大涵道比渦扇發(fā)動機滑油流量中斷工作要求與試驗方法分析

雷友鋒，王 海，宣建光

（復(fù)雜航空系統(tǒng)仿真重點實驗室，北京 100076）

大涵道比渦扇發(fā)動機滑油流量中斷工作要求與試驗方法分析

雷友鋒，王 海，宣建光

（復(fù)雜航空系統(tǒng)仿真重點實驗室，北京 100076）

基于G JB 241A-2010、JSSG-2007B等國內(nèi)外軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，分析了航空發(fā)動機滑油流量中斷工作能力通用要求以及試驗驗證通用要求。針對大涵道比渦扇發(fā)動機，分析指出其使用特點與戰(zhàn)斗機發(fā)動機有明顯差異，其滑油流量中斷工作能力要求不能直接照搬軍用標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。根據(jù)運輸機發(fā)動機的使用特點分析，借鑒國外航空發(fā)動機的相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗，提出了大涵道比渦扇發(fā)動機的滑油流量中斷工作能力要求以及滑油流量中斷試驗的程序與方法。

航空發(fā)動機；大涵道比渦扇發(fā)動機；滑油流量中斷

0 引言

滑油系統(tǒng)是航空發(fā)動機不可缺少的關(guān)鍵系統(tǒng)，它直接實現(xiàn)對發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)部件軸承的潤滑散熱?；拖到y(tǒng)的性能直接影響發(fā)動機的安全性、可靠性、維修性和使用成本。由于滑油系統(tǒng)的復(fù)雜性以及發(fā)動機使用環(huán)境的復(fù)雜性，要求滑油系統(tǒng)工作絕對可靠是不現(xiàn)實的。飛機可能由于損壞、機動飛行、格斗損傷或不正確的維護而出現(xiàn)滑油流量中斷的問題。因此，要求航空發(fā)動機在滑油流量中斷期間以及中斷之后還應(yīng)具有一定的工作能力，并且在新型航空發(fā)動機研制中需要對此進行試驗驗證。中國的GJB 241A-2010《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范》、美國的JSSG-2007B《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機聯(lián)合使用規(guī)范指南》等標(biāo)準(zhǔn)中都對發(fā)動機滑油流量中斷的工作能力和試驗驗證提出了明確要求。但是，在具體發(fā)動機型號應(yīng)用時仍存在一定問題，尤其是對于大涵道比渦扇發(fā)動機，因其使用特點與戰(zhàn)斗機發(fā)動機相比有明顯差別。例如，在某型大涵道比渦扇發(fā)動機研制中，先后開展了2次滑油流量中斷試驗，由于試驗要求、程序不當(dāng)，致使2次試驗均告失敗，并且造成2臺發(fā)動機損壞，影響和損失重大。

本文針對大涵道比渦扇發(fā)動機滑油流量中斷工作要求和試驗方法進行分析研究。

1 航空發(fā)動機滑油流量中斷的工作要求

1.1 發(fā)動機滑油流量中斷工作要求的內(nèi)容

GJB 241A-2010中對“發(fā)動機滑油流量中斷”的具體要求：在不向滑油泵進口供油情況下，發(fā)動機能以中間推力工作30 s，在此滑油中斷期間及以后的工作期間，對發(fā)動機無有害影響。并能在無潤滑油情況下，在30%中間推力狀態(tài)下附加工作5～30 min，且沒有抱軸現(xiàn)象。其中，第1句是針對瞬時斷油情況的要求，第2句是針對永久斷油情況的要求。

1.2 發(fā)動機滑油流量中斷工作要求提出的依據(jù)

GJB 241A-2010中對“滑油流量中斷”的要求是參考美國標(biāo)準(zhǔn)MIL-E-5007E《航空渦噴渦扇發(fā)動機通用規(guī)范》（1983年發(fā)布）、JSSG-2007B（2007年發(fā)布）提出的。其中MIL-E-5007E中只有上述第1句的要求，JSSG-2007B中補充了第 2句的要求，但JSSG-2007B中是在附錄的指導(dǎo)性內(nèi)容中給出的。另外，根據(jù)JSSG-2007B中的指導(dǎo)性說明，上述要求只針對固定翼飛機發(fā)動機，對于直升機發(fā)動機，第2句要求變?yōu)椤皩τ跍u軸發(fā)動機，發(fā)動機應(yīng)能在75%最大連續(xù)功率狀態(tài)下，失去所有供到軸承油池的滑油時，至少工作6 min，隨后恢復(fù)潤滑后在75%最大連續(xù)功率狀態(tài)下工作30 min?！?/p>

1.3 發(fā)動機滑油流量中斷工作要求提出的原因

根據(jù)JSSG-2007B中的說明，在戰(zhàn)場環(huán)境中，給飛行員脫離任何受威脅的境地和進入更有生存力的環(huán)境是最主要的目標(biāo)之一。飛機可能由于損壞、機動飛行、格斗損傷或不正確的維護而出現(xiàn)滑油流量中斷情況，所以必須規(guī)定滑油流量中斷期間的工作能力。在為了跑出敵區(qū)、開始將發(fā)動機停下來或做任何其他必需動作等所規(guī)定的時間期間，發(fā)動機必須在沒有滑油的情況下滿意地工作。大多數(shù)戰(zhàn)斗機發(fā)動機還應(yīng)具有多次瞬時滑油流量中斷而不損壞的能力。因此，需要對發(fā)動機提出滑油流量中斷期間的工作能力要求。

從上述要求可見，發(fā)動機滑油流量中斷工作要求包括2項內(nèi)容：（1）要求發(fā)動機能夠經(jīng)受瞬時的滑油流量中斷，滑油流量中斷期間以及恢復(fù)供油后，對發(fā)動機的正常工作不產(chǎn)生有害影響；（2）在滑油流量中斷不再恢復(fù)供油或滑油完全耗盡情況下，發(fā)動機還能夠在30%中間推力狀態(tài)下工作5～30 min，而不發(fā)生抱軸現(xiàn)象。

第1項要求是因為，飛機機動飛行時可能會出現(xiàn)短暫的滑油流量中斷，例如，機動飛行中經(jīng)歷瞬間的零、負(fù)過載時，就有可能中斷滑油供給。飛機正常機動飛行出現(xiàn)滑油流量中斷的時間極短，隨后即恢復(fù)供油。大多數(shù)戰(zhàn)斗機發(fā)動機應(yīng)能承受多次這樣的瞬時滑油流量中斷，而不會產(chǎn)生有害影響。

第2項要求是因為，由于損壞、格斗損傷或不正確的維護可能會造成滑油流量中斷，所以需要規(guī)定發(fā)動機在滑油流量中斷情況下的持續(xù)工作能力，以便給飛行員提供最大自救能力的各種機會。在無潤滑情況下，應(yīng)允許發(fā)動機繼續(xù)工作以維持飛機繼續(xù)飛行，否則飛機就會毀壞?；土髁恐袛嗪螅?0%中間推力狀態(tài)下附加工作5～30 min而不發(fā)生抱軸的要求，是為了使飛機能飛出格斗損傷可能再現(xiàn)的重防區(qū)，或者使飛行員有必要的時間和飛行空間采取適當(dāng)措施。

1.4 對發(fā)動機滑油流量中斷工作要求的分析

1.4.1 發(fā)動機滑油流量瞬時中斷工作要求

滑油流量瞬時中斷時間30 s應(yīng)理解為是1個推薦值，主要適用于戰(zhàn)斗機/攻擊機用發(fā)動機，對于運輸機、轟炸機用發(fā)動機可根據(jù)使用任務(wù)載荷重新確定可能引起滑油流量瞬時中斷的時間。GJB/Z 216A 《GJB241A-2010航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范使用指南》中就給出這樣的說明。另外，前蘇聯(lián)研制并在世界范圍廣泛使用的АЛ-31Ф系列發(fā)動機滑油流量瞬時中斷時間規(guī)定值不超過15 s。

根據(jù)JSSG-2007B的說明，滑油流量瞬時中斷后恢復(fù)供油的隨后發(fā)動機工作能力評價，應(yīng)在中間狀態(tài)工作3 min，總工作時間達到30 min。在中間狀態(tài)下工作3 min對飛機恢復(fù)到繼續(xù)交戰(zhàn)的高度和速度是足夠的，對于戰(zhàn)斗機，在滑油流量瞬時中斷又重新恢復(fù)之后要求仍能夠繼續(xù)投入戰(zhàn)斗。而30 min工作時間通常對從可能發(fā)生戰(zhàn)斗損壞的惡劣區(qū)域撤離是足夠的。

1.4.2 發(fā)動機滑油流量永久中斷工作要求

滑油流量永久中斷后，能在30%中間推力狀態(tài)下工作5～30 min而不發(fā)生抱軸現(xiàn)象，這是適度的范圍要求，其中5 min是給飛行員采取必要措施的時間（發(fā)動機外部輸送易燃液體管路、接頭和附件的耐火時間5 min也是出于這種考慮），30 min通?？梢允癸w機從可能發(fā)生戰(zhàn)斗損壞的惡劣區(qū)域撤出。發(fā)動機無滑油工作的能力越強，飛行員和飛機獲救的可能性就越大，但過長的時間要求又會帶來發(fā)動機潤滑系統(tǒng)設(shè)計上的技術(shù)難度和成本增加。“30%中間推力”的中間推力是指海平面的中間狀態(tài)推力。對發(fā)動機來說，30%海平面中間推力，溫度和轉(zhuǎn)子推力載荷較低，能夠使軸承工作較長時間，并且典型的戰(zhàn)斗機/攻擊機能在中等高度以低于30%海平面中間推力維持飛行。

上述30%中間推力狀態(tài)以及5～30 min的時間要求也應(yīng)理解為是推薦值。例如，美國F119發(fā)動機的相應(yīng)要求為“在空中慢車狀態(tài)下工作5 min”，英國斯貝MK202發(fā)動機的相應(yīng)要求是“在空中慢車狀態(tài)下工作30 min”；再如，JSSG-2007B中背景材料指出，某海軍直升機用渦軸發(fā)動機在滑油中斷供給后在75%最大連續(xù)功率狀態(tài)下工作4.5 min發(fā)生軸承損壞，不能滿足“渦軸發(fā)動機應(yīng)能在75%最大連續(xù)功率狀態(tài)下失去所有供到軸承油池的滑油時至少工作6 min”的要求，為此將發(fā)動機型號規(guī)范進行了修改。

對此，GJB/Z 216A中說明，“對于具體的發(fā)動機，在其型號規(guī)范中可根據(jù)其實際應(yīng)用規(guī)定發(fā)動機的推力狀態(tài)和附加工作時間。”

2 發(fā)動機滑油流量中斷的試驗要求

在GJB 241A-2010中將發(fā)動機滑油流量中斷試驗作為初始飛行前規(guī)定試驗和設(shè)計定型試驗的項目之一，具體要求規(guī)定如下：在與初始飛行前規(guī)定試驗（或設(shè)計定型試驗）持久試車發(fā)動機零件目錄和結(jié)構(gòu)相同的發(fā)動機上，按照相關(guān)詳細(xì)規(guī)范規(guī)定的方法和程序進行滑油流量中斷試驗，以驗證滑油流量中斷的要求。試驗方法和程序應(yīng)在試驗前資料中規(guī)定。試驗中僅向滑油泵進口供氣，發(fā)動機在中間推力狀態(tài)下工作30 s。在滑油中斷期間和隨后恢復(fù)正常潤滑的30 min內(nèi)，發(fā)動機能正常工作而無損壞。試驗后分解并檢查發(fā)動機，以證實無損壞。

3 適航規(guī)章對發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的相關(guān)要求

CCAR-33R2《航空發(fā)動機適航規(guī)定》中對滑油系統(tǒng)的要求主要包括防火、油濾旁通、防止污物，以及滑油箱的膨脹空間、口蓋密封、頂部通氣、油量指示等。

從CCAR-33R2條款看，沒有針對民航發(fā)動機滑油流量中斷的工作要求，也沒有對滑油流量中斷試驗的要求。分析認(rèn)為，對于民航發(fā)動機，滑油流量中斷并不會產(chǎn)生危害性后果，不會危及飛行安全。民機沒有作戰(zhàn)環(huán)境，發(fā)生滑油流量中斷后，不需要發(fā)動機繼續(xù)

保持一定的工作能力來完成作戰(zhàn)任務(wù)或脫離戰(zhàn)場區(qū)域。一旦發(fā)生滑油流量中斷后，滑油壓力、油量等傳感器可以及時給出指示告警，機組可以將發(fā)動機關(guān)閉。CCAR-33R2中說明，1臺發(fā)動機失效如果其后果僅是喪失推力，則這種失效應(yīng)認(rèn)為是輕微影響。例如，在2003年6月4日，1架波音777飛機（配裝PW4077發(fā)動機）在爬升過程中由于1臺發(fā)動機的1根滑油管破裂，發(fā)出滑油壓力低和滑油油量低（滑油量為零）告警，由此機組關(guān)閉故障發(fā)動機后順利返航，安全著陸。

鑒于滑油流量中斷對民航發(fā)動機不會產(chǎn)生危害性后果，因此，在CCAR-33R2中并沒有對發(fā)動機滑油流量中斷的工作能力提出要求，但是有對滑油流量中斷后風(fēng)車持續(xù)轉(zhuǎn)動的要求。CCAR33.74條中規(guī)定，發(fā)動機停車后，如果沒有轉(zhuǎn)子鎖定裝置，則要求發(fā)動機在最長的飛行周期內(nèi)和在預(yù)期該發(fā)動機不工作的飛行條件下持續(xù)轉(zhuǎn)動，不得導(dǎo)致發(fā)生危害發(fā)動機的后果。例如，CFM56系列發(fā)動機，可在無滑油的風(fēng)車狀態(tài)下運轉(zhuǎn)3 h而不會產(chǎn)生危害性后果。

4 大涵道比渦扇發(fā)動機滑油流量中斷工作要求及試驗方法分析

4.1 發(fā)動機滑油流量中斷工作能力要求

大涵道比渦扇發(fā)動機通常用作大、中型軍民用運輸機的動力裝置，其使用條件與戰(zhàn)斗機發(fā)動機相比有明顯差別，由于在飛行中沒有劇烈的機動動作，發(fā)動機沒有劇烈的遭遇加減速過程，最大負(fù)荷狀態(tài)通常是在地面的起飛狀態(tài)等，因此其滑油流量中斷工作能力要求不能直接照搬GJB 241A-2010中的規(guī)定。

運輸機在飛行中也會遇到瞬時零、負(fù)過載情況，尤其是遭遇突風(fēng)時。另外還有一些特殊的飛行狀態(tài)，據(jù)報道，2011年6月21日，幾名法國科學(xué)家在法國1架特制的空客A300飛機艙內(nèi)體驗到了約20 s的失重飛行；2013年3月15日，40位參加 “體驗太空失重飛行”的乘客在法國乘坐空客A300飛機，飛機在空中作適當(dāng)?shù)娘w行動作，使乘客共經(jīng)歷了15次、每次約20 s的失重體驗。因此，對于大涵道比渦扇發(fā)動機，也應(yīng)要求具有在瞬時斷油情況下的工作能力。但是，在運輸機飛行過程中，發(fā)動機工作狀態(tài)最大僅達到“最大連續(xù)狀態(tài)”。

另外，根據(jù)CCAR-25R4《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》第25.943條“負(fù)加速度”的要求，必須按預(yù)計的負(fù)加速度最長持續(xù)時間予以驗證。咨詢通報AC25-7A《運輸類飛機合格審定飛行試驗指南》（1998.3.31）中相關(guān)規(guī)定是，飛機試飛時，發(fā)動機以最大連續(xù)狀態(tài)運轉(zhuǎn)，飛機在包線內(nèi)作過載為0～-1g的飛行，每次試驗持續(xù)時間不少于7 s，累計負(fù)過載試驗時間不少于20 s。

綜上分析，作為運輸機動力裝置的大涵道比渦扇發(fā)動機，其滑油流量瞬時中斷工作能力宜要求為：在不向滑油泵進口供油的情況下，發(fā)動機能在最大連續(xù)狀態(tài)下工作20 s，在此滑油中斷期間及以后的工作期間，對發(fā)動機無有害影響。

關(guān)于永久斷油后的工作能力，如果大涵道比渦扇發(fā)動機用作民用運輸機動力裝置，則可以不作明確要求（斷油后的風(fēng)車旋轉(zhuǎn)能力另行規(guī)定）。但如果大涵道比渦扇發(fā)動機用作軍用運輸機動力裝置，就存在戰(zhàn)場環(huán)境使用條件，有滑油流量中斷后飛機飛離作戰(zhàn)區(qū)域的需求，同時借鑒英國斯貝MK202發(fā)動機、美國F119發(fā)動機的相關(guān)規(guī)定，以及考慮到潤滑系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜性，其永久斷油后的工作能力可以規(guī)定為“在空中慢車狀態(tài)下工作5～30 min”。

4.2 發(fā)動機滑油流量中斷試驗程序與方法

發(fā)動機滑油流量中斷試驗具有一定的風(fēng)險性，需要采取科學(xué)、合理的程序和方法。

首先，為降低整機的試驗風(fēng)險，應(yīng)先在試驗器上進行相關(guān)試驗。由于推力軸承往往對滑油流量中斷最敏感，通常在整機滑油流量中斷試驗前，先在1個或2個推力軸承上進行多次滑油流量中斷的試驗器試驗。主軸承允許重復(fù)滑油流量中斷的工作能力可用20次10 s中斷供油和10次20 s中斷供油的軸承試驗來評定。

其次，發(fā)動機滑油流量瞬時中斷工作能力驗證和滑油流量永久中斷工作能力驗證應(yīng)分別進行，因為二者的試驗結(jié)果要求不同。前者要求發(fā)動機經(jīng)歷多次的瞬時滑油流量中斷試驗而無不利影響，不會對發(fā)動機產(chǎn)生異常損傷，也不會影響發(fā)動機的正常工作，且不需要對發(fā)動機采取特殊檢查或修理措施；后者只要求發(fā)動機工作到規(guī)定時間后不發(fā)生抱軸即可，發(fā)動機允許產(chǎn)生異常損傷，允許采取特殊檢查或修理措施。

大涵道比渦扇發(fā)動機的滑油流量中斷試驗程序如下：

（1）發(fā)動機滑油流量瞬時中斷工作能力驗證。

a.主軸軸承滑油瞬時中斷試驗器試驗

選取1～2個工作載荷相對較重的推力軸承，按發(fā)動機最大連續(xù)狀態(tài)進行試驗加載，每個主軸承先后進行20次10 s中斷供油和10次20 s中斷供油的試驗。試驗完成后檢查軸承磨損情況，軸承應(yīng)沒有明顯磨損跡象，軸承狀況應(yīng)與試驗前基本相當(dāng)。

b.發(fā)動機滑油流量瞬時中斷試驗

發(fā)動機起動并進入穩(wěn)定狀態(tài)運轉(zhuǎn)后，先在慢車狀態(tài)或巡航狀態(tài)下進行中斷滑油供給的調(diào)試，然后在最大連續(xù)狀態(tài)下進行滑油流量中斷的正式試驗考核。發(fā)動機在最大連續(xù)狀態(tài)下運轉(zhuǎn)3～5 min后，中斷滑油供給20 s然后恢復(fù)供油，這期間發(fā)動機一直保持在最大連續(xù)狀態(tài)，恢復(fù)供油后發(fā)動機繼續(xù)在最大連續(xù)狀態(tài)下工作3～5 min，之后發(fā)動機繼續(xù)工作30 min，在這30 min內(nèi)允許發(fā)動機以不高于最大連續(xù)狀態(tài)下的各種穩(wěn)態(tài)以及過渡態(tài)下運轉(zhuǎn)。上述滑油中斷試驗考核過程重復(fù)3～5次，之后發(fā)動機停車。試驗完成后分解檢查發(fā)動機，主軸承、傳動齒輪等部件應(yīng)沒有明顯磨損跡象，狀況應(yīng)與試驗前基本相當(dāng)。

（2）發(fā)動機滑油流量永久中斷工作能力驗證

a.主軸軸承滑油永久中斷試驗器試驗

選取1～2個工作載荷相對較重的推力軸承，在發(fā)動機空中慢車狀態(tài)下進行試驗加載，每個主軸承進行5～30 min的滑油中斷供油試驗。在試驗過程中不得發(fā)生抱軸現(xiàn)象。

b.發(fā)動機滑油流量永久中斷試驗

發(fā)動機起動并進入穩(wěn)定狀態(tài)運轉(zhuǎn)后，在空中慢車狀態(tài)下工作，中斷滑油供給，發(fā)動機繼續(xù)工作到預(yù)定時間 （經(jīng)軸承試驗器試驗驗證的時間，5～30 min范圍內(nèi)的時間值），試驗過程中不得發(fā)生抱軸現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）大涵道比渦扇發(fā)動機的滑油流量中斷工作能力要求在不向滑油泵進口供油的情況下，發(fā)動機能在最大連續(xù)狀態(tài)下工作20 s，在此滑油流量中斷期間及以后的工作期間，對發(fā)動機無有害影響；并且發(fā)動機能在無潤滑油情況下，在空中慢車狀態(tài)下工作5～30 min而不發(fā)生抱軸現(xiàn)象。

（2）進行發(fā)動機滑油流量中斷試驗之前，應(yīng)先在試驗器上進行主軸軸承斷油試驗。主軸承允許重復(fù)滑油流量中斷的工作能力可用20次10 s中斷供油和10次20 s中斷供油的軸承試驗來評定。

（3）發(fā)動機滑油流量瞬時中斷試驗和發(fā)動機滑油流量永久中斷試驗應(yīng)分別進行。發(fā)動機滑油流量瞬時中斷試驗過程中，應(yīng)進行多次滑油流量中斷，試驗完成后分解檢查發(fā)動機，主軸承、傳動齒輪等部件應(yīng)沒有明顯磨損跡象，狀況與試驗前基本相當(dāng)。發(fā)動機滑油流量永久中斷試驗后，發(fā)動機不發(fā)生抱軸即可。

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Analysis of Working Requirements and Test Methods for High Bypass Ratio Turbofan Engine during Oil Flow Interruption

LEI You-feng,WANG Hai,XUAN Jian-guang
（Science and Technology on Complex Aviation Systems Simulation Laboratory,Beijing 100076,China）

The general working capacities and test requirements of aeroengine during oil flow interruption were analyzed based on GJB241A-2010 and JSSG-2007B etc.Aiming at the high bypass ratio turbofan engine,its working capacities during oil flow interruption can not be copied from the military specifications because its features are different from the fighter engine＇s.After analysing the features of high bypass ratio turbofan and referring to the technology experiences of foreign engines,the working capacities and test methods of high bypass ratio turbofan engine during oil flow interruption were put up.

aeroengine；high bypass ratio turbofan engine；oil flow interruption

雷友鋒（1972），男，博士，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性試驗與研究工作。

2013-05-01