分享:

航空科普:什么是航空发动机转子碰磨?

2018-11-15 13:19:56 中国航空报

6401

中国航空报讯:随着人们对航空发动机油耗、推重比等要求的逐步提高,提升航空发动机运行效率,尤其是提升民用航空发动机的经济性已经变得越来越重要。航空发动机的总体运行效率是气动效率、燃烧效率、冷却效率与机械效率等共同决定的。其中,提升航空发动机的气动效率是提升发动机整体运行效率最直接、最有效的手段。而气动效率的损失很大一部分是由叶片顶部与机匣之间的间隙直接或间接产生。

如果我们把叶片顶部与机匣之间的间隙设计的比较小,可以解决这一问题吗?并不能,因为太小的叶顶间隙会增加叶片与机匣发生碰磨的可能性,进而引发一些灾难性的后果。

后果这么严重,那一旦发生碰磨的话整个发动机会都坏掉吗?实际上,所有的发动机在它们的全寿命周期内都会或多或少地发生叶片与机匣的碰磨,其中99%以上的碰磨都是无害的。这些无害的碰磨主要包含以下两个特点:碰磨引起的叶片振动不大;碰磨引起的叶片振动可以随着时间的流逝逐步消失。而那些会引起叶片持续、剧烈振动的碰磨,就有可能诱发叶片断裂报废、转轴弯曲和整机剧烈振动等更严重的问题。

那发动机运行得好好的,为什么会产生碰磨的现象呢?碰磨产生的原因有很多,例如,飞机在起飞或者进行机动飞行的时候,机匣会因为受到惯性力的作用发生变形,如果机匣某处的变形量超过了叶顶间隙,叶片就会与机匣在那儿发生碰撞。上面这条原因这是由于机匣的变形导致的,还有一条原因是跟发动机的轴系有关。在典型的现代民用涡扇发动机结构中,发动机的低压轴通过法兰或其他方式与轮盘连接,轮盘上又会安装有风扇、压气机或者是涡轮叶片。当发动机的轴因为质量不平衡或其他原因发生弯曲或者振动的时候,会带动连接在它上面的轮盘发生变形或振动,就可能会导致轮盘上的叶片与机匣发生碰撞。以上是航空发动机发生转子碰磨的两个最主要的原因。

同样都是碰磨,为何有的会慢慢消失,有的会发生持续的剧烈振动?根据牛顿第三定律,碰磨力会在碰磨发生时同时施加在叶片与机匣上,激起叶片与机匣的变形或振动。如果很不巧,机匣振动的频率、叶片转动的频率与叶片本身的固有频率满足某些特定关系的时候,就会让叶片与机匣受到越来越大的碰磨力,产生越来越大的振幅,进而形成不稳定的振动,就好像发生了某种意义上的“共振”,最终导致危险的产生。

如果人们能够对碰磨产生的机理及其引起的一系列变形、振动等现象有比较深刻的认识,就能够在设计或者发动机运行的过程中进行一定控制与调整,在保证发动机能够在各个工况长时间安全运行的情况下,尽量减少由叶顶间隙引起的气动效率损失,将碰磨这个“怪物”牢牢地控制住,不让它胡作非为,最大限度地保障人们的生命财产安全。 

责任编辑:臧航