渦輪裝置的防護措施 防止低壓渦輪軸飛轉的裝置

在渦輪風扇發動機、多數渦槳和渦軸發動機中,低壓渦輪或動力渦輪軸穿過高壓轉子的軸向前去驅動風扇、減速器,因此,低壓渦輪軸軸徑小於燃氣發生器軸徑。另一方面,低壓渦輪或動力渦輪的轉速大大低於燃氣發生器轉速。如燃氣發生器與風扇或減速器傳動功率相等,低壓渦輪或動力渦輪軸的轉速低,傳遞的扭矩就大,但它的軸徑又比燃氣發生器軸徑小,因而它承受的剪切應力大大地高於燃氣發生器軸的,也即它的安全係數比燃氣發生器軸的小很多,設計時,當然應保證它有足夠的強度。

但是有可能(概率極低)在一些特定情況下,該軸傳動的扭矩突然增加很多或材質變壞、軸徑變小,使承受的剪切應力大增而超過許用應力,軸會被扭斷。一旦低壓轉子或動力渦輪軸在工作中折斷,將會發生災難性的事故。這是因為軸折斷後,低壓渦輪或動力渦輪失去負載,但進入低壓渦輪或動力渦輪的燃氣能量未變,使轉子轉速急劇上升達到飛轉狀態,渦輪的工作葉片會甩離輪盤,輪盤也會四分五裂地甩出。

在什麼情況下會出現這種情況呢?首先,高壓軸或低壓(或動力渦輪軸)軸振動突然大增,或固定於高壓轉子上的零件變形,使高壓軸(或其上的零件)與低壓軸(動力渦輪軸)相碰磨。這時,不僅在低壓軸(或動力渦輪軸)上摩擦出槽道,使軸徑變小,而且摩擦產生的高溫使低壓軸(或動力渦輪軸)材質變壞。另外,在渦輪風扇發動機中,當發動機吸入大鳥或輪胎碎片時,有時會卡在風扇轉子與靜子間,增大了渦輪的反扭矩,會使軸承受不了而折斷。

在渦槳、渦軸發動機中,包括動力渦輪軸不穿過燃氣發生器而向後輸出功率的渦槳、渦軸發動機中,動力渦輪軸傳動減速器,如果減速器出現某些嚴重故障,例如,某一齒輪斷裂,斷片卡住了減速器的傳動鏈,使減速器無法工作;或滑油系統工作不正常,齒輪軸承(滑動軸承)或齒輪被燒結等,這些都將使減速器變為不能轉動的裝置,會將動力渦輪軸扭斷。

以上所述的幾種可能使低壓軸或動力渦輪軸折斷,造成低壓(或動力)渦輪飛轉的事故,國內外均曾遇到過。

對於這種在正常情況下絕不會出現問題,但在某些特定情況下(而這些特定情況又有可能出現的條件)會出現問題(概率極低),只要出現問題又會帶來災難性的事故。

為此,低壓渦輪轉子或動力渦輪轉子上必須採取安全設計,防止當軸折斷時,低壓渦輪或動力渦輪飛轉。防止低壓渦輪飛轉的措施有二類,一類是機械地卡住轉子,不讓轉子轉動,例如PW2037高涵道比渦輪風扇發動機的低壓渦輪轉子就是利用這個辦法防止轉子飛轉的。圖90示出了其結構,它的第3,4級導向葉片由外向內做成向後傾斜的,當渦輪軸斷裂後,渦輪轉子在燃氣氣動軸向力作用下向後移動,第2,3級工作葉片尖立即與導向葉片外端相碰而將轉子卡住。這種辦法是被動的,因為高溫燃氣還繼續流向渦輪工作葉片,還有使轉子轉動的能量,因此尚未在其他發動機中發現採用這一方案的。

圖90 、PW2037發動機低壓軸斷裂時防超轉的措施

用得較為廣泛的方法是一旦渦輪軸斷裂,立即將燃燒室中的噴油嘴前的高壓燃油泄掉,燃燒室立刻熄火,無高溫燃氣流向渦輪工作葉片,當然低壓渦輪轉子轉速很快下降,從根本上講低壓渦輪轉子絕不可能超轉。

圖91示出斯貝發動機防低壓渦輪飛轉的措施,它在低壓渦輪後軸的後端有一與鋼索相連的搖臂,在低壓渦輪軸內固定一個帶矩形內螺紋的螺紋套筒,它的內螺紋與挺桿相配,挺桿有內套齒,滑油中心導管用套齒卡在挺桿的套齒中。

正常情況下,低壓渦輪軸通過螺紋套筒、挺桿帶著滑油中心導管一起轉動;當渦輪軸折斷後,風扇轉子轉速立即下降,滑油中心導管由於在前端是固定在風扇軸內的,因而轉速隨著風扇轉速的降低而降低,與此同時,低壓渦輪轉子轉速卻上升,於是,挺桿在螺紋相對轉動下而快速向後移,頂上搖臂並推著搖臂繞軸心轉動,向下拉鋼索,將噴油嘴前燃油總管上的緊急放油口打開,將高壓燃油泄掉,防止了低壓轉子超轉。

圖91、斯貝發動機低壓渦輪軸斷裂時防超轉的措施

JT15D 小涵道比渦輪風扇發動機中,採用了類似於斯貝的搖臂裝置,但推動搖臂轉動的卻是固定於低壓渦輪軸後端的推桿,當軸折斷後,轉子在燃氣氣動力作用下向後快速移動,推桿即碰上搖臂並使其繞軸芯轉動,拉緊鋼索將緊急放油口打開,將高壓燃油泄掉。

在渦槳、渦軸發動機中,一般均有測量減速器輸出扭矩值的裝置(測出扭矩、轉速就可算出輸出功率值)。這時,可以利用測扭機構來防止動力渦輪超轉,當減速器被卡死停轉時,輸出扭矩立即下降並消失,此時可立即緊急停車,迅速關閉燃燒室的燃油,使動力渦輪軸不會出現超轉。

在有些渦槳、渦軸發動機中,測扭機構直接與動力渦輪轉子輸出端相連,通過感測器感受動力渦輪軸的扭矩大小,以便得知動力渦輪軸是否超轉。

還有一些發動機,測扭機構裝在減速器中,圖92所示為某渦槳發動機的測扭機構。在該機構中,動力渦輪通過主動齒輪驅動第1級行星齒輪,它的扭矩傳給固定齒圈。在此扭矩的作用下,由於它的外圓周上的斜齒槽卡在後機匣的斜槽內,斜齒上承受的切向力會產生一個如箭頭所示的軸向分力,推動測扭機構活塞向圖右方移動。活塞在油缸中右移時帶動柱塞活門壓縮調節彈簧而一同右移。

這樣就使由調節孔進入油缸的高壓油流量增加,油腔的壓力增加,直到腔內油壓對活塞的作用力與齒圈受扭矩的軸向分力平衡時為止。 通過測量測壓油腔的壓力,經過換算,即可用儀錶指示出傳動的實際扭矩。高壓油不斷通過節流孔流入機匣空腔以免發生油腔液壓閉鎖現象。

圖92、某渦槳發動機測扭機構

在採用全功能數字式發動機控制裝置(FADEC)的發動機中,可在FADEC中設定低壓渦輪或動力渦輪軸的最大轉速限制值,能在任何情況下保證低壓渦輪或動力渦輪軸不會超轉。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！