滑油自燃引發的故障

■ 陳光/北京航空航天大學

發動機滑油的自燃現象時有發生，成為飛行安全的重大隱患。因此，對滑油腔的封嚴裝置以及滑油腔的連接導管等在設計、制造、使用、維修中都要格外注意，絕不可掉以輕心。

發動機的滑油在超過250℃且條件適合時會自行燃燒，這種現象稱為滑油自燃。滑油自燃后溫度驟升，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有的強度而損壞，有的零組件會被燒熔。

JT8D發動機4號、5號軸承間滑油腔的滑油自燃引發的故障

JT8D發動機是20世紀60—80年代西方國家生產最多的小涵道比渦扇發動機，截至1991年有近13000臺用于軍用或民用飛機上，累計飛行達2370萬小時/1480萬循環。在1969—1990年， JT8D發動機共發生過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年就發生過10起，其中5起是非包容的斷軸故障。由于發動機數量多，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）較低，但后果卻非常嚴重。

JT8D發動機由1級風扇、6級低壓壓氣機、7級高壓壓氣機、環管形燃燒室、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）在高壓壓氣機后，5號軸承在高壓渦輪前，燃燒室機匣內裝有隔熱套筒，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。

據分析，在1984—1988年發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焦，使石墨封嚴端面與封嚴環不能密合，出現大的縫隙，高溫空氣由此竄入（1起）；石墨封嚴端面與封嚴環間不能密合，出現大的縫隙，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滑油自燃，燃燒的火焰將端面石墨封嚴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號軸承與封嚴件

針對上述問題，普惠公司采取了相應的改進措施，取得了較好的效果。為了更好地發現滑油自燃隱患，普惠公司在4號、5號軸承間滑油腔的回油導管上采用了示溫漆顯示溫度的方法來監測回油的溫度。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識。當滑油溫度超過190℃時，黃色方塊中的圓變為黑色。正常情況下，每工作65h或65循環須檢查一次溫度指示器，如果黃方塊中心已變色，還可繼續工作，但不能超過25h或25循環，否則要采取排故措施；如果紅色方塊中心變黑，則須立即轉場到基地進行排故。據稱，安裝這套溫度指示系統后，曾發現過5臺發動機指示器變黑，在立即采取排故措施后，避免了故障的發生。

圖3 D-30KU-154發動機

圖4 隔熱套筒在高壓壓氣機軸內的配置

D-30KU-154發動機隔熱套筒的滑油自燃引發低壓渦輪轉子非包容破裂故障

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

發生故障的D-30KU-154發動機于1985年9月28日出廠，已使用4582h/2437循環。如圖3所示，該發動機由3級風扇、11級高壓壓氣機、2級高壓渦輪與4級低壓渦輪組成。在高壓壓氣機轉子內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、后均裝有封嚴膠圈與高壓壓氣機軸內孔相接觸，使隔熱套筒與高壓壓氣機軸之間形成環形的死腔A（在發動機內不允許有死腔，這是設計錯誤，后來蘇方進行了修改）。發動機長期工作后，封嚴膠圈老化失效，滑油由失效的封嚴膠圈處漏入A腔，滑油在高溫作用下自燃，燃燒時使A腔內壓力增大，隔熱套筒在外壓作用下失穩向內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級低壓渦輪轉子失去負荷而超轉直至飛轉，轉子在極大的離心力作用下爆裂，碎塊甩出發動機，幸運的是受損的發動機處于飛機后機體上端，甩出發動機的斷塊未打到飛機機體。

遄達900發動機滑油自燃引發中壓渦輪轉子非包容故障

裝有4臺遄達900大涵道比渦扇發動機的A380飛機于2007年10月投入航線運營，在2010年11月4日由新加坡起飛執行QF32航班任務時，起飛15min后 2號發動機（位于左機翼內側）中壓渦輪盤突然爆裂，碎塊以很大的離心力擊穿渦輪機匣與發動機短艙，打壞飛機多處結構，包括操縱與液壓系統，如圖6所示。在駕駛員沉著冷靜的操作下，終于將損壞嚴重、難以控制的飛機安全降落，機上包括機組人員共466人，無1人傷亡。

圖5 鈦合金的隔熱套筒損壞情況

遄達900發動機由1級風扇，8級中壓壓氣機、6級高壓壓氣機、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構。

輸送滑油到軸承腔的導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，比設計值小0.56mm。發動機工作677循環后，滑油短管最薄處出現疲勞裂縫，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在與中壓傳動軸連接處斷開，中壓渦輪盤失去負荷而飛轉，在極大的離心力作用下爆裂，碎塊被甩出發動機，造成震驚世界的QF32客機嚴重受損的重大事件。

圖6 A380飛機受損部位

圖7 遄達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年開始研發的大涵道比齒輪傳動渦扇發動機，它由1級風扇、1套減速器、3級低壓壓氣機、8級高壓壓氣機、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款客機選用。

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

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向葉片中的滑油導管輸入的，滑油導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，在導管端頭裝有特氟龍C封嚴圈。1級低壓渦輪輪盤前端的冷卻空氣引自第4級高壓壓氣機出口處，是通過裝在空心的1級低壓渦輪導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，對低壓渦輪輪盤進行冷卻，如圖12所示。

由于試車臺的技術人員操作失誤，使特氟龍C封嚴圈的溫度達到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的輪盤，將輪盤幅板燒出一個環形缺口，帶葉片的輪緣部分在離心力作用下裂成幾塊，斷塊擊穿機匣甩出發動機，形成了嚴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形件殘留在發動機內。

圖10 PW1000G轉子支承

圖11 滑油導管插在扭力盒上的結構

圖12 冷卻輪盤的空氣由承力桿中流入扭力盒

結束語

在發動機中，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，會造成嚴重后果。因此對滑油腔的封嚴裝置和連接的導管在設計、制造、使用、維修時絕不能掉以輕心。