当时,一架装有与图 154所用发动机基本相同发动机的伊尔 62客机在华沙起飞时,突然发生了低压涡轮轴折断故障使低压涡轮转子进入飞转状态,低压涡轮转子四分五裂,其飞出的碎片打坏飞机结构,结果造成了波兰航空史上最大的空难———机上183人员全部死亡的灾难性事故。
另外,普惠公司的JT8D小涵道比涡扇发动机,由于4号与5号轴承滑油腔着火造成低压涡轮轴或联轴器折断的重大故障,在1969年~1990年间共出现过28起(参见“JT8D发动机4、5号轴承滑油腔着火造成涡轮轴或联轴器折断故障”)。
对于这种一般不易出现,但可能偶然会出现,而出现后又会带来严重后果的故障,除了要采取一些必要措施防止它出现外,还应采取必要的安全设计,避免出现这类故障后造成灾难性的事故。在上面所举的例子中,就应在设计中采取防止低压涡轮转子在断轴后进入飞转的措施,这就是安全设计。
我国曾在20世纪70年代将涡桨6发动机改型成火车的动力涡动6发动机,在一次牵引多节货车的试验运行中,由于供给减速箱的滑油供油中断,造成齿轮咬死,将动力涡轮轴扭断。由于在动力涡轮中未采用防飞转的安全设计,燃油继续供向燃烧室,使动力涡轮飞转,导致涡轮盘破裂,叶片及轮盘碎片打穿机匣及机罩,并击穿置于机罩上方的滑油箱,滑油下流,引发机组起火燃烧,整个燃机毁于一旦,此惨痛教训说明采用安全设计的必要性。
图3、 PW2037低压涡轮结构图
现在绝大多数涡扇发动机中,均采用了防止低压涡轮转子在断轴后进入飞转的安全设计。常用的有两种方法。其一是断轴后,立即将进入发动机燃烧室的燃油全部放掉,形成不了高温燃气,因此低压涡轮转子不会飞转,这是从根本上来解决的措施。
其二是机械刹车防止转子飞转,它是将转子工作叶片与静子叶片的相对位置设计成:当断轴后转子在燃气轴向力作用下向后轴向移动,两种叶片相互卡咬,起到刹车作用,例如PW2037发动机即采用这种措施,如图3所示。
对于紧急放油措施,在现有发动机中有两种方法:在JT15D发动机中如图4所示,是在低压涡轮后轴的后端设有一顶块,在后轴承机匣内相应位置处设有一摇臂,摇臂一端用钢索与设在燃油总管的紧急放油活门相连,另一端与转子上的顶块保持一定间隙。正常情况下,顶块与摇臂绝对不会相碰,但一旦低压涡轮轴突然折断时,转子在燃气作用下快速向后移动,顶块顶到摇臂上,钢索将放油活门急速拉下,高压燃油被快速放掉。
图4、 JT15D防低压转子飞转装置
在斯贝与RB211等发动机上,同样采用了类似于JT15D的顶块与摇臂结构,但是顶块的移动是利用了一般车床上刀架行车结构。具体结构如图5所示,在低压涡轮轴内装有滑油管,滑油管前端与风扇轴的前端固紧。后端装有一多头外螺纹的衬套,涡轮后轴内活动地装有带顶块的衬套。
衬套外径上开有一条纵向槽,轴上装有1个插到衬套纵向槽中的止动销,也即衬套可在涡轮后轴内轴向移动而不能转动。带顶块的衬套内径上作有多头内螺纹,与装在滑油管上的衬套外螺纹相啮合。当低压涡轮轴折断时,断口前方的转子转速会下降以至最终停转,与此同时,和风扇轴固紧的中心滑油管转速会逐渐下降。而断口后方的转子转速会上升,也即顶块的转速会上升。
这时,顶块与中心滑油管间的螺纹连接处,内外螺纹件间有相对转动,但内螺纹所在的顶块衬套被止动销卡在低压涡轮后轴上,因此顶块快速向后移动,顶到摇臂上,将钢索下拉,放油活门被打开,使高压燃油快速放掉。
在采用全功能数字式电调(FADEC)装置的发动机上,通过电调装置来限定低压转子转速,当发生断轴、低压转子转速要超转时,调节装置将自动切断供入燃烧室的燃油,使转子滞止下来。
另一个安全设计的例子是 RB211系列发动机风扇轴内的保持轴。在现有高涵道比、大推力涡扇发动机中,除 RB211系列(包括它的衍生发展型———遄达发动机在内)发动机外,大多数发动机中,悬臂支承的风扇转子,紧靠风扇盘后均采用一个大的滚珠轴承支承转子,这种设计能够使得当低压涡轮轴或风扇轴突然折断时(发生的概率极小),带风扇叶片的风扇轮盘会被滚珠轴承保持在发动机中而不会甩出发动机。
图5、斯贝防低压转子飞转装置
但是,在 RB211系列发动机中,紧靠风扇轮盘后面采用了一个大的滚棒轴承,而滚珠轴承则装在风扇轴的后端,在这种布局的设计中,当风扇轴折断时,带风扇叶片的风扇轮盘,会在流过风扇叶片的气流作用下产生向前的轴向力,拉离发动机而甩出。
为此,罗·罗公司采用了一种安全设计,在风扇轴内装了一根保持轴,当风扇轴折断时,通过保持轴将风扇转子向前的轴向力由后面的滚珠轴承承受,使风扇轮盘不致甩出发动机。
RB211发动机在使用中,于1987年曾接连发生过三次由于支承风扇转子的轴承的润滑不良等原因引起风扇轴折断的事件。在这三次事件中,保持轴均未能将风扇轮盘保持在发动机中,因此,后来又将保持轴进行了改进(参见“RB211 22B再次出现风扇盘甩出的故障”)。
滑油系统中设置的最低滑油压力警告灯也是安全设计之一。
国内外在研制与使用发动机中,由于没有采用必要的安全设计措施而带来重大的或灾难性事故的事实说明,在发动机研制中,采取必要的安全设计是提高发动机可靠性的措施之一。
