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在涡轮风扇发动机、多数涡桨和涡轴发动机中,低压涡轮或动力涡轮轴穿过高压转子的轴向前去驱动风扇、减速器,因此,低压涡轮轴轴径小于燃气发生器轴径。另一方面,低压涡轮或动力涡轮的转速大大低于燃气发生器转速。如燃气发生器与风扇或减速器传动功率相等,低压涡轮或动力涡轮轴的转速低,传递的扭矩就大,但它的轴径又比燃气发生器轴径小,因而它承受的剪切应力大大地高于燃气发生器轴的,也即它的安全系数比燃气发生器轴的小很多,设计时,当然应保证它有足够的强度。 但是有可能(概率极低)在一些特定情况下,该轴传动的扭矩突然增加很多或材质变坏、轴径变小,使承受的剪切应力大增而超过许用应力,轴会被扭断。一旦低压转子或动力涡轮轴在工作中折断,将会发生灾难性的事故。这是因为轴折断后,低压涡轮或动力涡轮失去负载,但进入低压涡轮或动力涡轮的燃气能量未变,使转子转速急剧上升达到飞转状态,涡轮的工作叶片会甩离轮盘,轮盘也会四分五裂地甩出。  路
在什么情况下会出现这种情况呢?首先,高压轴或低压(或动力涡轮轴)轴振动突然大增,或固定于高压转子上的零件变形,使高压轴(或其上的零件)与低压轴(动力涡轮轴)相碰磨。这时,不仅在低压轴(或动力涡轮轴)上摩擦出槽道,使轴径变小,而且摩擦产生的高温使低压轴(或动力涡轮轴)材质变坏。另外,在涡轮风扇发动机中,当发动机吸入大鸟或轮胎碎片时,有时会卡在风扇转子与静子间,增大了涡轮的反扭矩,会使轴承受不了而折断。
在涡桨、涡轴发动机中,包括动力涡轮轴不穿过燃气发生器而向后输出功率的涡桨、涡轴发动机中,动力涡轮轴传动减速器,如果减速器出现某些严重故障,例如,某一齿轮断裂,断片卡住了减速器的传动链,使减速器无法工作;或滑油系统工作不正常,齿轮轴承(滑动轴承)或齿轮被烧结等,这些都将使减速器变为不能转动的装置,会将动力涡轮轴扭断。
以上所述的几种可能使低压轴或动力涡轮轴折断,造成低压(或动力)涡轮飞转的事故,国内外均曾遇到过。
对于这种在正常情况下绝不会出现问题,但在某些特定情况下(而这些特定情况又有可能出现的条件)会出现问题(概率极低),只要出现问题又会带来灾难性的事故。
为此,低压涡轮转子或动力涡轮转子上必须采取安全设计,防止当轴折断时,低压涡轮或动力涡轮飞转。防止低压涡轮飞转的措施有二类,一类是机械地卡住转子,不让转子转动,例如PW2037高涵道比涡轮风扇发动机的低压涡轮转子就是利用这个办法防止转子飞转的。图90示出了其结构,它的第3,4级导向叶片由外向内做成向后倾斜的,当涡轮轴断裂后,涡轮转子在燃气气动轴向力作用下向后移动,第2,3级工作叶片尖立即与导向叶片外端相碰而将转子卡住。这种办法是被动的,因为高温燃气还继续流向涡轮工作叶片,还有使转子转动的能量,因此尚未在其他发动机中发现采用这一方案的。  路图90 、PW2037发动机低压轴断裂时防超转的措施
用得较为广泛的方法是一旦涡轮轴断裂,立即将燃烧室中的喷油嘴前的高压燃油泄掉,燃烧室立刻熄火,无高温燃气流向涡轮工作叶片,当然低压涡轮转子转速很快下降,从根本上讲低压涡轮转子绝不可能超转。 图91示出斯贝发动机防低压涡轮飞转的措施,它在低压涡轮后轴的后端有一与钢索相连的摇臂,在低压涡轮轴内固定一个带矩形内螺纹的螺纹套筒,它的内螺纹与挺杆相配,挺杆有内套齿,滑油中心导管用套齿卡在挺杆的套齿中。 正常情况下,低压涡轮轴通过螺纹套筒、挺杆带着滑油中心导管一起转动;当涡轮轴折断后,风扇转子转速立即下降,滑油中心导管由于在前端是固定在风扇轴内的,因而转速随着风扇转速的降低而降低,与此同时,低压涡轮转子转速却上升,于是,挺杆在螺纹相对转动下而快速向后移,顶上摇臂并推着摇臂绕轴心转动,向下拉钢索,将喷油嘴前燃油总管上的紧急放油口打开,将高压燃油泄掉,防止了低压转子超转。  路图91、斯贝发动机低压涡轮轴断裂时防超转的措施 JT15D 小涵道比涡轮风扇发动机中,采用了类似于斯贝的摇臂装置,但推动摇臂转动的却是固定于低压涡轮轴后端的推杆,当轴折断后,转子在燃气气动力作用下向后快速移动,推杆即碰上摇臂并使其绕轴芯转动,拉紧钢索将紧急放油口打开,将高压燃油泄掉。
在涡桨、涡轴发动机中,一般均有测量减速器输出扭矩值的装置(测出扭矩、转速就可算出输出功率值)。这时,可以利用测扭机构来防止动力涡轮超转,当减速器被卡死停转时,输出扭矩立即下降并消失,此时可立即紧急停车,迅速关闭燃烧室的燃油,使动力涡轮轴不会出现超转。
在有些涡桨、涡轴发动机中,测扭机构直接与动力涡轮转子输出端相连,通过传感器感受动力涡轮轴的扭矩大小,以便得知动力涡轮轴是否超转。
还有一些发动机,测扭机构装在减速器中,图92所示为某涡桨发动机的测扭机构。在该机构中,动力涡轮通过主动齿轮驱动第1级行星齿轮,它的扭矩传给固定齿圈。在此扭矩的作用下,由于它的外圆周上的斜齿槽卡在后机匣的斜槽内,斜齿上承受的切向力会产生一个如箭头所示的轴向分力,推动测扭机构活塞向图右方移动。活塞在油缸中右移时带动柱塞活门压缩调节弹簧而一同右移。 这样就使由调节孔进入油缸的高压油流量增加,油腔的压力增加,直到腔内油压对活塞的作用力与齿圈受扭矩的轴向分力平衡时为止。 通过测量测压油腔的压力,经过换算,即可用仪表指示出传动的实际扭矩。高压油不断通过节流孔流入机匣空腔以免发生油腔液压闭锁现象。  路图92、某涡桨发动机测扭机构 在采用全功能数字式发动机控制装置(FADEC)的发动机中,可在FADEC中设定低压涡轮或动力涡轮轴的最大转速限制值,能在任何情况下保证低压涡轮或动力涡轮轴不会超转。 |
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