陳光/文
慘禍引出的結論
1980年9月8日,美國的一架F/A18 戰鬥/攻擊機從航空母艦起飛時,所裝用的F404 渦輪風扇發動機正在高速旋轉的渦輪盤突然破裂。碎片在巨大的離心力的作用下,打穿機匣、擊中飛機關鍵部位,造成了機毀人亡的慘禍。
1985年9月6日,採用JT8D-7B 發動機作動力的一架 DC 9客機由美國威斯康星州米爾華基地起飛時,由於發動機高壓壓氣機第3與第4級間的封嚴鼓筒斷裂,碎片打穿機匣、擊壞飛機,造成431人遇難的重大事故。
1973年11月13日,一架載客115名與機組人員12名的寬機身客機DC10在美國休斯敦至拉斯維加斯,高度為11887m的航線上飛行時,突然,左側 CF6發動機的38片風扇葉片有34片從輪盤上脫落,在極大的離心力作用下,甩出的葉片使發動機前端嚴重損壞。幸虧打壞的是發動機外罩與短艙的非關鍵部位,未禍及飛機本身,因此用另外兩臺發動機迫降成功,化險為夷。
圖、一種常見的包容環結構
1972年12月18日與1973年1月10日,各有一架L 1011“三星式”寬機身客機在飛行途中,發動機的風扇輪盤破裂。破碎的輪盤穿過機匣,前者掉入大西洋,後者墜入冰雪覆蓋的荒漠中。萬幸的是,這兩起事件中,飛機機體與有關係統未受到損傷,因此安全迫降,人員無恙。
1988年5月30日夜,一架由廣州起飛裝有3臺發動機的圖154客機,在爬升到3000m高度時,立尾下的發動機中的4級低壓渦輪突然斷裂。破裂的轉子擊穿機匣將飛機打出了一個沿圓周約300°的環形缺口。僥倖的是因這臺發動機裝在飛機尾部,所以甩出的碎塊沒有傷及飛機承力結構及操縱、液壓與燃油等系統,飛機尚能用另外兩臺發動機作動力,平安返回廣州機場。
若是機身兩側的發動機出現這樣的故障,後果則不堪設想。例如,1987年5月3日,一架採用相同動力的伊爾 62飛機在華沙起飛時,一臺發動機發生了類似的爆裂事故。因它是裝在機身一側的,所以甩出的碎塊擊壞了飛機機體,造成183人死亡,是波蘭民航史上最慘重的一次空難。
從上述這些觸目驚心的事故中,我們不難得出這樣的結論:航空發動機工作中,若壓氣機與渦輪轉子出現葉片掉塊以及風扇葉片脫落等故障,這些碎塊會在強大的離心力的作用下往外甩,打在發動機的機匣上。
如果這個機匣不夠堅固,碎塊就會擊穿它像一顆剛出膛的炮彈呼嘯而出,打壞它所碰到的任何物件,如飛機的承力結構、各種管道及操縱繩索等,嚴重危及飛機的飛行安全。因此,航空發動機除了要具有良好的性能外,還要具有很好的包容能力,即不能讓轉子破裂後的碎片穿出其機匣,以致造成對飛機的二次損傷。
色容能力
談到航空發動機的包容能力,實際上可分為狹義的和廣義的兩種。上面談到的,轉子發生破裂或掉葉片的故障後,若機匣足夠堅固,這些碎片將被“包”在發動機內,隨氣流向後移動。儘管發動機的內部會被打得亂七八糟,致使熄火停車,但沒有外甩的碎片,不會對飛機造成嚴重的二次損傷。
只要駕駛員處理得當,還是能安全將飛機降落的,特別是雙發或是多發動機的客機。這種包容能力我們稱它為狹義的。如果將轉子外面的機匣適當加強或採取特殊措施,一般是能將葉片的掉塊或脫落的單個葉片包容住的。在軍用以及民用發動機的通用規範中,也對這方面做了嚴格的規定。
但是如果發動機輪盤以及連接輪盤間的鼓環等破裂,其碎塊重量大,甩出的離心力更大。這時即使機匣再厚再堅固也不能將碎塊包住。據1975年美國民用發動機轉子破裂事件統計,葉片破裂的佔90.4%,其中絕大部分被機匣包容住了,僅有7.4%的碎片未被包容。輪盤與鼓環破裂的雖只佔轉子破裂總數的9.6%,但其中79%為非包容的。而這種非包容的事件是不允許發生的,應該採取強有力的措施來避免。
這第二種包容能力就是所謂的廣義包容能力。較之前面談及的狹義的包容能力,這種包容能力的要求更苛刻與更嚴格。即要求發動機工作時,轉子上的零件(葉片、鼓盤與鼓環等)本身有足夠的強度,不會破裂;同時還要求採取特殊的措施,防止發動機工作中轉子“飛轉”。所謂“飛轉”是指轉子的轉速大大超過了其本身允許的轉速。大家知道,轉子旋轉時,它的材料或其上零件所受的離心力是與轉速二次方成正比的。例如,當轉速大於允許轉速120%時,離心力將增大144%;轉速增大30%時,離心力將增大169%。若出現這種情況,轉子將不堪重負,必然出現爆裂。
採取措施提高色容能力
為了消除隱患,保證飛行安全,全面提高發動機的包容能力是十分重要的。因此工程設計人員採取了種種措施,使發動機無論是狹義的還是廣義的包容能力都能達到要求。
提高轉子零件強度
為達到這一目的,對風扇、壓氣機與渦輪轉子上的主要零件,例如葉片、輪盤、鼓筒和傳動軸等必須進行完善的強度設計,使它們足夠堅固與耐用,不僅在工作條件下不會破裂,在轉子出現某程度的超轉時也能安全無恙。設計人員不只是“紙上談兵”,更重視其“實戰考驗”。對設計好的零件還要進行多項強度試驗、破裂試驗以及模擬發動機在飛行中實際工作狀態的“低循環疲勞試驗”等。
保證轉子材質和零件加工質量
在使用中發現,有些發動機儘管在設計階段其主要零部件進行過極嚴格的強度設計與試驗,但還是出現了本不該發生的轉子破裂的故障。究其原因,一是材料的材質不好(包括成分與熱處理不合要求),材料內部夾雜某些有害成分或缺陷;二是加工不合要求,有些該做成圓弧的地方做得太“尖”,零件表面的光潔度不夠高;另外裝卸中不小心碰傷,零件表面鏽蝕或腐蝕等均會影響零件的強度。
因此在零件加工中一定要確保材質與熱處理性能符合要求,嚴格按設計圖紙與技術條件實施加工,在零件的運輸、裝配與分解過程中,要仔細小心,防止在零件表面劃出印痕。“千里大堤崩潰於蟻穴”,一個不合格的倒角、一條小小的劃痕,都可能危及上百人的性命。
增強關鍵機匣
前面提到,包圍在發動機風扇、壓氣機與渦輪轉子外的機匣,是一道防止碎片穿出與損壞飛機本體的屏障,因此增強它的包容能力顯得特別重要。由於壓氣機或風扇的第一級工作葉片處在發動機進口處,易受外來物打傷而折斷;另一方面這一級葉片最長,重量也最大,尤其是現在用於幹線客機的高涵道比渦扇發動機,第一級風扇葉片的長度有近1m甚至大於1m,如果從根部折斷,斷片甩出的離心力高達50~60t以上,若它擊穿機匣,對飛機的危害可想而知。
鑑於以上兩個因素,對於包圍在風扇外的機匣,其強度的要求甚高。即發動機在最大工作轉速時,也能將由根部折斷的葉片包容住。這個機匣專門稱為“包容環”。這種包容環既要具有很強的包容能力,在重量上又不能太大。圖1所示的為20世紀80年代中期與後期研製的用於一些大型發動機上的包容環結構簡圖。
這個包容環以鋁合金作為基體,表面銑有柵格狀槽,以提高剛度與減輕重量。鋁環外部纏繞由凱芙拉(Kevlar)複合材料編織的條帶幾十上百層,其上還有一層環氧樹脂。當葉片斷片甩出時,先將鋁環擊穿,然後打在多層的凱莫拉纏繞層上。在葉片的撞擊下。纏繞層向外伸展變形,將撞擊力緩緩吸收。斷片被卡在纏繞層內不會穿出。
圖、從輪盤甩出的風扇葉片殘骸
對於任一種作為大型與中型旅客機用的發動機,在取得民航管理部門的適於飛行的合格證(即適航證)之前,一定要進行發動機的包容試驗,以考核風扇包容環的包容能力。只有通過了包容試驗後,該發動機才有可能作為民航客機的動力。
例如,2001年1月31日,一架裝遄達89217發動機的波音777 300在起飛過程中,1片風扇葉片從葉根處(葉身與燕尾形榫根轉接處)斷裂甩出,並將與其相鄰的另一葉片從葉身中部打斷如圖2所示,圖3示出收集到的被甩出的葉片殘骸。
像這麼大的葉片從葉根處斷裂,在早期的發動機中勢必會打穿機匣甩出發動機,但是,在這次故障中,葉片斷片被包容環包容在發動機內未對飛機造成過大損傷,僅有少量零星小碎塊由發動機進口處隨喘振時向前流動的氣流帶出。說明新一代發動機具有較強的包容能力,對提高飛機安全飛行起到了保證作用。
防止轉子飛轉
前面提到,一旦發動機進入了所謂的飛轉狀態,其轉速將大大超過允許的最大轉速值,會造成輪盤甚至整個轉子的破裂,甩出的斷塊能量極大,是絕對包容不住的,其後果極其嚴重。為了避免因意外事故,如風扇吸入大鳥造成低壓渦輪軸折斷,導致渦輪轉子進入飛轉,在現代發動機中採用了一旦低壓軸折斷時,立即將進入燃燒室的燃油切斷的措施。由於燃油切斷,燃燒室就形成不了高溫燃氣,渦輪自然不會繼續高速轉動而將慢慢地停下來。這樣就能保證渦輪轉子不會破裂。
轉子非包容的破裂事件,在早期的發動機中,發生的比率相對較高。例如1975年,美國民航客機曾發生過104起轉子破裂事件,未能包容碎片的有14起,佔轉子破裂事件的14.3%。隨著航空技術的不斷髮展,新研製的發動機採用了許多先進的工藝、材料和結構。
使20世紀80年代後研製的發動機,非包容的轉子破裂事件大大減少。根據幾種大型發動機的統計數據,非包容的轉子破裂事件,1975年每百萬次飛行中約有3次,到1990年僅有0.5次。而20世紀90年代以後發展的新型發動機,這些非包容的轉子破裂事件將發生得很少。
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