發(fā)動機(jī)空中斷軸之后

陳光

現(xiàn)代商用噴氣式客機(jī)一般都采用雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。該類型航空發(fā)動機(jī)工作時，低壓渦輪通過低壓傳動軸驅(qū)動風(fēng)扇，高壓渦輪通過套在低壓傳動軸外的高壓傳動軸驅(qū)動高壓壓氣機(jī)。

一般而言，驅(qū)動風(fēng)扇或高壓壓氣機(jī)的傳動軸，很少發(fā)生斷軸故障。但是，不怕一萬，就怕萬一。如果不采取特別措施的話，一旦出現(xiàn)斷軸故障，會造成極為嚴(yán)重的后果。

疹人的斷軸事故

1988年5月30日，中國民航一架蘇制圖-154客機(jī)從廣州起飛后爬升，飛機(jī)垂尾位置的那臺D-30發(fā)動機(jī)傳動風(fēng)扇的傳動軸突然折斷。飛轉(zhuǎn)的四級低壓渦輪轉(zhuǎn)子爆裂，碎塊在極大的離心力作用下?lián)舸C(jī)匣甩離發(fā)動機(jī)，產(chǎn)生嚴(yán)重的發(fā)動機(jī)非包容故障。幸好，故障發(fā)動機(jī)是機(jī)尾上端那臺，分列于機(jī)身尾部兩側(cè)的2臺發(fā)動機(jī)未受影響，而甩出的碎塊也未對機(jī)身及操縱系統(tǒng)造成損傷，因而保全了飛機(jī)，實(shí)屬萬幸，否則后果不堪設(shè)想。

一年以前，1987年5月7日，裝有同型D-30發(fā)動機(jī)的波蘭航空公司的一架伊爾-62飛機(jī)從華沙機(jī)場起飛時，遭遇了類似的低壓渦輪斷軸故障。伊爾-62客機(jī)的4臺發(fā)動機(jī)均裝于機(jī)身尾部，每側(cè)2臺。不幸的是，這架伊爾-62的故障發(fā)動機(jī)是緊貼機(jī)身的那臺。甩出的碎片不僅擊穿機(jī)身，而且打壞了機(jī)身內(nèi)部系統(tǒng)，造成了飛機(jī)墜毀的嚴(yán)重事故，機(jī)上乘客與機(jī)組人員共183人，無一幸免，全部遇難。該事件，是當(dāng)時波蘭航空史上最為慘重的飛行事故。

進(jìn)入21世紀(jì)后，出現(xiàn)了兩款非常有名的旅客機(jī)。其一是歐洲空中客車公司發(fā)展的號稱世界上最大、航程最遠(yuǎn)、最豪華舒適的A380巨型客機(jī)。其二是美國波音公司發(fā)展的波音787“夢想”客機(jī)。這兩型客機(jī)均采用了當(dāng)前性能最好的大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)——A380采用英國羅羅公司的遄達(dá)900發(fā)動機(jī)，也可選裝“發(fā)動機(jī)聯(lián)盟公司”（美國普惠公司與通用電氣公司合資）的GP7200發(fā)動機(jī)；波音787采用羅羅公司的遄達(dá)1000發(fā)動機(jī)，也可選用美國通用電氣公司的GEnx發(fā)動機(jī)。

說來也巧，這4型新發(fā)動機(jī)在投入運(yùn)營前后不到10年的時間內(nèi)，均發(fā)生了渦輪驅(qū)動風(fēng)扇（或中壓壓氣機(jī)）的傳動軸折斷故障。據(jù)美國通用電氣公司最近統(tǒng)計(jì)，在過去的10年中，該公司獨(dú)立或合資制造的約25000臺發(fā)動機(jī)，其工作總時數(shù)已達(dá)約6億飛行小時，但只出現(xiàn)過6次斷軸事件。而最新型A380和波音787所用的4型發(fā)動機(jī)，在不到10年的時間中，竟然出現(xiàn)了5次斷軸故障（GEnx有2次，其他3型發(fā)動機(jī)各1次）。這么密集地出現(xiàn)斷軸事件，在航空史上是罕見的。

大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)簡圖

1988年5月30日，中國民航一架圖-154客機(jī)被碎裂的四級低壓渦輪轉(zhuǎn)子碎塊擊穿發(fā)動機(jī)。筆者當(dāng)時也參與了事故調(diào)查。

三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)示意圖。

2017年9月30日，法航A380客機(jī)GP7200發(fā)動機(jī)受損情況。

在上述4型發(fā)動機(jī)中，兩型是由英國羅羅公司研發(fā)的，均是三轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，這種結(jié)構(gòu)是羅羅公司的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。以遄達(dá)1000為例，由6級低壓渦輪通過低壓傳動軸驅(qū)動大直徑的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速較低，為每分鐘2600轉(zhuǎn)；由1級中壓渦輪通過套在低壓傳動軸外的中壓傳動軸驅(qū)動6級中壓壓氣機(jī)，轉(zhuǎn)速較高，為每分鐘8900轉(zhuǎn)；由1級高壓渦輪通過套在中壓傳動軸外的高壓傳動軸驅(qū)動8級高壓壓氣機(jī)，轉(zhuǎn)速最高，為每分鐘13400轉(zhuǎn)。

2010年，A380投入航線運(yùn)營后的第三年。當(dāng)年11月4日，澳洲航空公司的一架A380客機(jī)執(zhí)行倫敦-新加坡-悉尼的QF32航班任務(wù)，機(jī)上載有440名乘客及26名機(jī)組成員。飛機(jī)由新加坡起飛后，爬升到2134米高度時，突然出現(xiàn)了爆炸聲。一分鐘后，飛機(jī)的中央電子監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出了43條表明飛機(jī)多個系統(tǒng)出現(xiàn)問題的信息，飛機(jī)隨即處于難以控制的狀態(tài)！

2號發(fā)動機(jī)（位于左機(jī)翼內(nèi)側(cè)）出事了！驅(qū)動中壓壓氣機(jī)的中壓渦輪傳動軸突然折斷，造成中壓渦輪盤破裂成幾塊，碎塊以很大的離心力打穿渦輪機(jī)匣與發(fā)動機(jī)短艙。其中一塊碎塊穿透左翼前緣，對機(jī)翼的前緣結(jié)構(gòu)、前翼梁和上表面造成了損傷。還有一小塊碎塊穿透了左翼與機(jī)身之間的整流罩，打到機(jī)身結(jié)構(gòu)以及飛機(jī)的電纜、電線等，進(jìn)而影響到了液壓、起落架和飛行控制等系統(tǒng)。此外碎塊還擊中了左翼下表面，使得2號發(fā)動機(jī)油箱和左翼內(nèi)部油箱的燃油發(fā)生泄漏。2號發(fā)動機(jī)的吊架、1號發(fā)動機(jī)、機(jī)身左側(cè)龍骨梁的連接部件以及左翼縱墻也都受到了損傷。事故造成多處飛機(jī)結(jié)構(gòu)以及多個系統(tǒng)受損。

機(jī)組人員精心操作，終于在起飛后109分鐘，將受損嚴(yán)重的飛機(jī)在距機(jī)場跑道盡頭150米處安全停?。ㄅ艿篱L4000米），創(chuàng)造了航空史上的一個奇跡。所有乘客撤離飛機(jī)時，1號發(fā)動機(jī)還在繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，但由于大量導(dǎo)線被打斷，各種操縱指令無法執(zhí)行，因此機(jī)組人員采用各種能想到的方法也無法將該發(fā)動機(jī)關(guān)車。后來，消防人員向該發(fā)動機(jī)進(jìn)口噴灑泡沫滅火劑，才將發(fā)動機(jī)停下來，此時已是飛機(jī)著陸后2小時。

受損的A380在新加坡進(jìn)行了大修，經(jīng)過18個月，耗資1.39億美元，于2012年4月修好。修理時間之長，耗資之大，可以看出該飛機(jī)遭受了嚴(yán)重?fù)p壞。這是民航史上少有的飛機(jī)嚴(yán)重受損但無人員傷亡的事件。

說來巧，這次事故3個月前的8月2日，用于波音787的遄達(dá)1000發(fā)動機(jī)在羅羅公司位于英國達(dá)比的地面試車臺試車時，也出現(xiàn)了中壓渦輪盤非包容故障。這是波音787還未投入商業(yè)運(yùn)營前的地面試車，發(fā)動機(jī)尚未裝上飛機(jī)，因此適航部門未介入此次故障的調(diào)查。羅羅公司稱，在此次中壓渦輪非包容故障中，渦輪盤碎裂產(chǎn)生的碎塊除了打穿渦輪機(jī)匣，還打壞了試車臺的一些設(shè)備。

2012年7月28日，即將交付給印度航空公司的一架波音787飛機(jī)在做地面滑行試驗(yàn)時，其GEnx發(fā)動機(jī)發(fā)生了一起嚴(yán)重的故障：低壓渦輪驅(qū)動風(fēng)扇的傳動軸折斷。但好在渦輪轉(zhuǎn)子沒有超轉(zhuǎn)，因而渦輪盤并未爆裂，只在渦輪軸氣動力作用下向后發(fā)生竄移，使得工作葉片與導(dǎo)向葉片相碰撞，造成一些葉片的破裂，所產(chǎn)生的碎片隨噴氣流由尾噴口軸向甩出了發(fā)動機(jī)，僅對飛機(jī)的機(jī)翼與機(jī)身下部造成了一些微小的碰傷與灼傷。不過，灼熱的碎片掉到跑道側(cè)邊的草坪中，引起草坪失火，后經(jīng)機(jī)場救火隊(duì)撲滅。這次故障，碎片沒有擊穿發(fā)動機(jī)機(jī)匣，因此屬于包容故障。故障發(fā)動機(jī)工作僅18小時16分鐘，其中臺架試車9小時21分鐘，裝在飛機(jī)上后在地面工作8小時55分鐘。在這么短時間內(nèi)，竟然出現(xiàn)斷軸事件，實(shí)屬罕見。

在上述事件發(fā)生6周后，2012年9月17日，一架俄羅斯空橋貨運(yùn)公司的波音747-8貨運(yùn)機(jī)自上海起飛后，其中一臺GEnx出現(xiàn)了低壓渦輪軸斷裂的包容故障，造成事故發(fā)動機(jī)空中停車。飛機(jī)靠其他3臺發(fā)動機(jī)安全返回機(jī)場。

通用電氣公司隨后對所有庫存及服役GEnx發(fā)動機(jī)的低壓渦輪軸進(jìn)行了檢測。結(jié)果，公司還真的發(fā)現(xiàn)一臺發(fā)動機(jī)的低壓渦輪傳動軸上有裂紋，這臺發(fā)動機(jī)已裝到一架波音787-8飛機(jī)上，還好沒有進(jìn)行飛行，由此避免了一次可能的重大故障。

2017年9月30日，法國航空公司的一架裝有4臺GP7200發(fā)動機(jī)的A380客機(jī)，執(zhí)行由法國巴黎到美國洛杉磯的航班任務(wù)，機(jī)上載有乘客496人，機(jī)組人員24人。當(dāng)飛機(jī)快接近加拿大時，飛機(jī)右翼外側(cè)的發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子連同飛機(jī)的進(jìn)氣短艙等部件居然從發(fā)動機(jī)上墜落。飛機(jī)隨后平安降落在加拿大拉布拉多的鵝灣空軍基地，事件中無人員傷亡。

在對飛機(jī)與受損發(fā)動機(jī)進(jìn)行檢查后，調(diào)查者們發(fā)現(xiàn)，位于傳動軸前端的風(fēng)扇后錐軸突然斷裂，斷裂的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子（風(fēng)扇葉片與輪盤）在風(fēng)扇葉片軸向氣動力的作用下前移。由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子已和低壓渦輪斷開，其轉(zhuǎn)速立即降低，隨即停轉(zhuǎn)，在重力的作用下直接墜下，將飛機(jī)的進(jìn)氣短艙扯壞。結(jié)果是風(fēng)扇轉(zhuǎn)子與進(jìn)氣短艙一起脫離機(jī)翼，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)沒有造成損傷，實(shí)屬“不幸中的萬幸”。

這次事故中，受損發(fā)動機(jī)已工作3257個循環(huán)（飛機(jī)一次起飛著陸過程即發(fā)動機(jī)工作的一個循環(huán)），屬于使用時間較長的發(fā)動機(jī)。這么大的風(fēng)扇部件在飛行中居然丟失了，不僅讓乘客們心驚膽戰(zhàn)，就連我們當(dāng)天看到新聞報道時也感到毛骨悚然。

同樣是發(fā)動機(jī)傳動軸折斷造成的嚴(yán)重故障，其后果卻截然不同。為什么？傳動軸折斷后，發(fā)動機(jī)是否采用了防止渦輪飛轉(zhuǎn)的安全設(shè)計(jì)，成了阻擋惡性事故的最后一道防火墻。

低壓渦輪都沒飛為啥結(jié)果不一樣

GP7200大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)示意圖

細(xì)心的讀者可能還會問。GEnx與GP7200發(fā)生的故障中，雖然低壓渦輪都沒有飛轉(zhuǎn)，但其后累為什么不同？即，從Genx尾噴口噴出一些葉片碎片，對飛機(jī)機(jī)翼下表面造成微小的碰傷與灼燒，而GP7200故障中除風(fēng)扁部件甩出發(fā)動機(jī)外，其他部分則基本完好。

為了回答這個問題，須了解低壓渦輪-風(fēng)扁整個轉(zhuǎn)子即低壓轉(zhuǎn)子是如何支承在發(fā)動機(jī)中的。低壓轉(zhuǎn)子支承在3個軸承上，即風(fēng)扁后的滾棒軸承，風(fēng)扇與低壓渦輪間間的滾珠軸承，以及低壓渦輪后的滾棒軸承。其中，滾棒軸承僅承受徑向力；滾珠軸承既承受徑向力，還承受軸向力。發(fā)動機(jī)工作時，作用在低壓轉(zhuǎn)子上的軸向力就是通過滾珠軸承傳到發(fā)動機(jī)機(jī)匣上的。

在渦輪風(fēng)扁發(fā)動機(jī)中，一旦低壓轉(zhuǎn)子的傳動軸折斷，低壓渦輪轉(zhuǎn)子會在流過渦輪葉片氣流的氣動力作用下產(chǎn)生一個向后的力。在GEnx事故中，斷口位置處于滾珠軸承之后（圈中B處），這會使渦輪轉(zhuǎn)子向后竄移的軸向力沒有被滾珠軸承承受，因此渦輪轉(zhuǎn)子向后竄移，使工作葉片撞擊到靜子葉片上，造成葉片斷裂等損傷。而在GP7200事故中，傳動軸折斷處位于滾珠軸承之前（圖中A處），因此當(dāng)傳動軸折斷后，使渦輪轉(zhuǎn)子向后竄移的軸向力被滾珠軸承承受了，渦輪轉(zhuǎn)子當(dāng)然就不會向后竄移了，也就不會發(fā)生轉(zhuǎn)子葉片撞擊到靜子葉片的事情了。

安全設(shè)計(jì)保安全

渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)中的一些重要零組件，有極高的可靠性要求，但是一旦因某些因素引發(fā)故障，還是有可能造成嚴(yán)重或?yàn)?zāi)難性后果。因此在設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)采取一些防止出現(xiàn)災(zāi)難性事故的措施。比如，一旦渦輪驅(qū)動風(fēng)扇或壓氣機(jī)的傳動軸折斷，就必須防止渦輪飛轉(zhuǎn)，此時就需要極其重要的安全設(shè)計(jì)。

在渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)中，一旦渦輪驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的傳動軸折斷，低壓渦輪瞬間就將失去負(fù)荷。在高溫燃?xì)獾尿?qū)動下，低壓渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會急速上升，達(dá)到超轉(zhuǎn)乃至飛轉(zhuǎn)，渦輪葉片在極大的離心力作用下，會甩離輪盤，而輪盤則會爆裂成幾個碎塊。葉片與輪盤的碎塊進(jìn)而極有可能擊穿發(fā)動機(jī)機(jī)匣，甩離發(fā)動機(jī)，打壞飛機(jī)機(jī)體、液壓系統(tǒng)等，造成發(fā)動機(jī)非包容故障，嚴(yán)重時會造成機(jī)毀人亡的事故。

現(xiàn)代渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，除個別（如D-30發(fā)動機(jī)）外，均對低壓渦輪部件進(jìn)行了安全設(shè)計(jì)。一旦低壓渦輪因傳動軸折斷，或其他原因造成風(fēng)扇與低壓渦輪聯(lián)接斷開時，發(fā)動機(jī)立即斷開向燃燒室的供油，這時就沒有燃燒后的高溫燃?xì)饬魅氲蛪簻u輪，低壓渦輪也就轉(zhuǎn)不起來了，更不會超轉(zhuǎn)了。

早期的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)采用機(jī)械式斷油裝置，現(xiàn)代渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)采用全功能電子調(diào)節(jié)裝置（FADEC）后，在電路系統(tǒng)中設(shè)置限轉(zhuǎn)即可。前述的GEnx與GP7200發(fā)動機(jī)斷軸事件中，就是由于在低壓渦輪中設(shè)置了防止斷軸后渦輪飛轉(zhuǎn)的安全設(shè)計(jì)，從而沒有對飛機(jī)造成致命損傷。而俄制D-30發(fā)動機(jī)中沒有采取這項(xiàng)安全設(shè)計(jì)，存在著天然的安全短板，造成了1987年5月7日波蘭航空公司伊爾-62飛機(jī)的致命事故。

也有人會問，羅羅公司的遄達(dá)900、遄達(dá)1000發(fā)動機(jī)中，因渦輪傳動軸折斷，也險些造成機(jī)毀人亡的重大事故，這又是為什么呢？這是因?yàn)?，高壓渦輪與中壓渦輪均未采用安全設(shè)計(jì)。原因細(xì)細(xì)道來。

低壓傳動軸是套裝在高、中壓傳動軸內(nèi)的，直徑最細(xì)，在工作中承受的剪切應(yīng)力特別大，相對于中壓與高壓傳動軸容易折斷。另外，低壓渦輪要驅(qū)動直徑特別大的風(fēng)扇，因此其轉(zhuǎn)速最低（遄達(dá)1000的為每分鐘2600轉(zhuǎn)）。相比之下，高壓傳動軸的直徑最大，且轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘13400轉(zhuǎn)。在傳遞相同功率情況下，轉(zhuǎn)速越高，作用在傳動軸上的扭矩就越小。反之，也就意味著傳遞相同扭矩，如傳動軸的直徑越小，作用在傳動軸上的剪切應(yīng)力則越大。

因此，羅羅公司在研制三轉(zhuǎn)子大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)過程中，沒有在中壓渦輪中設(shè)置防止軸斷后渦輪飛轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)?？善_羅公司遄達(dá)900、遄達(dá)1000的相關(guān)事故，恰巧就是因?yàn)橹袎簻u輪的傳動軸折斷而引發(fā)的。事故發(fā)生后，羅羅公司針對發(fā)動機(jī)事故部位也增加設(shè)置了相關(guān)安全設(shè)計(jì)。這正是吃一塹長一智的結(jié)果。

責(zé)任編輯：吳佩新