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美国军用涡扇发动机故障缘何这么多
Fault Analysis of American Military Turbofan
美国军用涡扇发动机F100、F110、F404和F119在研制和使用中出现许多故障，这表明航空发动机的研制和使用是一个不断暴露问题、不断解决问题、不断改进完善的过程
自60年代以来，美国已 研制了F101、F100、F110、F404、F414、F119、F120等军用涡扇发动机，通过这些发动机设计、制造、试验、排故，美国发动机制造商总结了很多宝贵的经验和教训。无论是在设计上过于强调高性能而忽略了结构完整性和可靠性的F100发动机，还是在设计上强调可靠性、耐久性和完整性的F110、F404和F119发动机，在研制中都暴露了许多问题，进行了大量的改进，历尽艰辛，才得以定型。尽管如此，F100、F110和F404投入使用后还是出了许多故障，不得不进行改进和改型。
研制中故障频繁
F100研制中的故障
F100是专为美空军空中优势战斗机F-15研制的推重比8的涡扇发动机，尔后又被选为F-16飞机的动力装置。在F100工程研制期间共用114台试验发动机进行了12000小时地面试验和5750小时飞行试验，该发动机于1974年投入使用。
● 地面试验故障
F100在地面试验中遇到了风扇颤振、风扇叶片断裂、压气机失速、涡轮导叶烧坏、整机爆炸、加力燃烧室脱体等问题。风扇失速颤振和第1级风扇叶片出现疲劳裂纹，通过把风扇叶尖相对厚度从3%增加到5.25%、凸台从叶片后缘移向叶弦中部等措施得以解决。涡轮导叶热疲劳采用排除失速、改用新材料、改善燃烧室出口温度分布得以解决。滞止失速通过采用改进电子调节系统、改进燃料调节系统和延长风扇后内外涵的分流环得到解决。其他故障也采取了相应措施。
● 飞行试验故障
F100装在F-15上进行试飞期间，出现了压气机失速、响应特性不好、压力脉动和振荡燃烧等故障。压气机失速是在飞行包线的左上方进行操作性试验时，由于慢车转速附近压气机喘振裕度不够以及调节器控制的高空慢车转速太低（试飞初期只达到68%，要求值为75%）造成的，为此，改变高压压气机进口导流叶片角度的调节规律、增大慢车附近弯折角和提高高空慢车转速而得到解决。油门微动后推力响应特性不好是在推力响应试飞期间，由于燃油调节器供油规律不理想造成的。为此，修改了供油规律，逐步增大供油线的斜率，使油门杆微动时能得到较大的加速供油量，而又不致引起失速。加力点火时出现压力脉冲引起的风扇失速以及在全加力状态附近出现50～60赫兹的振荡燃烧是在加力燃烧室点火试飞期间发生的，为此，改进了风扇、加力调节器以及改善喷油环和火焰稳定器。
F100在YF-16原型机上试飞期间，出现一次"悬挂失速"。这是由于起飞过程中小燃油流量范围工作时间较长、燃油温度升高，改变了燃油调节系统中温度敏感元件的响应特性，造成一区加力点火失败，燃油爆燃引起的。另外，由于关闭加力后筒体和喷油环中的剩余燃油通过漏油管排出机外造成长时间可见的尾烟问题，为此，采取了将剩余燃油排到涡轮出口处蒸发并与燃气混合的措施。
F110研制中的故障
F110是F101发动机的改型。1981年，F101已累积40000小时地面试验和7600小时飞行试验，达到了使用水平。1982年至1985年，F110DFE和F110进行了大量科研试飞，在暴露和解决了大量问题后，1986年完成定型试飞，并投入使用。
● 地面试验故障
在F101研制过程中，出现的主要故障有：压气机叶片与机匣相磨擦，后通过修整铝涂层与增大间隙而避免了磨擦；压气机气体泄漏和微动磨损，通过用单螺栓调整平衡得以解决；主燃烧室汽化器故障影响了起动；涡轮漏气，通过细调涡轮间隙得以解决；加力燃烧室低幅高频振荡燃烧，通过调整燃油流场和重新设计火焰稳定器得以排除；耗油率没有达到规定值，通过减少风扇流量和降低加力燃烧室的压降得以改善。
● 飞行试验故障
F101DFE/F-16的飞行试验出现最严重的问题是第五次飞行中加力瞬变试验开始后不久，一台发动机铝制燃油接头断裂，造成发动机空中停车，为此，GE公司改变了接头的材料，减少了燃油压力峰值，并重新设计燃油管路，排除了这一故障。此外，进气道嗡鸣通过修改慢车闭锁程序得以解决；偶然加力点火慢和不点火，通过选择合适的燃油活门得以解决；火焰稳定器烧伤，通过修改支撑结构得以解决；加力泵机舱外有可见的漏油，通过减少机舱外漏油量等措施得以排除；控制器故障告警灯误亮，通过改进控制逻辑得以解决。
1981年7月到9月和1982年1月到3月，F101DFE装在F-14上进行了科研试飞，研究了进气道/发动机相容性、推力/燃油流量特性、加力燃烧室和发动机瞬态工作以及起动特性。试验中出现了有5次失速，1次部件故障。
1986年，考虑到完成大量试验的F110已经基本成熟，而F-16C也已经成熟，所以试飞各方开始准备进行F110-GE-100生产型发动机在F-16上的鉴定试飞，主要评价飞机与发动机的功能相容性和操纵性，以及确定采用该发动机的飞机的飞行包线。原计划于1986年7月到10月进行25次飞行以完成鉴定试飞，但是在实际飞行中遇到了空中起动、在低空从军用推力减小油门时熄火以及高空加力燃烧室熄火等问题，由于各参研单位相互协作、相互支持，使得问题顺利解决。尽管如此，还是使飞行试验计划由计划的4个月延长到8个多月，专项试验飞行架次由25次增加到100次。
F119研制中的故障
F119是普惠公司为美国先进战斗机F-22A研制的新一代推重比10一级的涡扇发动机，是充分吸取F100的经验和教训、采用并行工程研制的一种兼顾性能、可靠性和维护性的发动机。该发动机于1981年开始研制，1996年首次试飞，1997年F119EMD在F-22A上试飞，在解决了试验中出现的故障后，1999年，F119-PW-100得以验证。
在F119研制初期出现过风扇在低转速下效率低从而使这一状态下油耗增大。1993年1月，F119在工程和发展试验中，由于低压涡轮导向叶片激波反射到高压涡轮转子叶片上，引起高压涡轮叶片振动，为此，加强涡轮转子叶片强度和刚性、重新设计导向叶片结构、增加叶片数、减少漏气、减小间隙和改进密封。1997年4月，F-22/F119在出厂地面试验中出现燃油箱漏油与APU滑油压力下降、温度上升故障，排除后，6月中旬重新试验，又出现了外物打伤3级风扇和第1级压气机的故障，致使首飞延期100多天。1998年3月，F119在阿诺德工程发展中心进行高空试验时，由于封严篦齿出现高循环疲劳，引发第1级压气机封严篦齿失效，导致F119研制试验中断，为此采用了加大篦齿和蜂窝结构摩擦环间的间隙这一措施。
使用中故障不断
F100使用中的故障
F100-PW-200发动机投入使用后，遇到了悬挂失速和耐久性等一系列问题，通过牺牲性能、提高可靠性而研制了F100-220，后又研制了F100-229和F100-229A发动机，这些发动机投入使用后仍出现了一些故障。
F100服役后的3年时间里，由于振动应力大，燃油喷嘴污染和发动机电子调节失灵造成第二级涡轮叶片断裂故障14起，为此采取了消除悬挂失速、涡轮导向器叶片改用新材料和改善燃烧室出口温度场分布等措施。1977年，F100因低流量时产生气穴浸蚀金属造成40多起主燃油泵故障，为此恢复了原来的生产型结构。
1979～1982年，F100因出现发动机故障导致发生9起F-16一等飞行事故。1982～1983年间，F100发生了25起加力燃烧室烧穿事故，为此，普惠公司改进加力燃烧室衬套和喷管连接件等。1983年，压气机锐边密封件失效、涡轮盘组装程序不正确、主燃油泵安装不当、涡轮叶片加工不当以及管路疲劳故障造成F-16发生4起一等飞行事故，为此，空军采取了改进锐边密封件、制定新的组装程序以及增装管路支托等措施。
1985～1990年，F100出现空中停车、压气机喘振、叶片损伤、喷管烧毁、燃油泄漏和滑油系统等问题，引发F-16多起一等事故。1990年，就出现了6次F-16的一等事故。1990年，因风扇盘破坏和第4级涡轮盘损坏造成2起F-15一等事故；因第4级压气机叶片损伤、第2级和第3级风扇间垫片破坏、加力燃烧室起火以及发动机失火造成4起F-15二等事故；因发动机喘振和停车、加力燃烧室烧穿以及鸟撞造成F-15多起三等事故。1991年，F100-PW-220发生了高压涡轮轴承腔处篦齿裂纹并断裂和第4级涡轮转子叶片裂纹，造成190架飞机停飞。
1992～1996年，F100出现了第2级低压涡轮叶片疲劳断裂、第1级风扇叶片故障、燃油岐管和夹紧系统设计缺陷、高压涡轮后叶片保持器断裂、可调静子叶片系统设计问题以及密封装置故障，造成F-16出现11次大故障。
1997～1998年，F100-PW-229出现了组件间间隙控制不当导致压气机失速、第1级高压涡轮叶片和燃烧室壁板氧化和腐蚀超过预期速度、燃油喷嘴焦化并出现裂纹以及燃油岐管出现循环疲劳裂纹，造成20多架F-15E停飞。为此，普惠公司重新定位第6级压气机导叶，并修改了电子控制器的软件，消除了因部件磨蚀和性能恶化造成的压气机失速；采用在燃烧室壁板上涂隔热涂层，消除燃烧室壁板裂纹；改进了燃油喷嘴和岐管的设计，提高了耐久性；改进了涡轮叶片和导向器的冷却方式并增加了隔热涂层，改进了涡轮的设计。
1998～1999年，F100-PW-220出现了第1级低压涡轮叶片损坏、加力筒体焊接处断裂、数字电子控制器控制逻辑失效、燃烧室供油柔性输油管腐蚀导致燃油外泄失火以及尾喷管控制组件故障造成F-16出现6起一等事故。为此，普惠公司改进了F100低压涡轮单元体、新设计第3级风扇叶片和轮盘以及采用锻造并化学铣加工加力筒体。
F110使用中的故障
F110-100、F110-129和F110-129DFE投入使用后也出现了一系列故障。1993年6月和1994年8月，F110第2级低压涡轮叶片断裂，导致F-15E停飞。为此，GE公司将叶片和叶根加宽，使轮盘和轮缘加厚，降低叶片承受的应力值。1994年7月，F110的高压涡轮后轴封严篦齿环断裂，致使摔4架飞机，停飞350架。因为该故障以前在F101上发生过，并做了加大间隙的处理，因而GE公司重新分析了该故障，发现篦齿间隙太大，引发裂纹，而轴上的减振环未能控制裂纹的扩展。为此恢复到原来的间隙值，改卡环减振环为减振衬套，并安装新的蜂窝摩擦条以减少篦齿和蜂窝件间的间隙。复飞改装工作于1995年7月完成。1994年10月至1995年1月，F110-GE-129因吸入外物导致风扇叶片断裂，致使F-16C/D失事。据统计，1992～1996年，F110出现了第2级低压涡轮叶片疲劳断裂、第1级风扇叶片故障、燃油岐管和夹紧系统设计缺陷、高压涡轮后叶片保持器断裂、可调静子叶片系统设计问题以及密封装置故障，造成F-16出现15次大的故障，其中F110-100引发11次，F110-129引发4次。
1998～1999年，F110-GE-100和F110-GE-129出现了控制系统中交流电机传动轴磨损使电机打滑、高压压气机出口处密封环上涂层剥落造成喷嘴前支座损坏、第1级高压压气机转子叶片断裂、第2级低压涡轮转子叶片折断等故障，致使4架飞机坠毁。为此GE公司用数字式控制器替代F110-100的模拟式控制器、对第1级转子叶片进行激光冲击处理以防叶片裂纹以及加强高压压气机可调静叶。
经验和启示
综上所述，F100、F110和F119在地面调试中出现了喘振、高温烧蚀、振动等大量一般性故障，在飞行试验中出现了相容性和操纵性等地面不能暴露的故障。这些故障有设计引起的，有加工质量引起的，也有管理引起的。在历尽艰辛排除这些故障后，这些发动机才得以定型。总之，不论是早期研制的F100和F110，还是后来研制的F119，在研制过程中都出现了很多故障，这说明航空发动机的研制是一个暴露问题、解决问题、达到定型的过程，也充分说明航空发动机研制的艰巨性。因此，发动机制造商应做好排故准备，准备好足够的试验发动机和试验装置，大力开展发动机技术预研工作，以便拥有用于排故和改进的足够的备用技术。
发动机制造商尽管在发动机研制中，不仅设计精益求精，尽量扩展试验内容，加重试验的苛刻度，增加试验时数，通过地面试验、高空模拟试验和飞行试验对发动机进行验证，但在发动机实际使用中，还会出现一些预想不到的故障，必须进行排故改进，这说明发动机使用仍是一个不断排故，不断改进，逐渐走向成熟的过程
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发表于 2010-4-18 14:29:48
好文章啊
加油