从国外几起严重故障谈航空发动机研制的艰巨性

1．1 B一1B轰炸机在海湾战争中却阵

1．1．1风扇叶片甩脱使B—lB全面停飞

1991年1月l 7日，海湾战争爆发时．在美国空军服役共有97架b-1轰炸机。这XIE飞机却因F101发动机故障全部趴窝．影响了正常的飞行。1990年10月初，一架B-lB轰炸机刚飞到1 800 m高度时，l号发动机突然起火，飞机紧急着陆。检查发现发动机第1级风扇转子的一片叶片断裂．造成锁住所有叶片的卡环损坏，导致这级全部叶片从轮盘上甩出。使发动机失火。为研究这一故障原因及处理意见，空军当局下令B一1B轰炸机在10月5日至17日

期间停飞待处理。刚刚结束“禁闭”期恢复飞行后，又有一架飞机在着陆后立即复飞的训练中，地面人员发现飞机的3号发动机失火，立即命令飞机紧急着陆，经检查又是第l级风扇叶片锁叶片的卡环损坏，使8片叶片甩离轮盘，造成风扇部件严重损坏，并引起发动机失火。因此，美国战略空军司令部再次下令，驻扎在4个空军基地的97架B一1B再次停飞到1 991年2月5日。此时海湾战争爆发，这一故障致使B一1B轰炸机未能参战。

经过对故障的认真分析和试验研究，发现原设计的锁住叶片的卡环强度不够，是这两次事件的肇事原因。据统计，自1 986年6月

29日第1架B-1B加入美国空军服役到1990年底，发动机累计工作时间超过10万小时，曾出现6次叶片甩离事件。

1.1．2造成叶片甩脱事件的原因

由于发动机风扇叶片工作一段时间后，叶片被吸入的细小沙石冲刷磨蚀，叶型略有变化因而改变了叶片的自然振动频率，在97％的风扇最大转速下叶片出现共振，振动应力很大。如果叶片存在一些缺陷．例如被外来沙石打出的小凹坑、锈蚀及加工中不注意留下来的某些划伤等，就会使叶片折断，转子上只要有l片叶片断裂，转子的平衡就被破坏，风扇转子就会产生高频振动．导致卡环断裂．造成更多的叶片从轮盘上甩出，结果引起发动机着火。

1.1.3改进措施

首先改进卡环的设计。将原来由不锈钢材料制造的厚度为l.6 mm的卡环．改用镍基合金制造，厚度加大到3.68mm.卡环厚度加大后，强度提高约2.5倍。更换材料使它的疲劳强度与耐腐性能均得到提高。新的卡环于1991年2月开始在飞机上换装．每天换装20台发动机(即5架飞机)．到8月底B-1B全部换装完毕。

为解决叶片断裂问题，发动机生产厂家GE公司还对风扇转子做了改进设计。在风扇叶片根部加装减振块，以降低风扇叶片的振动应力

(可降低l／3)，计划在两年内可以达到使用状态。在未采用减振块之前-飞机每次飞行后，地勤人员需要爬进进气道，目视检查每个风扇叶片是否被外物打伤，另外还要定期用涡流裂纹检测仪检查所有叶片。20世纪90年代后期，GE公司还采用激光冲击强化LsP对风扇叶片进行强化处理，以提高叶片的疲劳强度。

l.2封严篦齿环断裂使350架F-16战斗机停飞

从1 994年7月起，在不到两个月的时间内，先后摔了4架美国制造的F-1 6战斗机(埃及空军和以色列空军各摔两架)。在这么短的时间内，由于同一故障，连续摔掉4架飞机，这在航空史上是少有的，因而引起美国空军和发动机制造商GE公司的重视。

F-1 6是一种单发单座轻型战斗机，主要用于空战，也可用于近距空中支援，1 978年底开始装备美国空军。它不仅是美国的主力战斗机，而且也是出口最多的战斗机。到1993年春，F-16订货达3 835架，其中2 203架为美国空军订货。

1．2.1造成事故的原因

经对事故调查、分折和研究，表明：造成4架F—1 6摔机的原因是该发动机高压涡轮后轴的封严蓖齿环断裂，断裂的碎片打坏低压涡轮．最终造成发动机损坏。1988年，一架B1-B轰炸机也是由于发

动机(F101)的高压涡轮后轴封严环断裂而失事。这两型飞机的发动机虽然型号不同，但它们的核心机相同，损坏部位的结构也完全一样，当B-1B出事后，被认为是封严篦齿间隙留得不够而造成的。因此，从19年起，新生产的发动机将此间隙加大了2倍。

在这次连续摔了4架飞机后，再次进行故障分析，发现封严间隙过大，引起篦齿环裂纹，而轴上的减振卡环未能控制裂纹的扩展，这是造成失事的主要原因。再回顾过去几年中，几种装用了F101、F11O发动机的飞机失事事件中，有8架不同型号的飞机B-1B、F-14和F-1 6都是由 同一原因造成的。

1．2.2改进措施

针对上述情况，决定恢复到原来的间隙值，结构上也稍做些修改。例如，将原用的卡环形减振环改为减振衬套。这样，需生产新的高压涡轮后轴，并将发动机从飞机上拆下换轴，而受影响的不仅是F-1 6战斗机，还包括发动机结构相近的那些飞机，如B-lB、B-2和F-14．大约有500余台发动机需要换新轴。为此，从1994年底起．美国空军有150架F-16停飞，外国空军有200架F-16停飞，总共5架B-2轰炸机中有两架停飞，还有一些F-14D停飞。由

于发动机一个零件出故障，造成大批飞机停飞，这在航空史上也是少

有的。

1．3钛机匣着火造成f／A-18战斗／攻击机坠毁

1987年11月美国五角大楼宣布，在1987年一年内，美国海军损失的9架F／A-18战斗／攻击机中，有4架是由于F404发动机钛着火造成的。F／A-18于1978年11月首飞到1986年初，F404发动机已累积飞行达100万小时。在投入使用后的六七年时间内，从未发生过钛机匣着火问题。但是到了1987年却突然冒出来严重影响飞机飞行安全的重大问题。

1.3.1着火原因

由于F 404发动机的高压压气机前几级转子和机匣均采用钛合金制造，当发动机长期工作以后，压气机叶片受到外来物的冲刷磨蚀，叶型发生了变化，改变了它原有的自然振动频率，在发动机某些工况下，引发第1、3级转子叶片折断。折断后的断片卡在转子叶尖与机匣之间．随着转子旋转而在机匣内摩擦，产生大量的摩擦热，引起钛合金自燃着火。着火后．很快将叶片烧坏，机匣烧穿。火焰继续外窜，烧穿外涵的钛合金机匣及发动机短舱，烧坏飞机其他系统的设备，最终导致飞机失事。

1.3.2防止钛着火的措施

首先对转子叶片加强和调频。F404发动机着火事故发生后，首先修改了第1、3级转子叶片的设计，避免在使用时间很长以后，出现共振现象。另外．将钛制压气机机匣改用M152合金钢，外涵机匣由钛合金改为PMRl5复合材料。改用材料后，发动机重量仅增加了0．4 kg与F404核心机结构相同的CFM56发动机随后也将高压压气机机匣的材料由钛台金改为M152合金钢。

1．4涡轮叶片断裂造成F一15E战斗机停飞

1993年4月6月，曾有两架F-15E在飞行中遇到了发动机第2级低压涡轮叶片断裂的严重故障。当时认为叶片铸造质量有问题。1 994年6月10日，一架F-15E在爬升时一台发动机的第2级涡轮工作叶片断裂．断片打穿发动机机匣．飞机紧急迫降在一民用机场。

1994年8月17日，又一架F-l 5E在做科目训练飞行中，再次发生涡轮叶片断裂故障，断裂叶片被机匣包容住，未击穿机匣。在1994年发生上述两次事件后，重新对其进行了分析、研究，认为是飞机在低空高速飞行时，叶片上的振动与过大的气动负荷促使产生裂纹。因此，提出要严格飞机在低空的飞行速度，最大不能大于1020 km／h。另外，对于那些工作循环已超过200战术循环的发动机都需拆换。这样，有75架F-15E受到停飞的处置，占美国空军计划装备

200架的88％。最终解决方法是将叶片和叶根加宽，相应地将轮盘的轮缘厚度也加宽．以降低叶片承受的应力值。这一改进使发动机重量增加5．9 kg。