趙長輝,邢 晨,皇國英,高進(jìn)勇,孫同喜
(1.航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司;2.中國人民解放軍駐沈飛軍事代表室:沈陽,110850)
軍用航空發(fā)動機(jī)在裝備使用及維修和生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行較為頻繁的運輸和轉(zhuǎn)移,燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)是高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械,在運輸過程中的過載、沖擊、振動容易造成對發(fā)動機(jī)軸承等零部件的損傷,運輸和存放時還會遭受環(huán)境腐蝕等問題。為了使軍用發(fā)動機(jī)能夠得到有效保護(hù),能夠耐受環(huán)境影響并不會遭受物理損傷,需要有良好的包裝運輸設(shè)計。
軍用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)包裝運輸設(shè)計比較重要,美國等西方發(fā)達(dá)國家對此比較重視,有非常完善的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系,設(shè)計完備而先進(jìn)。國內(nèi)對這個領(lǐng)域不夠重視,總體上設(shè)計比較落后,標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不完備。主要采用木質(zhì)包裝箱,包裝運輸設(shè)計已經(jīng)滯后于發(fā)動機(jī)的發(fā)展,無法有效滿足使用需求,特別是艦載使用等新需求,迫切需要改進(jìn)和提高。近期研究和設(shè)計工作較少,只有唐光輝等研制了1種航空發(fā)動機(jī)陸運減震裝置[1],崔峰等設(shè)計了1種航空發(fā)動機(jī)減震包裝箱[2],還有一些發(fā)明專利,相關(guān)工作成果沒有得到有效應(yīng)用。
本文對軍用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)設(shè)計問題進(jìn)行比較全面地梳理和初步研究,重點分析美國軍用航空發(fā)動機(jī)的包裝運輸設(shè)計及規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn),并與中國相關(guān)設(shè)計進(jìn)行對比和分析。提出借鑒吸收美歐軍用發(fā)動機(jī)包裝運輸設(shè)計,以改進(jìn)和完善中國的軍用航空發(fā)動機(jī)包裝運輸體系的設(shè)想和建議。
1940年末開始,航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)快速取代活塞發(fā)動機(jī)成為主流軍用航空發(fā)動機(jī)。隨著大量裝備使用,軍用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的存儲、包裝運輸技術(shù)體系建立起來并快速完善和規(guī)范。
對軍用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的存儲和包裝運輸有很高的要求。存儲和包裝運輸裝置要能有效保護(hù)發(fā)動機(jī),防止外界環(huán)境及外界物體對發(fā)動機(jī)造成的損傷,并實現(xiàn)發(fā)動機(jī)高效快速的轉(zhuǎn)移和運輸。存儲和包裝運輸裝置要能夠防護(hù)環(huán)境腐蝕,有效隔離水汽、霉菌、塵埃以及其他的腐蝕物和污染物,并能防止長霉、老化等,材料和方法對發(fā)動機(jī)及附件性能無副作用。對于惡劣的海上(水面)使用環(huán)境下的艦載機(jī)發(fā)動機(jī)的腐蝕防護(hù)與控制尤為重要。海上的鹽霧、濕熱、霉菌環(huán)境和惡劣氣象條件都對發(fā)動機(jī)造成嚴(yán)重的腐蝕,需要進(jìn)行特別防護(hù)[3]。
軍用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的存儲和包裝運輸有完整的方法、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,使用專用材料、裝置、設(shè)備和工具。發(fā)動機(jī)的存儲、包裝運輸是密切關(guān)聯(lián)的,一般采用1套裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)從存儲狀態(tài)到運輸狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)變。運輸裝置外形應(yīng)簡潔、緊湊并能在倉庫及各種運輸工具中放置,應(yīng)適于機(jī)械化裝卸,能承受裝卸、吊裝、叉運、堆垛、系留/栓縛、轉(zhuǎn)運、集裝等不同作業(yè)情況。
美國軍方對于航空發(fā)動機(jī)的包裝運輸有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,可以查閱到文件是美國空軍的技術(shù)手冊TO 00-85-20“發(fā)動機(jī)運輸指南(Engine Shipping Instrcutions)”[4]。TO 00-85-20 公開發(fā)布,提供航空發(fā)動機(jī)包裝運輸?shù)脑敿?xì)技術(shù)要求和操作指南。TO 00-85-20共有7章,各章的題目分別為:概述;職責(zé);發(fā)動機(jī)運輸裝置;準(zhǔn)備和檢查;發(fā)動機(jī)和運輸裝置處置;系留指南;發(fā)動機(jī)運輸裝置管理等。第3~6章是重點。第3章給出美國空軍使用的發(fā)動機(jī)運輸車、適配器的基本數(shù)據(jù)表。第4章詳細(xì)描述使用運輸車、滑木箱、手推車、運輸罐等不同運輸裝置裝載的發(fā)動機(jī)在不同運輸方式下的工作及檢查要求。第5章內(nèi)容是裝載發(fā)動機(jī)的運輸裝置的裝卸操作要求。第6章是鐵路運輸、空運、卡車運輸?shù)冗\輸方式下,裝載發(fā)動機(jī)的各類運輸裝置的系留操作指南。
美國海軍航空發(fā)動機(jī)包裝運輸規(guī)范尚未查到,有待補(bǔ)充??梢栽诿绹\姽倬W(wǎng)圖片庫中查看艦載機(jī)發(fā)動機(jī)包裝運輸操作的圖片[5]。
發(fā)動機(jī)運輸裝置主要有:發(fā)動機(jī)運輸車、運輸罐、托架/手推車、包裝箱及滑木箱、貨盤。發(fā)動機(jī)運輸車和運輸罐是使用最為廣泛的發(fā)動機(jī)運輸裝置,托架/手推車也較常使用。木質(zhì)包裝箱及滑木箱不推薦使用,僅在沒有其他運輸裝置可用的情況下才使用,貨盤僅用于空運。
發(fā)動機(jī)的運輸方式主要是車輛陸運和運輸機(jī)空運,以及火車陸運和船舶海運。
車輛陸運是最為廣泛使用的1種發(fā)動機(jī)運輸方式,可以運輸各種類型的運輸裝置-發(fā)動機(jī)。陸運專用車輛使用帶有空氣懸掛系統(tǒng)(氣囊減震器)的專用牽引車-拖車或卡車如圖1所示??ㄜ囘\輸?shù)陌l(fā)動機(jī)需要排空燃油系統(tǒng)。牽引車-拖車包括:矮車身或下陷車身拖車。卡車、牽引車-拖車必須要采用木質(zhì)車廂底座,以便于系留和擋塊安裝。
運輸機(jī)用于空運,較為常用,可以裝運運輸車、運輸罐、貨盤等裝置裝載的發(fā)動機(jī)。
陸地火車運輸,較少采用,不允許運送運輸車裝載的發(fā)動機(jī),僅允許運送運輸罐裝運的發(fā)動機(jī)。
美國空軍的F100等系列發(fā)動機(jī),在使用運輸車運載時允許運輸時間在72 h以下的受限的海上運輸。發(fā)動機(jī)用防護(hù)罩進(jìn)行保護(hù),運輸車-發(fā)動機(jī)裝載在帶空氣懸掛系統(tǒng)(氣囊減震器)的封閉卡車或拖車內(nèi)。
美國海軍主要使用密封運輸罐裝運發(fā)動機(jī),海上運輸不受限。
通用發(fā)動機(jī)運輸車廣泛用于發(fā)動機(jī)存放、短距離轉(zhuǎn)移和長途運輸,可以裝運多種型號的發(fā)動機(jī),可進(jìn)行陸運、空運及受限的海運,不能用于鐵路運輸,不可以疊放。專用牽引車-拖車運輸裝載發(fā)動機(jī)的運輸車如圖2所示。陸運必須使用專用運輸車,拖車車廂有敞開式和封閉式2種,后者用于受限的海上運輸。
典型的通用型運輸車是Air Log 3000/3000E和4000系列運輸車。這些運輸車的特點是頂部2個標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌和下部4個標(biāo)準(zhǔn)充氣輪胎車輪。標(biāo)準(zhǔn)化通用化的導(dǎo)軌設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)運輸車與發(fā)動機(jī)安裝車、飛機(jī)發(fā)動機(jī)安裝導(dǎo)軌對接,實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)移。
發(fā)動機(jī)通過支臂或安裝架-滾輪適配器安裝固定在運輸車上,在運輸狀態(tài)發(fā)動機(jī)必須使用防護(hù)罩,在使用維護(hù)狀態(tài)時不使用保護(hù)罩,運輸車-發(fā)動機(jī)系統(tǒng)如圖3所示[6]。防護(hù)罩帶有發(fā)動機(jī)漏油收集裝置,護(hù)罩與發(fā)動機(jī)尖角之間要安裝保護(hù)材料,以防止損傷。防護(hù)罩材料是0.10 mm(4MIL)的聚乙烯,以及有乙烯基涂層的玻璃布或相當(dāng)?shù)牟牧稀7雷o(hù)罩是保護(hù)發(fā)動機(jī)的最基本的方法,不應(yīng)被用作發(fā)動機(jī)存儲容器,限制使用期為45~180 d。
F119采用專門設(shè)計的發(fā)動機(jī)運輸系統(tǒng)(ESS)如圖4所示。ESS是1種增強(qiáng)型發(fā)動機(jī)安裝架,相較于以前的發(fā)動機(jī)安裝架,采用新的焊接整體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅提升,能夠滿足承載F119大推力發(fā)動機(jī)的要求;增加帶有鋼絲繩減震裝置,具有良好的減震性能。使用3000E運輸車或裝載能力為4536 kg等效的運輸車。
F135發(fā)動機(jī)配套設(shè)計了專用的發(fā)動機(jī)運輸車,與F119發(fā)動機(jī)類似的發(fā)動機(jī)運輸系統(tǒng)(ESS),如圖5所示[7]。在保持通用型運輸車基本形式的基礎(chǔ)上,增加了發(fā)動機(jī)支撐-連接結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)。ESS有2種構(gòu)型:構(gòu)型1與F119發(fā)動機(jī)類似,采用矩形截面鋼管骨架;構(gòu)型2采用圓形截面鋼管骨架。
運輸罐能夠重復(fù)使用,適用各種運輸方式,因此被廣泛使用。按照材料分為金屬和玻璃纖維復(fù)合材料2種;按是否加壓可分為加壓和非加壓2種;按用途分為整臺發(fā)動機(jī)運輸罐和發(fā)動機(jī)部件運輸罐。整臺發(fā)動機(jī)的運輸罐主要使用加壓型運輸罐,一般使用干燥氮氣加壓。發(fā)動機(jī)部件運輸不需要加壓,使用非加壓型運輸罐。整臺發(fā)動機(jī)的非加壓型運輸罐不能用于空運。運輸罐裝載的發(fā)動機(jī)需要排空油。J57發(fā)動機(jī)和F119發(fā)動機(jī)運輸罐如圖6所示[8]。
按照TO 00-85-20的規(guī)定,加壓要求僅應(yīng)用于可能包含剩余燃油的完整狀態(tài)的發(fā)動機(jī)。在發(fā)動機(jī)拆解過程中發(fā)動機(jī)模塊內(nèi)的全部燃油都被去除的情況下,包裝箱不需要加壓。
發(fā)動機(jī)整體運輸罐多采用鋼材焊接密封容器設(shè)計。運輸罐的外形主要為平放圓柱形,少數(shù)采用其他空間形狀。一般都設(shè)計成上下兩半,下半段為運輸罐的承載主體,包括下罐體及其內(nèi)部有發(fā)動機(jī)安裝支架及連接系統(tǒng)。下罐體底部有底座和鋼滑木等結(jié)構(gòu)。罐體外還按需布置系留環(huán)。上半段為上蓋,外部有吊環(huán)等裝置。整個罐體能夠?qū)崿F(xiàn)其中設(shè)備吊運和叉車叉運作業(yè)以及系留。上半段和下半段罐體之間多采用螺栓連接,并有橡膠條密封裝置。
下半段運輸罐內(nèi)一般有鞍形發(fā)動機(jī)安裝座,發(fā)動機(jī)與底座之間使用快卸銷連接,安裝拆卸方便。鞍形安裝座與罐體之間一般安裝減震裝置,常用鋼絲繩減震器。增壓運輸罐帶有比較復(fù)雜的充氣和放氣裝置,以及濕度控制和指示裝置。
典型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)運輸罐的結(jié)構(gòu)如圖7、8所示[9-11]。美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊艦載機(jī)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)普遍采用運輸罐裝置運輸。美國海軍的一些燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的運輸罐如圖9所示。F/A-18艦載戰(zhàn)斗機(jī)的F404/F414發(fā)動機(jī)的運輸罐如圖10所示。
歐洲國家戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)也采用密封運輸罐裝置。如英國羅羅公司的“斯貝”、“飛馬”和“阿杜爾”發(fā)動機(jī),直至最新的EJ200發(fā)動機(jī)都采用密封罐裝置如圖11 所示[12]。
大型軍用運輸機(jī)的(大涵道比)渦扇發(fā)動機(jī)很多都是民用渦扇發(fā)動機(jī)的改型或衍生型,配套的專用運輸車與之相同或結(jié)構(gòu)近似。如F118發(fā)動機(jī)(CFM56)使用ETU-111/E多用途運輸車(Multi-Purpose Trailer)如圖 12所示[13]。C-17運輸車的 F117-PW-100發(fā)動機(jī)(衍生自PW2000系列),則采用專用的TT90-F運輸車如圖13所示,可用于空運發(fā)動機(jī)[14]。TT90-F運輸車還有配套的PT90-F發(fā)動機(jī)舉升安裝車,二者的頂部寬軌距導(dǎo)軌能夠?qū)?,實現(xiàn)發(fā)動機(jī)在二者之間的轉(zhuǎn)移[15]。
托架主要作用是支撐、保護(hù)和運輸發(fā)動機(jī),分為支架和運輸架2部分,二者可通過鎖定銷釘進(jìn)行組合和分離。在運輸狀態(tài)時,發(fā)動機(jī)使用專用防護(hù)罩進(jìn)行保護(hù),同戰(zhàn)斗機(jī)的加力式渦扇發(fā)動機(jī)相似。保護(hù)罩分為上下兩半,中間部分用拉鏈連接,并有防潮搭扣,需要使用MVPBAG自帶的鎖閉工具才能正確連接和封閉。主要作用是將發(fā)動機(jī)與外界環(huán)境隔開,防止有害氣體、有害液體、或外界潮氣對發(fā)動機(jī)本體及外圍管路附件造成損害。
F110發(fā)動機(jī)的ETU-114/E發(fā)動機(jī)運輸和儲存托架如圖14所示,用于存放和運輸安裝加力燃燒室的F110-GE-100(系列)發(fā)動機(jī)。托架組成部分包括外側(cè)剛性支撐結(jié)構(gòu)和內(nèi)側(cè)框架,二者之間使用彈性減震裝置連接。內(nèi)側(cè)框架有與發(fā)動機(jī)安裝結(jié)構(gòu)的連接接口。ETU-114/E托架可以使用帶空氣懸掛系統(tǒng)(氣囊減震器)的牽引車-拖車陸運。托架可以疊放,單臺拖車可以運輸1~4個托架-發(fā)動機(jī)。
ETU-114/E托架更詳細(xì)的資料尚未查閱到,有待補(bǔ)充。
中國軍用航空發(fā)動機(jī)儲存和包裝運輸基本上是沿用前蘇聯(lián)/俄羅斯體系[16]。存儲和包裝運輸裝置設(shè)計單一,基本上都采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)包裝箱。采用汽車或火車陸運的方式。規(guī)范性文件是GJB1284-91《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的封存包裝》。
包裝箱主體結(jié)構(gòu)使用木材,局部使用鋼制加強(qiáng)帶板以及系留環(huán)/吊耳等鋼件。包裝箱箱底上安裝固定鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)固定支架,在支架上有發(fā)動機(jī)前后連接裝置,分別與前部推力銷座和后部加力筒體外的承力環(huán)連接。采用油紙和塑料封裝發(fā)動機(jī)安裝在支架上。木質(zhì)包裝箱存在問題和不足,其效能低,不能有效滿足使用要求;密封性差,無減震裝置,無法有效保護(hù)發(fā)動機(jī),容易造成發(fā)動機(jī)損傷;不能重復(fù)使用,浪費嚴(yán)重;沒有進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,規(guī)格多,隨發(fā)動機(jī)變化。包裝箱與其他地面設(shè)備無法形成有效銜接。由于沒有減震裝置,因此發(fā)動機(jī)時常由于運輸振動而導(dǎo)致故障。由于各種原因,木質(zhì)包裝箱裝置仍廣泛使用,已經(jīng)不能適應(yīng)發(fā)動機(jī)的發(fā)展。
針對無減震措施的木質(zhì)包裝箱易損傷發(fā)動機(jī)、使用限制條件多等問題,國內(nèi)有關(guān)單位進(jìn)行帶減震措施的發(fā)動機(jī)運輸裝置的研制和發(fā)展。唐光輝等研制的1種航空發(fā)動機(jī)陸運減震裝置,但是可能由于設(shè)計上的局限和問題,沒有大面積推廣和應(yīng)用。
通過對美國和中國軍用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的包裝運輸設(shè)計的介紹和分析,可以看出中國在這方面與美國的差距。
美國有完善的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)包裝運輸規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計技術(shù)先進(jìn),使用性能好。采用多種可重復(fù)使用的、有較高通用性的運輸裝置,包括:通用/專用運輸車+發(fā)動機(jī)安裝架/運輸系統(tǒng)、(密封)運輸罐、托架等。運輸裝置可以適應(yīng)卡車陸運、運輸機(jī)空運/直升機(jī)吊運、船舶海運、火車陸運等多種運輸方式。采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化設(shè)計的通用運輸車+安裝架設(shè)計發(fā)動機(jī)安裝和拆卸,作業(yè)方便快捷,能夠?qū)崿F(xiàn)運輸狀態(tài)與地面工作狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換。具有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌及對接裝置的運輸車能夠與發(fā)動機(jī)安裝車、維護(hù)臺架的直接對接,實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的快速轉(zhuǎn)移。帶有減震裝置的密封運輸罐裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機(jī)的全面保護(hù),適應(yīng)幾乎所有運輸方式,充分滿足惡劣的海上環(huán)境的使用要求,被美國海軍廣泛使用。
中國采用比較單一的不帶減震裝置的木質(zhì)包裝箱系統(tǒng),使用火車和卡車運輸。這種包裝運輸設(shè)計不能實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的全面有效的保護(hù):在運輸過程中的振動和沖擊載荷大,容易造成發(fā)動機(jī)部件和整機(jī)損傷;防潮、耐環(huán)境腐蝕密封措施不夠有效,不能對發(fā)動機(jī)進(jìn)行有效保護(hù),遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足海上使用要求;系統(tǒng)使用性能差、適應(yīng)性差、運行效率低,主要適用于火車和卡車運輸,發(fā)動機(jī)拆卸、安裝和轉(zhuǎn)運作業(yè)較為繁瑣復(fù)雜,需要起吊設(shè)備;包裝箱一次性使用,浪費嚴(yán)重。從總體上看,中國發(fā)動機(jī)包裝運輸設(shè)計非常落后,與美國相比差距巨大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足空軍海軍發(fā)展需求。
建議充分吸收借鑒美國的先進(jìn)實用的發(fā)動機(jī)包裝運輸設(shè)計,改進(jìn)完善中國軍用航空發(fā)動機(jī)包裝運輸設(shè)計。
在發(fā)動機(jī)運輸裝置方面,逐步淘汰一次性使用的木質(zhì)包裝箱,采用與美國近似的可重復(fù)使用的通用型運輸車和運輸罐系統(tǒng),適應(yīng)空運和海運等新的高效運輸方式。借用美國發(fā)動機(jī)運輸車、安裝車和維修臺架、試車臺架的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,充分提高系統(tǒng)運行效率。采用帶有減震裝置的發(fā)動機(jī)安裝架,與F119和F135發(fā)動機(jī)的發(fā)動機(jī)運輸裝置(ESS)近似,在設(shè)計上采用鋼絲繩減震器等減震裝置,實現(xiàn)高減震性能,可直接使用普通卡車運輸。開發(fā)帶有減震裝置的發(fā)動機(jī)密封運輸罐系統(tǒng),充分滿足海軍使用要求。
初步研究了軍用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的包裝運輸設(shè)計,詳細(xì)分析研究了美國的發(fā)動機(jī)包裝運輸設(shè)計,希望對中國的相關(guān)工作有所幫助。
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[13]Photo of F-118 engine and ETU-111/E multipurpose trailer[EB/OL].[2017-09-10].https://www.amazon.com/multipurpose-Stratotanker-aircraft-re-engine-transport/dp/B00KFNV6MI
[14]TT90 Trailer[EB/OL].[2017-09-10].http://www.ddmach.com/ground-support/tt90-f-engine-transport-trailer/
[15]PT90 Engine lift trailer[EB/OL].[2017-09-10].http://www.ddmach.com/ground-support/pt90-f-engine-lift-trailer/
[16] Производство авиационных двигателей (60 фото)[EB/OL].(2015-03-22)[2017-09-10].http://nlo-mir.ru/tech/34128-proizvodstvo-aviacionnyh-dvigatelej-60-foto.html