CFM56-3風扇葉片設計問題導致客機在大雨中降落時雙發熄火

2020-12-20 航空之家AH

陳光/文

在大涵道比渦扇發動機中,風扇葉片尾緣與分流環(圖1)間的間距應保持較大,以利於飛機在大雨天降落時,將流入發動機的雨水大部分甩到外涵道,避免過多的雨水流經高壓壓氣機而流到燃燒室,使燃燒室熄火,造成發動機空中停車的嚴重故障。

圖1、風扇葉片後緣與分流環間的間距要大

CFM56-3風扇葉片後緣與分流環間釆用了小間距造成飛機大雨中降落時雙發熄火。CFM56-3雖在研製中通過了FAA按FAR33部的吞水考核,但在實際使用中,737客機在1987年5月-1988年9月間的一年多的時間內,發生過4次在特大雨水/雹著陸時雙發空中停車的嚴重危及飛行安全的故障。

分析其原因竟是風扇部件中有2處結構設計不合理而造成的,參見圖2:其一是風扇葉片後緣與分流環間的間距太小,使雨水不易甩到外涵道,其二是進氣錐做成長錐形,也是不易使雨水甩到外涵道。

圖2、CFM56-3的風扇部件圖

為此,GE公司釆取了三項結構改進措施:加大葉片後緣與分流環的間距,即在主要結構不變的情況下,釆用了更換長度較短的分流環,但間距加大不多;將錐形進氣錐改成先橢後錐的形式,如圖33中的進氣錐;

在增壓壓葉氣機後拐彎處設置一個放氣活門,當雨水流經拐彎處時,在拐彎形成的離心力作用下將雨水甩出到外涵道。另外,還將發動機的空中慢車轉速由32% N1提高到45% N1,以提高將雨水甩出的離心力。

在起飛狀態,發動機處於最大功況下,風扇轉速處於最大,這時將雨水甩到外涵道的離心力大,進入發動機的大量雨水被甩到外涵道,留在內涵道的少量雨水不僅不會使燃燒室熄火,反而有噴水加力的作用,因此飛機在大雨中起飛時,發動機的推力還會加大。

在CFM56系列發動機中的最後機型CFM56-7中,吸取了-3的經驗教訓,在風扇部件的結構設計中,做了較大改進,如圖35所示,其結構代表了大多現代發動機採用的結構。

圖35

CFM56-7B風扇部件圖

在一般機器中,對軸承噴入的滑油是起潤滑作用的,其系統稱為潤滑系統,但在航空燃氣渦輪發動機中,噴到軸承的滑油不僅潤滑軸承,還要帶走軸承高速旋轉產生的熱量以及其它零組傳到軸承的熱量,同時滑油還在某些操縱機構中起到工質作用,因此現代許多發動機中已將潤滑系統改稱滑油系統。發動機的滑油系統如果出現某些設計缺陷,例如對軸承等的噴油量不夠,會造成發動機重大故障。

對附件傳動軸軸承噴油量不不夠造成發動機空中停車

A330客機裝有2臺羅羅公司的遄達700發動機,於1995年初投入使用。1997年7月1日香港回歸祖國之際,眾多的海外遊客要乘飛機到香港目睹回歸盛典。但是恰在此時,香港兩家航空公司的15架A330大型客機全部因發動機故障而在5月24日宣布停飛,造成了不良影響。

遄達700發動機附件傳動系統簡圖示於圖3,高壓壓氣機轉子前的中傳動裝置與置於高壓壓氣機機匣外的附件機匣間通過垂直傳動軸連接。由於在中傳動裝置中,滑油噴咀距與垂直傳動軸嚙合的從動錐齒軸承間存在20mm的間距,對軸承的潤滑冷卻不夠,使軸承與垂直傳動軸溫度過高(大於170℃),垂直傳動軸折斷,造成發動機空中停車。

從1996年11月到1997年5月12日的半年中共發生過空中停車5次,對飛機飛行安全起到極壞的作用,因此香港民航當局在5月24日宣布所有的15架A330全部停飛。

圖3、遄達700附件傳動系統簡圖

針對這一影響飛行安全故障,羅羅公司立即在附件傳動系統中改用了遄達800(用于波音公司的777客機)的滑油系統,使該軸承的溫度降至130℃。

因此A330於當年6月中恢復了飛行,即在不到一個月時間內,成功地排除了引起多次空中停車的重大故障,這在發動機排除故障的工作中還是較少的。

圖4、RB211風扇後軸承與中壓壓氣機前軸承支承圖

RB211供給風扇後軸承的滑油量不夠造成風扇軸折斷的重大故障。RB211系列發動機中,風扇後軸承與中壓壓氣機前軸承均支承在同一個承力框架中,如圖4所示。一根滑油供油管既向風扇後軸承供油,又向中壓壓氣機前軸承供油。

在某些情況下,會使供給風扇後軸承的滑油油量不夠,造成軸承損傷最終導致風扇軸斷裂,風扇盤被甩離發動機的嚴重故障,由於低壓渦輪轉子設有防止風扇軸斷裂後飛轉的措施,此故障只導致發動機空中停車而未造成飛機機體嚴重損傷,飛機均安全著陸。

裝RB211-22B的三發L1011客機於1981年在飛行中先後出現了三次風扇部件甩出的嚴重事件(1981年5月、1981年8月與1981年9月),其原因均是由於風扇後軸承滑油供油量不夠造成的。

由於同樣的原因,1982年12月在747四發客機上的RB211-524C2中,也出現了風扇盤甩出的故障。在不到兩年的時間內,連續出現影響飛機飛行安全的四次風扇盤甩離發動機的嚴重故障,在航空發動機的研製與使用歷史中,實屬罕見。

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