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揭秘:我国中推核心机遭遇拦路虎,七级高压压气机振动过大

The following article is from 武器驿站 Author 东方前哨

大家都知道发动机是飞机的心脏,那么,发动机的心脏又是谁呢?
它就是核心机。
核心机是航空发动机中最基础的部分,但却又是最难研制的部分,只要核心机突破了,那么就可以发展核心机验证机和具体的型号发动机了。
在航空发动机中将高压压气机、涡轮、燃烧室组合起来组成核心机,用它来模拟发动机真实环境下的工作评估部件性能,总体技术性能等,能减少工程发展的周期和降低成本。
在核心机的基础上配上不同的风扇、低压涡轮、控制传动系统等就能组成覆盖一定功率范围,满足不同用途的一系列发动机。

以大家熟知的俄制AL31F发动机为例,来说明航空发动机高低压运行区间:红箭头指向低压转子,从左到右分别是4级风扇(低压压气机)、低压涡轮轴、低压涡轮。黄箭头指向高压转子,从左到右,分别是9级高压压气机、高压转子轴、高压涡轮
美国实施的综合高性能涡轮发动机计划时,各大厂商均发展了一系列技术验证核心机.
用来验证所使用的技术能否满足下一代发动机推重比提高20%-50%,耗油率下降10%-20%的目标,研发出供F-22、F-35战机使用的推重比10-12的涡扇发动机。
如今,美国还在研制下一代推重比15-20,耗油下降10-20%的发动机核心机,由这种核心机发展而来的先进发动机将应用到未来的第六代战斗机上。
目前我国在太行核心机的基础上发展了一系列的大推力发动机,成功应用到第三代和第四代战斗机上。
在发展大推力发动机的同时,我国的中等推力发动机也提上了议事日程。

刘大响院士在中推核心机旁留影
1990年12月,国防科工委召开预研工作会议,将中推核心机技术研究列入国防科技“八五”期间18项关键技术之一。中推核心机研制正式立项,由624所负责研制。
1991年10月8日,空军林虎副司令员来624所视察。他说:“中推我们太需要了,一般的飞机应该装两台发动机,这样要更安全一些,欧洲大部分都是中推发动机,只有美国和俄罗斯才搞大推力级的,一定要下决心把中推发动机搞出来。”
而七级高压压气机的攻关,是中推核心机预研能否成功的关键。我国发动机行业研制的几个型号,都是因为高压压气机性能未达到设计指标而延误了研制进程。
所以,高压压气机被认为是发动机研制中的第一大关键部件。
其实,在中推核心机研制正式立项之前,预研工作就已经展开了,其中就包括七级高压压气机的攻关。


1990年9月23日晚上零点,我国第一台自行设计的七级高压压气机首次上台运转,安全地运转到10500转/分,顺利地通过了“机械磨合”运转状态,停车检查一切正常。
1小时后开始当晚的第二个状态点试验,但推到80%设计转速(大约13500转/分)时,最高振动值瞬间达到13g,远超出安全规定值,只好将转速降下来,以保护试验件的安全。
经多次分析决定第三天继续进行试验,结果与第一天差不多,试验只好暂时停下来。
经过近2个月的种种努力,转子下台分解4次,仍未完全排除振动过大的故障。振动大是非常危险的,应力会成倍增长,搞不好转子会“飞”出去。
为此,采用了多种方法,先是把原来的刚性支承改成采用挤压油膜轴承的弹性支承,后又改为用尼龙绳把两个盘固定的柔性连接方式。
对台架设备也翻来覆去做了大量工作。但是很遗憾,多次试验都没有成功。试验进行了两个月,各种办法都想到了,能上的措施都用了,但转速还是推不上去,试验遇到了“拦路虎”。
在讨论时有几位同志提出这可能是“临界转速”问题,只要想办法冲过去就好了。于是分析所有振动数据,发现只要接近这个转速振动值就增大,偏离这个转速振动值就明显减小。
说明转子的动平衡是合格的,唯一的办法就是快速通过“临界转速”,但这要冒非常大的风险,弄不好,整个转子可能会“飞”掉,设备也会被打坏。1986年底,就曾经发生过一次因振动值偏大而导致试验件“飞”出去并打坏了设备的大事故。


问题在于如果是“临界转速”的话,慢推油门就是很危险的。但要想快速冲过“临界转速”,风险又很大,一旦出事,必须有人来承担这个责任。
根据大家对数据的分析,作为总设计师的刘大响也判断振动大很可能是“临界转速”问题,这是发动机研制中经常碰到的头痛问题。
“临界转速”试验最大的特点是转速不能停留在那个值上,一停留就可能出现重大事故。解决的办法,一个是把“临界转速”降到很低,在低转速时快速通过,危险性就会大大减小。
再一个就是把“临界转速”提高到工作转速之上,在到达工作转速之前都不会出现二阶临界转速,压气机试验都会是很平稳的。
但这些都需要在设计上做大量的结构修改工作,设计、加工和装配的周期会很长。
在这个基本判断的前提下,总设计师刘大响提出采取一个冒险的办法,就是快推油门使转子快速通过“临界转速”,使振动值减下来,先将试验做下去,而且,判断这是不是“临界转速”也必须要做这个试验。
而如何解决“临界转速”问题,只有在完成这个试验之后的结构设计修改中,再研究采取什么样的方案和措施。
当时,大家都意识到快速通过“临界转速”一定要冒巨大的风险。如果不冒这个风险,七级压气机试验就很难有大的进展。


1990年11月23日,开始试车了,当转速快到“临界转速”前而振动值尚未达到最大值时,总设计师刘大响忍不住轻轻地喊了一声“快推”,操作员一下子就推了上去,这一推,振动值马上就掉到了3g。
振动值在5g以下试车是安全的,一下子掉到3g,当时全场沸腾了,大家高兴得直鼓掌!
七级高压压气机终于推到100%设计转速值(16800转/分)。按照这种试验方法,到1990年底共进行了9次开车试验,累计运转13小时,共录取了5条压气机转速特性曲线。
此后,经过认真准备,从1991年2月7日开始七级高压压气机喘振边界测定试验,接着又陆续完成了设计安装角条件下的总性能试验、重复性试验、最佳安装角性能调整试验和低转速下的调整试验,累计开车37次,共运行435小时.
其主要性能指标均达到当时美国F404和CFM56发动机高压压气机的先进水平。

中推七级高压压气机的研究,完全是自力更生,依靠自己的力量,从理论计算到试验,取得了突破性的进展。(主要资料源自刘大响自传)

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