多災多難的普·惠齒輪傳動渦扇發動機GTF：陳光談航發165

最新 07-07

陳光/文

1、普惠的齒輪傳動渦扇發動機PW1000G

大涵道比渦輪風扇發動機自20世紀70年代初投入使用以來,一直存在風扇轉速較低造成低壓壓氣機(亦稱增壓壓氣機)與低壓渦輪處於不利的轉速下工作的窘境,隨著涵道比的加大,問題顯得越來越嚴重。

這是因為由風扇葉片榫根與風扇輪盤強度考慮,一般葉尖切線速度不應超過400~450m/s,但是由於風扇直徑大,風扇轉速當然較低,可是低壓壓氣機與低壓渦輪轉子均是與風扇轉子連接在一起的,這樣,低壓壓氣機與低壓渦輪只能在較低的轉速下工作,為了滿足驅動風扇的功率需要以及發動機總體性能要求的需要,它們的級數必定較多。

在20世紀80年代研製的大涵道比渦扇發動機,涵道比一般在5.0左右;90年代中後期研製的發動機涵道比大者達到8.0左右(GE90);21世紀初研製的發動機,涵道比達到10.0~11.0。涵道比越大,不僅低壓壓氣機與低壓渦輪級數要增多,而且效率低。

如果在風扇轉子與由低壓壓氣機及低壓渦輪組成的低壓轉子間,安裝一套減速比恰當的減速器（圖1）,使風扇轉子工作於較低的轉速,而低壓轉子工作於高的轉速下,即成為齒輪傳動的渦輪風扇發動機GTF（ GearedTurbofan）,可以很好地解決上述困境。

圖1、齒輪傳動渦輪風扇發動機

普惠公司是最早研製齒輪傳動渦輪風扇發動機的公司，早在上世紀90年代後期就推出過齒輪傳動的渦輪風扇發動機PW8000，PW8000發動機的推力為115～162千牛，當時，此發動機用的減速器除在部件試驗器上進行了一千多小時試驗外，還裝在發動機上進行了一千餘小時的試車。

但是，估計是無飛機選用，因此從提出的三、四年後就消聲匿跡了。直到2007年，普.惠公司再次提出齒輪傳動的渦輪風扇發動機，但不以PW8000出現，而以齒輪傳動風扇（GTF）之名出現。

2007年7月，日本三菱重工宣布啟動70座～90座級的三菱支線飛機MRJ，並宣布選擇普惠GTF發動機作為唯一動力裝置，發動機的推力為66.5～75.7千牛，計劃2014年投入使用。由於有了用戶，普惠公司加緊了GTF的研製工作，並宣稱GTF是「改變遊戲規則」的發動機。

2008年7月普惠公司在英國范堡羅航展上宣布，GTF發動機被正式命名為「Pure Power PW1000G」即「潔靜動力PW1000G型發動機」。

同時，龐巴迪公司也正式宣布啟動了100～149座級的C系列C110和C130型飛機研發和生產計劃，該飛機也採用PW1000G作動力，發動機推力為93.5～102.4千牛。此型發動機為C系列飛機帶來的好處是：二氧化碳排放減少20%，飛行時的雜訊水平只有當今同類飛機的20%，為航空公司運營現金成本帶來15%的優勢。C系列飛機於2013年9月16日進行了首飛，計劃在2014年交付使用。

2009年，俄羅斯伊爾庫特（Irkut）飛機製造公司宣布選用PW1000G系列發動機作為其新型的伊爾MC-21飛機的動力裝置。

2011年，空客公司宣布PW1000G系列發動機將作為其新型飛機A320neo系列飛機的備選發動機。

至此，PW1000G已有4個系列,即PW1200G用於日本的MRJ客機,推力最小,為67-76kN;PW1500G用於巴西的C系列客機,推力為93-104kN;PW1100GJM 用於空客的A320neo,PW1400G用於俄羅斯的MS-2,後兩系列的推力相同,為110-150kN。

PW1000G的涵道比為10～12，採用了普.惠公司特有的「泰龍」(TALON)燃燒室技術，並在高、低壓壓氣機，高、低壓渦輪，材料工藝，發動機監測和控制上進行重大的技術改進，採用了先進技術，製造出了環保好、低油耗、高效、低維修成本的新一代發動機。

與當今常用的發動機相比，油耗降低12%以上，使造成霧霾氣候的氮氧化合物（NOx）的排放減少50%。雜訊比世界民航組織規定的第四階段的要求低20分貝等。據普惠公司計算，裝兩台PW1000G發動機的飛機，每年每架飛機可以減少1000噸的二氧化碳排放。

採用PW1100G的A320neo於2016年1月20日投入運營， PW1500G己於2013年2月20日取得加拿大運輸局的適航證，採用PW1500G的龐巴迪C系列的CS100於2016年7月15日投入運營。

PW1000G在投入運營前及運營中卻出現了影響較大的故障。

2.PW1500G地面試車中出現低壓渦輪1級輪盤爆裂非包容故障

PW1500G在2013年取得適航證後，裝在龐巴迪C系列的CS100飛機上進行飛機的取證試飛。2014年5月29日，裝在CS100左翼的PW1500G在地面檢驗性試車中，1級低壓渦輪輪盤爆裂甩出發動機，是一起嚴重的非包容故障。

對故障發動機分解並進行分析後，發現渦輪間承力框架後的、向低壓渦輪1級輪盤吹冷卻空氣的引氣口（參見圖2）噴出了高溫的燃燒氣體，像噴燈一樣對著1級低壓渦輪輪盤的輪轂處噴火，其結果當然是輪盤在輪轂處形成一周的燒熔斷口，輪盤外緣部分在離心力作用下破裂其斷塊擊穿機匣甩離發動機，而輪盤的中心部像一個麵包圈似的殘留在低壓渦輪軸上，這種故障模式實屬罕見。

圖2、一股燃燒的氣體噴向1級渦輪輪盤

為了說明火焰從何而來，先對此處結構作進一步分析。圖3為PW1000G轉子支承簡圖，由圖可見高壓轉子後支點（4號）是支承於渦輪間承力框架中的，圖4為渦輪間承力框架簡圖。渦輪間承力框框是位於高低壓渦輪間的將高壓轉子後軸承（4號）負荷傳至外機匣的結構，它是由外機匣、內機匣、連接內、外機匣的承力桿以及套在承力桿外面的空心導向葉片組成，4號軸承座固定在內機匣內。

圖3、 PW1000G轉子支承簡圖

圖4、渦輪間承力框架示意圖

PW1000G的渦輪間承力框架（圖5）中，內機匣做成環形的盒型結構，普惠稱此機匣為扭力盒；

在外、內機匣間，裝有14片空心導流葉片，其中有7片中間通過傳力的承力桿；

滑油供油管、回油管與通風管以及對低壓渦輪進行冷卻的冷卻空氣導管等則由另外幾片空心導流葉片中間通過。

圖5、 PW1000G渦輪間承力框架（A）

圖6、PW1000G渦輪間承力框架（B）

圖5中示出了對4號軸承供滑油的供油管，供油管插入到扭力盒上的油孔中，在供油管與油孔接觸處，在油管端頭處裝有特氟龍Teflon C-seal封嚴圈。圖6示出了對低壓渦輪冷卻的流路，由來自高壓壓氣機4級處的空氣通過某一承力桿中心導管引到扭力盒中,冷卻空氣由扭力盒後端的出氣口對著1級低壓渦輪輪盤吹出。

普惠公司對PW1500G的試車指南中規定，停車前必需在低於70% N2下至少運轉10分鐘，以冷卻發動機，使主軸承腔中的滑油不結焦，並減輕起動時轉子彎曲的影響。

再次起動發動機不採取特別措施時，需停車8小時且發動機排氣溫度低於90℃。如果需在停車後，再次起動發動機則需在20分鐘內冷轉發動機多次，每次90秒，直到排氣溫度穩定於低於90℃；或者冷轉發動機5次，在N2=0後至少5分鐘後測量排氣溫度，如低於90℃，可以再次起動發機。

發動機工作時，4號軸承既承受高速旋轉產生的摩擦熱量，還要承受通過輪盤、軸等傳來的渦輪葉片熱量，這些熱量由供入的滑油帶走，保持軸承在能正常工作溫度下工作。

但是，如果發動機停車前不經過一段時間的冷卻（低轉速下運轉），直接從大功況下停車，這時渦輪葉片的極高溫度的熱量，大部分會經輪盤、軸傳至軸承，並通過軸承座傳至扭力盒，使扭力盒溫度升高。

其結果不僅會使軸承腔中滑油會結焦，軸承游隙減少甚至成負游隙，而且還會使高壓轉子出現熱彎曲等不利影響。

龐巴迪公司的試車人員在出故障的當天以及其前的幾次試車中，均未遵守指南中關於停車的規定，例如，在出故障前三天的試車中，即2014年5日26日發動機在78% N2工作118秒後，進行約19秒的冷卻後停車，在50分鐘後發動機再次起動，此次試車後滑油消耗量增大，表明已出現問題。

由於飛機座艙內聞到滑油的氣味，2014年５月29日飛機在地面對兩台發動機開車，檢查發動機是否有滑油泄漏現象，先對右發進行檢查，檢查結果表明該發動機沒有滑油泄漏。然後對左發開車檢查，第1次開車過程為：1分38秒冷運轉後起動發動機，在慢車運行7分53秒後在停車，地面維修人員對發動機進行檢查，未發現滑油泄漏跡象；

44分鐘後重起發動機，在慢車下運行6分1秒，隨後推到60% N1維持15分8秒，再推到74%N1，運行5分45秒時發生爆炸。

在發生故障前的那次（5月26日）試車中，發動機在大車狀態（78%N2）下運轉後，只進行了19秒的冷卻過程立即停車，隨後在50分鐘後再次起動發動機，造成扭力盒溫度升高較大，使滑油進油管特氟龍封嚴圈的工作溫度達到190℃，大大超過它的允許工作溫度（大於162℃時變形，大於180℃時永久變形），封嚴圈失效，滑油向外泄漏（圖7）。

另外，由於滑油導管在穿過扭力盒外殼時，外殼與導管間有一定的縫隙，因此扭力盒腔內是與空心的導向葉片內腔是連通的（參見圖5），導向葉片內腔的熱空氣流入扭力盒腔，同時，冷卻低壓渦輪的氣流是由高壓壓氣機4級處引來的溫度較高的氣流，也是流到扭力盒腔（參見圖6），在這二股熱氣流的作用下，使漏出的滑油自燃形成連續不斷的火焰，吹向1級低壓渦輪輪盤，見圖8。

由於此次試車中，工作時間不長，所以輪盤雖已受損但未破裂，只是滑油消耗量增大。