當時,一架裝有與圖 154所用發動機基本相同發動機的伊爾 62客機在華沙起飛時,突然發生了低壓渦輪軸折斷故障使低壓渦輪轉子進入飛轉狀態,低壓渦輪轉子四分五裂,其飛出的碎片打壞飛機結構,結果造成了波蘭航空史上最大的空難———機上183人員全部死亡的災難性事故。
另外,普惠公司的JT8D小涵道比渦扇發動機,由于4號與5號軸承滑油腔著火造成低壓渦輪軸或聯軸器折斷的重大故障,在1969年~1990年間共出現過28起(參見“JT8D發動機4、5號軸承滑油腔著火造成渦輪軸或聯軸器折斷故障”)。
對于這種一般不易出現,但可能偶然會出現,而出現后又會帶來嚴重后果的故障,除了要采取一些必要措施防止它出現外,還應采取必要的安全設計,避免出現這類故障后造成災難性的事故。在上面所舉的例子中,就應在設計中采取防止低壓渦輪轉子在斷軸后進入飛轉的措施,這就是安全設計。
我國曾在20世紀70年代將渦槳6發動機改型成火車的動力渦動6發動機,在一次牽引多節貨車的試驗運行中,由于供給減速箱的滑油供油中斷,造成齒輪咬死,將動力渦輪軸扭斷。由于在動力渦輪中未采用防飛轉的安全設計,燃油繼續供向燃燒室,使動力渦輪飛轉,導致渦輪盤破裂,葉片及輪盤碎片打穿機匣及機罩,并擊穿置于機罩上方的滑油箱,滑油下流,引發機組起火燃燒,整個燃機毀于一旦,此慘痛教訓說明采用安全設計的必要性。
圖3、 PW2037低壓渦輪結構圖
現在絕大多數渦扇發動機中,均采用了防止低壓渦輪轉子在斷軸后進入飛轉的安全設計。常用的有兩種方法。其一是斷軸后,立即將進入發動機燃燒室的燃油全部放掉,形成不了高溫燃氣,因此低壓渦輪轉子不會飛轉,這是從根本上來解決的措施。
其二是機械剎車防止轉子飛轉,它是將轉子工作葉片與靜子葉片的相對位置設計成:當斷軸后轉子在燃氣軸向力作用下向后軸向移動,兩種葉片相互卡咬,起到剎車作用,例如PW2037發動機即采用這種措施,如圖3所示。
對于緊急放油措施,在現有發動機中有兩種方法:在JT15D發動機中如圖4所示,是在低壓渦輪后軸的后端設有一頂塊,在后軸承機匣內相應位置處設有一搖臂,搖臂一端用鋼索與設在燃油總管的緊急放油活門相連,另一端與轉子上的頂塊保持一定間隙。正常情況下,頂塊與搖臂絕對不會相碰,但一旦低壓渦輪軸突然折斷時,轉子在燃氣作用下快速向后移動,頂塊頂到搖臂上,鋼索將放油活門急速拉下,高壓燃油被快速放掉。
圖4、 JT15D防低壓轉子飛轉裝置
在斯貝與RB211等發動機上,同樣采用了類似于JT15D的頂塊與搖臂結構,但是頂塊的移動是利用了一般車床上刀架行車結構。具體結構如圖5所示,在低壓渦輪軸內裝有滑油管,滑油管前端與風扇軸的前端固緊。后端裝有一多頭外螺紋的襯套,渦輪后軸內活動地裝有帶頂塊的襯套。
襯套外徑上開有一條縱向槽,軸上裝有1個插到襯套縱向槽中的止動銷,也即襯套可在渦輪后軸內軸向移動而不能轉動。帶頂塊的襯套內徑上作有多頭內螺紋,與裝在滑油管上的襯套外螺紋相嚙合。當低壓渦輪軸折斷時,斷口前方的轉子轉速會下降以至最終停轉,與此同時,和風扇軸固緊的中心滑油管轉速會逐漸下降。而斷口后方的轉子轉速會上升,也即頂塊的轉速會上升。
這時,頂塊與中心滑油管間的螺紋連接處,內外螺紋件間有相對轉動,但內螺紋所在的頂塊襯套被止動銷卡在低壓渦輪后軸上,因此頂塊快速向后移動,頂到搖臂上,將鋼索下拉,放油活門被打開,使高壓燃油快速放掉。
在采用全功能數字式電調(FADEC)裝置的發動機上,通過電調裝置來限定低壓轉子轉速,當發生斷軸、低壓轉子轉速要超轉時,調節裝置將自動切斷供入燃燒室的燃油,使轉子滯止下來。
另一個安全設計的例子是 RB211系列發動機風扇軸內的保持軸。在現有高涵道比、大推力渦扇發動機中,除 RB211系列(包括它的衍生發展型———遄達發動機在內)發動機外,大多數發動機中,懸臂支承的風扇轉子,緊靠風扇盤后均采用一個大的滾珠軸承支承轉子,這種設計能夠使得當低壓渦輪軸或風扇軸突然折斷時(發生的概率極小),帶風扇葉片的風扇輪盤會被滾珠軸承保持在發動機中而不會甩出發動機。
圖5、斯貝防低壓轉子飛轉裝置
但是,在 RB211系列發動機中,緊靠風扇輪盤后面采用了一個大的滾棒軸承,而滾珠軸承則裝在風扇軸的后端,在這種布局的設計中,當風扇軸折斷時,帶風扇葉片的風扇輪盤,會在流過風扇葉片的氣流作用下產生向前的軸向力,拉離發動機而甩出。
為此,羅·羅公司采用了一種安全設計,在風扇軸內裝了一根保持軸,當風扇軸折斷時,通過保持軸將風扇轉子向前的軸向力由后面的滾珠軸承承受,使風扇輪盤不致甩出發動機。
RB211發動機在使用中,于1987年曾接連發生過三次由于支承風扇轉子的軸承的潤滑不良等原因引起風扇軸折斷的事件。在這三次事件中,保持軸均未能將風扇輪盤保持在發動機中,因此,后來又將保持軸進行了改進(參見“RB211 22B再次出現風扇盤甩出的故障”)。
滑油系統中設置的最低滑油壓力警告燈也是安全設計之一。
國內外在研制與使用發動機中,由于沒有采用必要的安全設計措施而帶來重大的或災難性事故的事實說明,在發動機研制中,采取必要的安全設計是提高發動機可靠性的措施之一。
