滑油自燃引發(fā)的故障

■ 陳光/北京航空航天大學(xué)

發(fā)動機(jī)滑油的自燃現(xiàn)象時有發(fā)生，成為飛行安全的重大隱患。因此，對滑油腔的封嚴(yán)裝置以及滑油腔的連接導(dǎo)管等在設(shè)計、制造、使用、維修中都要格外注意，絕不可掉以輕心。

發(fā)動機(jī)的滑油在超過250℃且條件適合時會自行燃燒，這種現(xiàn)象稱為滑油自燃?；妥匀己鬁囟润E升，對相鄰的零組件會造成損傷，例如，零組件材料會在燃燒的高溫下失去應(yīng)有的強(qiáng)度而損壞，有的零組件會被燒熔。

JT8D發(fā)動機(jī)4號、5號軸承間滑油腔的滑油自燃引發(fā)的故障

JT8D發(fā)動機(jī)是20世紀(jì)60—80年代西方國家生產(chǎn)最多的小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，截至1991年有近13000臺用于軍用或民用飛機(jī)上，累計飛行達(dá)2370萬小時/1480萬循環(huán)。在1969—1990年， JT8D發(fā)動機(jī)共發(fā)生過28起滑油自燃，造成高壓渦輪軸或連軸器損壞甚至斷軸故障，僅1984—1988年就發(fā)生過10起，其中5起是非包容的斷軸故障。由于發(fā)動機(jī)數(shù)量多，積累的工作小時多，因而由它引起的故障率（每千小時故障次數(shù)）較低，但后果卻非常嚴(yán)重。

JT8D發(fā)動機(jī)由1級風(fēng)扇、6級低壓壓氣機(jī)、7級高壓壓氣機(jī)、環(huán)管形燃燒室、1級高壓渦輪與3級低壓渦輪組成。4號軸承（并列2個滾珠軸承）在高壓壓氣機(jī)后，5號軸承在高壓渦輪前，燃燒室機(jī)匣內(nèi)裝有隔熱套筒，隔熱套筒與高壓渦輪軸間形成滑油腔，如圖1所示。5號軸承后裝有端面石墨密封組件，如圖2所示。

據(jù)分析，在1984—1988年發(fā)生的滑油自燃的原因是：隔熱套筒后端的波紋套管的拐彎處疲勞斷裂，形成缺口，高溫空氣由此竄入（3起）；端面石墨密封處滑油結(jié)焦，使石墨封嚴(yán)端面與封嚴(yán)環(huán)不能密合，出現(xiàn)大的縫隙，高溫空氣由此竄入（1起）；石墨封嚴(yán)端面與封嚴(yán)環(huán)間不能密合，出現(xiàn)大的縫隙，滑油由此縫隙流到高壓渦輪輪盤前端，與高溫空氣混合引發(fā)滑油自燃，燃燒的火焰將端面石墨封嚴(yán)件的隔熱罩燒穿形成缺口，高溫空氣由此缺口流入滑油腔（6起）。

圖1 JT8D 4號、5號軸承間的滑油腔

圖2 JT8D 5號軸承與封嚴(yán)件

針對上述問題，普惠公司采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施，取得了較好的效果。為了更好地發(fā)現(xiàn)滑油自燃隱患，普惠公司在4號、5號軸承間滑油腔的回油導(dǎo)管上采用了示溫漆顯示溫度的方法來監(jiān)測回油的溫度。即在回油管上涂有黃色與紅色方塊各一處，方塊中心留有一淡灰色的小圓作標(biāo)識。當(dāng)滑油溫度超過190℃時，黃色方塊中的圓變?yōu)楹谏?。正常情況下，每工作65h或65循環(huán)須檢查一次溫度指示器，如果黃方塊中心已變色，還可繼續(xù)工作，但不能超過25h或25循環(huán)，否則要采取排故措施；如果紅色方塊中心變黑，則須立即轉(zhuǎn)場到基地進(jìn)行排故。據(jù)稱，安裝這套溫度指示系統(tǒng)后，曾發(fā)現(xiàn)過5臺發(fā)動機(jī)指示器變黑，在立即采取排故措施后，避免了故障的發(fā)生。

圖3 D-30KU-154發(fā)動機(jī)

圖4 隔熱套筒在高壓壓氣機(jī)軸內(nèi)的配置

D-30KU-154發(fā)動機(jī)隔熱套筒的滑油自燃引發(fā)低壓渦輪轉(zhuǎn)子非包容破裂故障

D-30KU-154為小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，是圖-154的動力裝置。1988年5月30日晚，一架中國民航的圖-154M客機(jī)在廣州起飛后約10min，裝于機(jī)尾的發(fā)動機(jī)發(fā)生了嚴(yán)重的斷軸故障，4級低壓渦輪全部被甩出機(jī)體，在約300°的扇形區(qū)域中將飛機(jī)尾部蒙皮（除頂端外）擊穿，蒙皮呈碎片狀向四周伸出。

發(fā)生故障的D-30KU-154發(fā)動機(jī)于1985年9月28日出廠，已使用4582h/2437循環(huán)。如圖3所示，該發(fā)動機(jī)由3級風(fēng)扇、11級高壓壓氣機(jī)、2級高壓渦輪與4級低壓渦輪組成。在高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)裝有一個鈦合金制成的隔熱套筒，隔熱套筒與低壓傳動軸之間為滑油腔。

如圖4所示，隔熱套筒前、后均裝有封嚴(yán)膠圈與高壓壓氣機(jī)軸內(nèi)孔相接觸，使隔熱套筒與高壓壓氣機(jī)軸之間形成環(huán)形的死腔A（在發(fā)動機(jī)內(nèi)不允許有死腔，這是設(shè)計錯誤，后來蘇方進(jìn)行了修改）。發(fā)動機(jī)長期工作后，封嚴(yán)膠圈老化失效，滑油由失效的封嚴(yán)膠圈處漏入A腔，滑油在高溫作用下自燃，燃燒時使A腔內(nèi)壓力增大，隔熱套筒在外壓作用下失穩(wěn)向內(nèi)變形形成一個凹陷處，凹陷處呈菱形，如圖5所示。凹陷處的最尖處與低壓傳動軸相接觸，在相對轉(zhuǎn)速5700r/min作用下，將低壓傳動軸磨出深槽，低壓傳動軸折斷，造成4級低壓渦輪轉(zhuǎn)子失去負(fù)荷而超轉(zhuǎn)直至飛轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子在極大的離心力作用下爆裂，碎塊甩出發(fā)動機(jī)，幸運的是受損的發(fā)動機(jī)處于飛機(jī)后機(jī)體上端，甩出發(fā)動機(jī)的斷塊未打到飛機(jī)機(jī)體。

遄達(dá)900發(fā)動機(jī)滑油自燃引發(fā)中壓渦輪轉(zhuǎn)子非包容故障

裝有4臺遄達(dá)900大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的A380飛機(jī)于2007年10月投入航線運營，在2010年11月4日由新加坡起飛執(zhí)行QF32航班任務(wù)時，起飛15min后 2號發(fā)動機(jī)（位于左機(jī)翼內(nèi)側(cè)）中壓渦輪盤突然爆裂，碎塊以很大的離心力擊穿渦輪機(jī)匣與發(fā)動機(jī)短艙，打壞飛機(jī)多處結(jié)構(gòu)，包括操縱與液壓系統(tǒng)，如圖6所示。在駕駛員沉著冷靜的操作下，終于將損壞嚴(yán)重、難以控制的飛機(jī)安全降落，機(jī)上包括機(jī)組人員共466人，無1人傷亡。

圖5 鈦合金的隔熱套筒損壞情況

遄達(dá)900發(fā)動機(jī)由1級風(fēng)扇，8級中壓壓氣機(jī)、6級高壓壓氣機(jī)、各1級高中壓渦輪與5級低壓渦輪組成。圖7所示為高中壓渦輪間承力框架以及中壓渦輪與中壓傳動軸連接結(jié)構(gòu)。

輸送滑油到軸承腔的導(dǎo)管最下端的滑油短管沿圓周壁厚不一致，最厚處為1.42mm，最薄處僅為0.35mm，比設(shè)計值小0.56mm。發(fā)動機(jī)工作677循環(huán)后，滑油短管最薄處出現(xiàn)疲勞裂縫，滑油由此裂縫中呈霧狀噴出（見圖8），與高溫空氣混合，滑油自燃。由于滑油是連續(xù)不斷地向外噴出，因此火焰不斷地向前、向后延伸（見圖9），最終造成中壓渦輪輪盤后承力環(huán)在與中壓傳動軸連接處斷開，中壓渦輪盤失去負(fù)荷而飛轉(zhuǎn)，在極大的離心力作用下爆裂，碎塊被甩出發(fā)動機(jī)，造成震驚世界的QF32客機(jī)嚴(yán)重受損的重大事件。

圖6 A380飛機(jī)受損部位

圖7 遄達(dá)900高、中壓渦輪間承力框架

圖8 滑油油霧從斷裂處外噴

圖9 漏出的滑油自燃火焰向前、后漫延

PW1000G高、低壓渦輪間承力框架中滑油自燃將1級低壓渦輪盤燒熔

PW1000G是普惠公司于2007年開始研發(fā)的大涵道比齒輪傳動渦扇發(fā)動機(jī)，它由1級風(fēng)扇、1套減速器、3級低壓壓氣機(jī)、8級高壓壓氣機(jī)、2級高壓渦輪與3級低壓渦輪組成，如圖10所示。PW1000G已被A320neo、MRJ（SpaceJet）、C系列（A220）、E190-E2及MC-21等5款客機(jī)選用。

2014年5月29日，PW1500G安裝在CS100上進(jìn)行地面檢驗性試車時，左發(fā)1級低壓渦輪盤爆裂甩出發(fā)動機(jī)，造成了一起嚴(yán)重的非包容事故。

在高、低壓渦輪間承力框架中，流入軸承腔中的滑油是通過裝在空心低壓渦輪導(dǎo)向葉片中的滑油導(dǎo)管輸入的，滑油導(dǎo)管最下端穿過扭力盒插到軸承支座的油孔中，如圖11所示。在供油管與油孔接觸處，在導(dǎo)管端頭裝有特氟龍C封嚴(yán)圈。1級低壓渦輪輪盤前端的冷卻空氣引自第4級高壓壓氣機(jī)出口處，是通過裝在空心的1級低壓渦輪導(dǎo)向葉片中的承力桿流入扭力盒，再由扭力盒后端的冷卻孔噴向低壓渦輪輪盤前端面，對低壓渦輪輪盤進(jìn)行冷卻，如圖12所示。

由于試車臺的技術(shù)人員操作失誤，使特氟龍C封嚴(yán)圈的溫度達(dá)到190℃，超過它允許的工作溫度（大于162℃時變形，大于180℃時永久變形），封嚴(yán)圈失效，滑油向外泄漏。不斷外泄的滑油流到扭力盒中，與不斷流入扭力盒中用于冷卻低壓渦輪輪盤的、來自第4級高壓壓氣機(jī)的高溫空氣混合，滑油自燃，形成不斷的燃燒，高溫燃燒的氣體由冷卻空氣孔噴向渦輪輪盤輪輻。連續(xù)不斷地由冷卻孔噴出的灼熱的燃燒氣體，像噴火槍一樣噴出的火焰射向高速旋轉(zhuǎn)的輪盤，將輪盤幅板燒出一個環(huán)形缺口，帶葉片的輪緣部分在離心力作用下裂成幾塊，斷塊擊穿機(jī)匣甩出發(fā)動機(jī)，形成了嚴(yán)重的非包容性的輪盤破裂事故；中心部分形成面包圈似的環(huán)形件殘留在發(fā)動機(jī)內(nèi)。

圖10 PW1000G轉(zhuǎn)子支承

圖11 滑油導(dǎo)管插在扭力盒上的結(jié)構(gòu)

圖12 冷卻輪盤的空氣由承力桿中流入扭力盒

結(jié)束語

在發(fā)動機(jī)中，滑油腔均是圍繞著傳動軸的，一旦滑油自燃，必然傷及傳動軸，如上述的幾個事例，會造成嚴(yán)重后果。因此對滑油腔的封嚴(yán)裝置和連接的導(dǎo)管在設(shè)計、制造、使用、維修時絕不能掉以輕心。