增大。

  在5月29日试车中，当发动机转速保持在74%N1近六分钟时，1级低压涡轮轮盘轮毂在不断的火焰喷射作用下，失去强度在离心力作用下，向外甩出，参见图2，其断片打坏飞机多处结构，幸无人员伤亡。

  图9为残存的低压涡轮部件，由图可见：1级轮盘仅剩类似面包圈的中心部分，2级低压涡轮导向叶片仅剩极少的残件，2级低压涡轮工作叶片与轮盘基本完整。由发动机外形照片（图10）可见，在1级低压涡轮处，机匣被甩出的断片撕裂出一条近340度的环形裂缝。图11为甩离发动机的1级低压涡轮轮盘断块。

  普惠公司在总结这次故障后，采取了以下几项措施即：停车前发动机需在慢车状态下运转20分钟以冷却发动机；

  在低压涡轮前腔装热电偶监测腔温；每天飞行后检查滑油消耗量；封严圈使用温度限制在148℃；增加每天孔探检查等。生产型发动机中将把供油管与冷却用空气流分开。

  由于这次1级低压涡轮轮盘爆裂故障，使C系列飞机2014年投入到正常的使用中的计划告吹，延期至2016年7月才投入到正常的使用中。返回搜狐，查看更加多