发动机空中断轴之后

陈光

现代商用喷气式客机一般都采用双转子大涵道比涡轮风扇发动机。该类型航空发动机工作时，低压涡轮通过低压传动轴驱动风扇，高压涡轮通过套在低压传动轴外的高压传动轴驱动高压压气机。

一般而言，驱动风扇或高压压气机的传动轴，很少发生断轴故障。但是，不怕一万，就怕万一。如果不采取特别措施的话，一旦出现断轴故障，会造成极为严重的后果。

疹人的断轴事故

1988年5月30日，中国民航一架苏制图-154客机从广州起飞后爬升，飞机垂尾位置的那台D-30发动机传动风扇的传动轴突然折断。飞转的四级低压涡轮转子爆裂，碎块在极大的离心力作用下击穿机匣甩离发动机，产生严重的发动机非包容故障。幸好，故障发动机是机尾上端那台，分列于机身尾部两侧的2台发动机未受影响，而甩出的碎块也未对机身及操纵系统造成损伤，因而保全了飞机，实属万幸，否则后果不堪设想。

一年以前，1987年5月7日，装有同型D-30发动机的波兰航空公司的一架伊尔-62飞机从华沙机场起飞时，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2台。不幸的是，这架伊尔-62的故障发动机是紧贴机身的那台。甩出的碎片不仅击穿机身，而且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，全部遇难。该事件，是当时波兰航空史上最为惨重的飞行事故。

进入21世纪后，出现了两款非常有名的旅客机。其一是欧洲空中客车公司发展的号称世界上最大、航程最远、最豪華舒适的A380巨型客机。其二是美国波音公司发展的波音787“梦想”客机。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采用英国罗罗公司的遄达900发动机，也可选装“发动机联盟公司”（美国普惠公司与通用电气公司合资）的GP7200发动机；波音787采用罗罗公司的遄达1000发动机，也可选用美国通用电气公司的GEnx发动机。

说来也巧，这4型新发动机在投入运营前后不到10年的时间内，均发生了涡轮驱动风扇（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，该公司独立或合资制造的约25000台发动机，其工作总时数已达约6亿飞行小时，但只出现过6次断轴事件。而最新型A380和波音787所用的4型发动机，在不到10年的时间中，竟然出现了5次断轴故障（GEnx有2次，其他3型发动机各1次）。这么密集地出现断轴事件，在航空史上是罕见的。

大涵道比涡轮风扇发动机简图

1988年5月30日，中国民航一架图-154客机被碎裂的四级低压涡轮转子碎块击穿发动机。笔者当时也参与了事故调查。

三转子涡扇发动机示意图。

2017年9月30日，法航A380客机GP7200发动机受损情况。

在上述4型发动机中，两型是由英国罗罗公司研发的，均是三转子发动机，这种结构是罗罗公司的传统设计。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。

2010年，A380投入航线运营后的第三年。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，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！

2号发动机（位于左机翼内侧）出事了！驱动中压压气机的中压涡轮传动轴突然折断，造成中压涡轮盘破裂成几块，碎块以很大的离心力打穿涡轮机匣与发动机短舱。其中一块碎块穿透左翼前缘，对机翼的前缘结构、前翼梁和上表面造成了损伤。还有一小块碎块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，进而影响到了液压、起落架和飞行控制等系统。此外碎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、1号发动机、机身左侧龙骨梁的连接部件以及左翼纵墙也都受到了损伤。事故造成多处飞机结构以及多个系统受损。

机组人员精心操作，终于在起飞后109分钟，将受损严重的飞机在距机场跑道尽头150米处安全停住（跑道长4000米），创造了航空史上的一个奇迹。所有乘客撤离飞机时，1号发动机还在继续运转，但由于大量导线被打断，各种操纵指令无法执行，因此机组人员采用各种能想到的方法也无法将该发动机关车。后来，消防人员向该发动机进口喷洒泡沫灭火剂，才将发动机停下来，此时已是飞机着陆后2小时。

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。修理时间之长，耗资之大，可以看出该飞机遭受了严重损坏。这是民航史上少有的飞机严重受损但无人员伤亡的事件。

说来巧，这次事故3个月前的8月2日，用于波音787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故障。这是波音787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。罗罗公司称，在此次中压涡轮非包容故障中，涡轮盘碎裂产生的碎块除了打穿涡轮机匣，还打坏了试车台的一些设备。

2012年7月28日，即将交付给印度航空公司的一架波音787飞机在做地面滑行试验时，其GEnx发动机发生了一起严重的故障：低压涡轮驱动风扇的传动轴折断。但好在涡轮转子没有超转，因而涡轮盘并未爆裂，只在涡轮轴气动力作用下向后发生窜移，使得工作叶片与导向葉片相碰撞，造成一些叶片的破裂，所产生的碎片随喷气流由尾喷口轴向甩出了发动机，仅对飞机的机翼与机身下部造成了一些微小的碰伤与灼伤。不过，灼热的碎片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。这次故障，碎片没有击穿发动机机匣，因此属于包容故障。故障发动机工作仅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。

在上述事件发生6周后，2012年9月17日，一架俄罗斯空桥货运公司的波音747-8货运机自上海起飞后，其中一台GEnx出现了低压涡轮轴断裂的包容故障，造成事故发动机空中停车。飞机靠其他3台发动机安全返回机场。

通用电气公司随后对所有库存及服役GEnx发动机的低压涡轮轴进行了检测。结果，公司还真的发现一台发动机的低压涡轮传动轴上有裂纹，这台发动机已装到一架波音787-8飞机上，还好没有进行飞行，由此避免了一次可能的重大故障。

2017年9月30日，法国航空公司的一架装有4台GP7200发动机的A380客机，执行由法国巴黎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风扇转子连同飞机的进气短舱等部件居然从发动机上坠落。飞机随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。

在对飞机与受损发动机进行检查后，调查者们发现，位于传动轴前端的风扇后锥轴突然断裂，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。由于风扇转子已和低压涡轮断开，其转速立即降低，随即停转，在重力的作用下直接坠下，将飞机的进气短舱扯坏。结果是风扇转子与进气短舱一起脱离机翼，对飞机结构没有造成损伤，实属“不幸中的万幸”。

这次事故中，受损发动机已工作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。这么大的风扇部件在飞行中居然丢失了，不仅让乘客们心惊胆战，就连我们当天看到新闻报道时也感到毛骨悚然。

同样是发动机传动轴折断造成的严重故障，其后果却截然不同。为什么？传动轴折断后，发动机是否采用了防止涡轮飞转的安全设计，成了阻挡恶性事故的最后一道防火墙。

低压涡轮都没飞为啥结果不一样

GP7200大涵道比涡轮风扇发动机示意图

细心的读者可能还会问。GEnx与GP7200发生的故障中，虽然低压涡轮都没有飞转，但其后累为什么不同？即，从Genx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故障中除风扁部件甩出发动机外，其他部分则基本完好。

为了回答这个问题，须了解低压涡轮-风扁整个转子即低压转子是如何支承在发动机中的。低压转子支承在3个轴承上，即风扁后的滚棒轴承，风扇与低压涡轮间间的滚珠轴承，以及低压涡轮后的滚棒轴承。其中，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。发动机工作时，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。

在涡轮风扁发动机中，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产生一个向后的力。在GEnx事故中，断口位置处于滚珠轴承之后（圈中B处），这会使涡轮转子向后窜移的轴向力没有被滚珠轴承承受，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事故中，传动轴折断处位于滚珠轴承之前（图中A处），因此当传动轴折断后，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。

安全设计保安全

涡轮风扇发动机中的一些重要零组件，有极高的可靠性要求，但是一旦因某些因素引发故障，还是有可能造成严重或灾难性后果。因此在设计之初，就应采取一些防止出现灾难性事故的措施。比如，一旦涡轮驱动风扇或压气机的传动轴折断，就必须防止涡轮飞转，此时就需要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，低压涡轮瞬间就将失去负荷。在高温燃气的驱动下，低压涡轮转子转速会急速上升，达到超转乃至飞转，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碎块。叶片与轮盘的碎块进而极有可能击穿发动机机匣，甩离发动机，打坏飞机机体、液压系统等，造成发动机非包容故障，严重时会造成机毁人亡的事故。

现代涡轮风扇发动机，除个别（如D-30发动机）外，均对低压涡轮部件进行了安全设计。一旦低压涡轮因传动轴折断，或其他原因造成风扇与低压涡轮联接断开时，发动机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，低压涡轮也就转不起来了，更不会超转了。

早期的涡轮风扇发动机采用机械式断油装置，现代涡轮风扇发动机采用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，从而没有对飞机造成致命损伤。而俄制D-30发动机中没有采取这项安全设计，存在着天然的安全短板，造成了1987年5月7日波兰航空公司伊尔-62飞机的致命事故。

也有人会问，罗罗公司的遄达900、遄达1000发动机中，因涡轮传动轴折断，也险些造成机毁人亡的重大事故，这又是为什么呢？这是因为，高压涡轮与中压涡轮均未采用安全设计。原因细细道来。

低压传动轴是套装在高、中压传动轴内的，直径最细，在工作中承受的剪切应力特别大，相对于中压与高压传动轴容易折断。另外，低压涡轮要驱动直径特别大的风扇，因此其转速最低（遄达1000的为每分钟2600转）。相比之下，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，转速越高，作用在传动轴上的扭矩就越小。反之，也就意味着传递相同扭矩，如传动轴的直径越小，作用在传动轴上的剪切应力则越大。

因此，罗罗公司在研制三转子大涵道比涡轮风扇发动机过程中，没有在中压涡轮中设置防止轴断后涡轮飞转的设计。可偏偏罗罗公司遄达900、遄达1000的相关事故，恰巧就是因为中压涡轮的传动轴折断而引发的。事故发生后，罗罗公司针对发动机事故部位也增加设置了相关安全设计。这正是吃一堑长一智的结果。

责任编辑：吴佩新