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航空发动机故障分析系列文章 本系列文章由北京航空航天大学陈光教授在90岁高龄下亲笔完成，授权本公众号发表。“老骥伏枥，志在千里。烈士暮年，壮心不已”。已是耄耋之年的陈光教授仍在教育的土壤上躬耕不辍，奔走各地，在科学的大道上，勤奋在左，无私在右，一路播种，一路花开。他的学术成就和教育贡献已成为我国航空领域的宝贵财富，不仅时时启迪今人，亦将长久惠泽后世。 简介  陈光，北京航空航天大学能源与动力工程学院教授。1955年毕业于北京航空学院，中国著名航空发动机专家。曾担任中航第二集团公司科技委委员，中国航空学会理事、副秘书长，长期担任北京航空航天学会常务理事兼秘书长，享受国务院政府特殊津贴。 从几起罕见的重大故障淡航空发动机的安全设计 在民用双转子大涵道比涡轮风扇发动机中，低压涡轮通过低圧传动轴驱动风扇，高压涡轮通过套在低压传动轴外的高压轴驱动高压压气机，见图1。在使用中，传动风扇或高压压气机的传动轴，很少发生断轴的故障。但是，如果不釆取特别措施，一旦出现断轴故障，会造成极为严重的后果。  图1 大涵道比涡轮风扇发动机简图 1 D-30发动机故障 根据报导，在我国民航飞机中，几十年来仅在1988年5月30日发生过一次发动机断轴的故障。当天一架苏制图-154客机在广州起飞后的爬升过程中，装在飞机尾部上方的D-30发动机（另两台发动机分别装在机尾机身两侧）传动风扇的传动轴突然折断，传动轴折断后，四级低压涡轮转子飞转，在极大的离心力作用了，四级低压涡轮转子爆裂，断块在极大的离心力作用下击穿机匣甩离发动机（图2），是一起严重的发动机非包容故障（发动机受损的零件或断块，击穿机匣甩出发动机的故障称非包容故障，受损零件或断片未击穿机匣而隨气流由尾喷管排出发动机的故障称包容故障），幸好发生故障的发动机位于机尾上端，甩出的断块未对飞机机身与操纵等系统造成损伤，因而保全了飞机，未酿成灾难，实属万幸，否则后果不堪设想。因为装有同型（D-30）发动机的波兰航空公司的一架伊尔-62飞机，在事发前一年的1987年的5月7日，在华沙机场起飞时，遭遇了类似的低压涡轮断轴故障。伊尔-62客机的4台发动机均装于机身尾部，每侧两台，如图3所示。由于出故障的发动机是紧贴机身的，甩出的碎片击穿飞机机身，打坏了机身内部系统，造成了飞机坠毁的严重事故，机上乘客与机组人员共183人无一幸免均遭到灭顶之灾，是当时波兰航空史上最为惨重的飞行事故。  图2 四级低压涡轮转子碎块击穿发动机的图-154  图3 装有四台发动机的伊尔-62客机 进入21世纪后，出现了两款非常有名的旅客机，其一是欧卅空中客车公司发展的号称世界上最大、航程最远、最豪华舒适的A380巨型客机，该客机于2007年10月25日投入商业运营；另一款是美国波音公司发展的B787“梦幻”客机，该客机于2010年10月26日投入商业运营。这两型客机均采用了当前性能最好的大涵道比涡轮风扇发动机：A380采用了英国罗罗公司的遄达900发动机与美国普惠公司与通用电气公司合资的‘发动机联盟公司’的GP7200发动机；B787采用了罗罗公司的遄达1000发动机与美国通用电气公司的GEnx发动机。 说来也巧，这四型新发动机在投入运营前、后不到十年的时间内，均发生了罕见的涡轮驱动风扇或中压压气机的传动轴折断故障。据美国通用电气公司最近统计，在过去的10年中，该公司以及与他们合资的公司约有25 000台发动机在使用、工作总时数约6亿飞行小时中，只出现过6次断轴事件。而这两款最新型的客机所用的四型发动机，在不到十年的时间中，竟然出现了五次断轴故障（GEnx二次，其他三型发动机各一次），这么密集地出现断轴事件，在航空史上也实在是罕见的。 在这四型发动机中，两型是由英国罗罗公司研发的遄达900与遄达1000发动机，这两型发动机均是三转子发动机，这种三转子结构是罗罗公司的传统设计，参见图4。以遄达1000为例，由6级低压涡轮通过低压传动轴驱动大直径的风扇转子，转速较低，为每分钟2600转；由1级中压涡轮通过套在低压传动轴外的中压传动轴驱动6级中压压气机，转速较高，为每分钟8900转；由1级高压涡轮通过套在中压传动轴外的高压传动轴驱动8级高压压气机，转速最高，为每分钟13400转。  图4 三转子发动机示意图 2 遄达900发动机故障 在A380投入航线运营后的第三年即2010年，当年11月4日，澳洲航空公司的一架A380客机执行伦敦-新加坡-悉尼的QF32航班任务时，机上载有440名乘客及26名机组成员。飞机由新加坡起飞后，爬升几分钟飞到2134 米高度时，突然出现了爆炸声，一分钟后，飞机的中央电子监控系统发出了43条表明飞机多个系统出现问题的信息，飞机随即处于难以控制的状态。 原来是2号发动机（位于左机翼内侧）中压涡轮驱动中压压气机的传动轴突然折断，造成中压涡轮盘爆破，轮盘破裂成几块，断块以很大的离心力打穿涡轮机匣与发动机短舱（参见图5），一块断块穿透左翼前缘，对机翼的前缘结构、前翼梁和上表面造成了损伤。一小块涡轮盘还穿透了左翼与机身之间的整流罩，打到机身结构以及飞机的电缆，电线等，受损的电缆进而影响到了液压系统、起落架系统和飞行控制系统。残块还击中了左翼下表面，使得2 号发动机油箱和左翼内部油箱的燃油发生泄漏。2 号发动机的吊架、l 号发动机、机身左侧龙骨梁的连接部件和左翼纵墙也受到了损伤，由此造成多处飞机结构以及多个系统受损（参见图6）。图7、图8分别示出电缆朿打断与发动机附件传动装置打烂的情况。  图5 2号发动机受损情况  图6 A380飞机受损部位图  图7 被打断的导线朿  图8 受损的发动机附件传动机构 在机组人员精心操作下，将损坏严重、难于控制的飞机终于在起飞后109分钟，在距机场跑道（跑道长4000米）尽头150米处安全停住。创造了航空史上的一个奇迹。当飞机上所有乘客下飞机后，1号发动机继续运转着，机组人员采用各种能想到的方法，但由于大量导线被打断，各种操纵信号无法执行，因此无法将该发动机停车，后来由消防人员向发动机进口喷洒泡沫灭火剂才将发动机停车，此时已是飞机着陆后的2小时，这种不能将发动机停车的现象，也属罕见。 受损的A380在新加坡进行了大修，经过18个月耗资1.39亿美元，于2012年4月修好。由修理时间之长与耗资之大，可以看出该飞机承受了难以置信的严重损坏，也是民航史上少有的飞机严重受损但无人员伤亡的事件。 3 遄达1000发动机故障 说来也巧，在A380出现遄达900中压涡轮盘非包容爆破故障（2010年11月4日）前三个月的8月2日，用于B787的遄达1000发动机在罗罗公司位于英国达比的地面试车台试车时，也出现了中压涡轮盘非包容爆破故障，这是B787还未投入商业运营前的地面试车，发动机尚未装上飞机，因此适航部门未介入此次故障的调查。据罗罗公司的报导称，在此次中压涡轮非包容故障中，涡轮盘的断块打穿涡轮机匣，打坏了试车台的一些设备。 4 GEnx发动机故障 2012年7月28日，即将交付给印度航空公司的一架B787飞机在作地面滑行试验时，其所装的GEnx发动机发生了一起严重的包容故障，即低压涡轮驱动风扇的传动轴折断，但它不像上述的两件故障中传动轴折断后涡轮转子飞转，使涡轮盘爆裂造成严重的非包容故障。在这次涡轮传动轴折断后，涡轮转子沒有超转，因而轮盘并未爆裂，只是涡轮转子在涡轮轴向气动力作用下向后窜移，使工作叶片与导向叶片相碰撞，造成一些叶片破裂，其断片随喷气流由尾喷口轴向甩出发动机，对飞机的机翼与机身下部造成了一些微小的碰伤与灼伤，灼热的碎片还掉到跑道侧边的草坪中，引起草坪失火，后经机场救火队扑灭。因此这次断轴故障沒有造成过大的损失。 这次事件中的发动机工作仅18小时16分钟，其中台架试车9小时21分钟,装在飞机上后在地面工作 8小时55分钟，在这么短时间内，竟然出现断轴事件，实属罕见。在此事件发生6周后，即2012年9月17日，一架俄罗斯空桥货运公司的B747-8货运机在上海起飞后，其中一台GEnx出现了低压涡轮轴断裂的包容故障，与上述故障一致，造成发动机空中停车。飞机在其它3台发动机工作下安全返回机场。 通用电气公司隨后发展了一种检测传动轴在断轴处的检测方法，检查该处是否存在开裂（断裂初期）的现象，对所有在使用中的以及在库存中的全部GEnx的低压涡轮轴进行了检测，检测中还真的发现了一台发动机的低压涡轮传动轴有类似的裂缝，这台发动机虽然已装到一架B787-8飞机上，但还没有进行飞行，避免了一次可能的重大故障。 5 GP7200发动机故障 2017年9月30日，法国航空公司的一架装有四台GP7200发动机的A380客机，执行由法国巴㴝到美国洛杉矶的航班任务，机上载有乘客496人，机组人员24人。当飞机快接近加拿大时，飞机右翼外侧的发动机突然风扇转子连同飞机的进气短舱等脱离发动机而坠落，图9示出了正常情况下的发动机与受损后发动机的对比照片。飞机隨后平安降落在加拿大拉布拉多的鹅湾空军基地，事件中无人员伤亡。  图9 A380右翼外侧发动机受损前后对比  图10 发动机受损情况 在对飞机与受损发动机进行检查后发现，在发动机中，由于涡轮驱动风扇的传动轴前端的风扇后锥轴（图11中的A处）突然断裂，断裂情况见图10。断裂的风扇转子（风扇叶片与轮盘）在风扇叶片轴向气动力的作用下前移，由于风扇转子己与低压涡轮断开，风扇转子的转速立即降低至不转，在重力的作用下下坠，下坠过程中将飞机的进气短舱扯坏，与风扇转子一起下坠脱离机翼，因此对飞机结构沒有造成损伤，受损的发动机己工作3257个循环（飞机一次起飞着陆过程即发动机工作的一个循环），属于使用时间较长的发动机。发动机中这么一个大的风扇部件在飞行中丢失了，不但引起了,乘坐该飞机的乘客们心惊胆战，就连我们当天看到新闻报导时，也感到毛骨悚然。但是，这么大的发动机在飞行中丢掉了一个硕大无比的风扇部件，为什么对飞机基本没有造成丝毫损伤，很多人都感到纳闷，这是什么原因？ 图11 GP7200大涵道比涡轮风扇发动机 在发生上五起发动机传动轴折断的严重故障中，其造成的后果却绝然不同，有的将飞机打坏得一塌糊涂，险遭机毁人亡的重大事故，但有的却对飞机没有造成损伤或轻微损伤，这就是发动机是否采用了防止传动轴折断后涡轮不会飞转的安全设计带来的后果。 发动机安全设计 发动机中的一些重要零组件，一般在工作中不易出现问题，但是一旦因某些因素引发故障，会造成严重或灾难性后果，因此在发动机设计中，应采取一些防止出现灾难性事故的措施，这就是发动机的安全设计。在发动机设计中，防止涡轮驱动风扇或压气机的传动轴折断后，不会造成涡轮飞转的措施就是一项极其重要的安全设计。 在涡轮风扇发动机中，一旦涡轮驱动风扇转子的传动轴折断，低压涡轮失去负荷，在高温燃气的驱动下，低压涡轮转子转速会急速上升，达到超转至飞转，涡轮叶片在极大的离心力作用下，会甩离轮盘，而轮盘则会爆裂成几个断块，叶片与轮盘的断块在极大的离心力作用下，击穿发动机机匣，甩离发动机，造成发动机非包容故障，其甩出的碎片会打坏飞机机体、液压系统等，造成飞机重大损伤，严重时会造成机毁人亡的事故。因此必须釆取防止传动轴折断后，涡轮转子不会超转的安全措施，现有的涡轮风扇发动机除个别（图-154的D-30发动机）外，均在低压涡轮中设有这种安全设计。一旦低压涡轮因传动轴折断等原因造成风扇与低压涡轮联接断开时，立即断开向燃烧室的供油，这时就没有燃烧后的高温燃气流入低压涡轮，低压涡轮就转不起来了，更不会超转了。早期的发动机釆用机械式的断油装置，在采用发动机全功能电子调节装置FADEC后，在电路系统中设置限转即可。前述的GEnx与GP7200发动机断轴事件中，就是由于在低压涡轮中设置了防止断轴后涡轮飞转的安全设计而沒有对飞机造成损伤的原因，而图-154所用的D-30发动机中，沒有采取这项安全设计，因而对飞机造成了危害极大的损伤。 罗罗公司的遄达900与遄达1000发动机中，也是涡轮的传动轴折断，但却造成了几乎机毁人亡的重大事故，这又是为什么呢？ 在现在所有的涡轮风扇发动机中，均在低压涡轮中装有防止传动轴折断后低压涡轮不会飞转的安全设计，但在高压涡轮与中压涡轮中均不釆用这种安全设计，其原因是低压传动轴在工作中承受的会使轴折断的剪切应力特别大，相对于中压与高压传动轴容易折断。这是因为低压传动轴是套装在高、中压传动轴内的（参见图4），轴的直径最小，另外，低压涡轮要驱动直径特别大的风扇，因此它的转速最低（遄达1000中为每分钟2600转），而高压传动轴的直径最大，且转速高达每分钟13400转。在传递相同功率情况下，转速高，作用在传动轴上的扭矩小；在传递相同扭矩作用下，传动轴的直径越小，传动轴上作用的剪切应力则越大。 这就是罗罗公司研制的三转子大涵道比涡轮风扇发动机中，没有在中压涡轮中设置防止轴断后涡轮飞转的设计，而上述的遄达900与遄达1000引发的事件，恰巧是由于某些原因造成了中圧涡轮的传动轴折断而引发的，罗罗公司在此二次事件后，在发动机上设置了这种安全设计，相信今后不会再次发生类似的事件，这正是吃一堑长一智的结果。 细心的读者会问，GEnx与GP7200发生的故障中，虽然低压涡轮都沒有飞转，但其后果为什么有不同之处，即Genx在尾喷口喷出一些叶片碎片，对飞机机翼下表面造成微小的碰伤与灼烧，而GP7200故障中，除风扇部件甩出发动机外，其它部分基本完好。 为了回答这个问题，须了解低压涡轮-风扇整个转子即低压转子是如何支承在发动机中的，由图11可以看出低压转子支承在三个轴承上，即风扇后一个滚棒轴承，风扇与低压涡轮间一个滚珠轴承，低压涡轮后一个滚棒轴承。在滚动轴承中，滚棒轴承仅承受径向力，滚珠轴承既承受径向力，还承受轴向力。发动机工作時，作用在低压转子上的轴向力就是通过滚珠轴承传到发动机机匣上的。 在涡轮风扇发动机中，一旦低压转子的传动轴折断，低压涡轮转子会在流过涡轮叶片气流的气动力作用下作用一个向后的力，在GEnx事件中，断口位置处于滚珠轴承之后（图11中B），这个会使涡轮转子向后窜移的轴向力沒有被滚珠轴承承受，因此涡轮转子向后窜移，使工作叶片撞击到静子叶片上，造成叶片断裂等损伤。而在GP7200事件中，传动轴折断处位于滚珠轴承之前（图11之A），因此当传动轴折断后，会使涡轮转子向后窜移的轴向力被滚珠轴承承受了，涡轮转子当然就不会向后窜移了，也就不会发生转子叶片撞击到静子叶片的事情了。 说明 |
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