斷軸導致的安全事故 從幾起罕見的重大故障淡航空發動機的安全設計（上）

在民用雙轉子大涵道比渦輪風扇發動機中，低壓渦輪通過低圧傳動軸驅動風扇，高壓渦輪通過套在低壓傳動軸外的高壓軸驅動高壓壓氣機，見圖1。在使用中，傳動風扇或高壓壓氣機的傳動軸，很少發生斷軸的故障。但是，如果不釆取特別措施，一旦出現斷軸故障，會造成極為嚴重的後果。

根據報導，在我國民航飛機中，幾十年來僅在1988年5月30日發生過一次發動機斷軸的故障。當天一架蘇製圖-154客機在廣州起飛後的爬升過程中，裝在飛機尾部上方的D-30發動機（另兩台發動機分別裝在機尾機身兩側）傳動風扇的傳動軸突然折斷，傳動軸折斷後，四級低壓渦輪轉子飛轉。

圖1、 大涵道比渦輪風扇發動機簡圖

在極大的離心力作用了，四級低壓渦輪轉子爆裂，斷塊在極大的離心力作用下擊穿機匣甩離發動機（圖2），是一起嚴重的發動機非包容故障（發動機受損的零件或斷塊，擊穿機匣甩出發動機的故障稱非包容故障，受損零件或斷片未擊穿機匣而隨氣流由尾噴管排出發動機的故障稱包容故障）。

幸好發生故障的發動機位於機尾上端，甩出的斷塊未對飛機機身與操縱等系統造成損傷，因而保全了飛機，未釀成災難，實屬萬幸，否則後果不堪設想。因為裝有同型（D-30）發動機的波蘭航空公司的一架伊爾-62飛機。

圖2、四級低壓渦輪轉子碎塊擊穿發動機的圖-154

在事發前一年的1987年的5月7日，在華沙機場起飛時，遭遇了類似的低壓渦輪斷軸故障。伊爾-62客機的4台發動機均裝於機身尾部，每側兩台，如圖3所示。由於出故障的發動機是緊貼機身的，甩出的碎片擊穿飛機機身，打壞了機身內部系統，造成了飛機墜毀的嚴重事故，機上乘客與機組人員共183人無一倖免均遭到滅頂之災，是當時波蘭航空史上最為慘重的飛行事故。

進入21世紀後，出現了兩款非常有名的旅客機，其一是歐州空中客車公司發展的號稱世界上最大、航程最遠、最豪華舒適的A380巨型客機，該客機於2007年10月25日投入商業運營；另一款是美國波音公司發展的B787「夢幻」客機，該客機於2010年10月26日投入商業運營。

圖3、裝有四台發動機的伊爾-62客機

這兩型客機均採用了當前性能最好的大涵道比渦輪風扇發動機：A380採用了英國羅羅公司的遄達900發動機與美國普惠公司與通用電氣公司合資的『發動機聯盟公司』的GP7200發動機；

B787採用了羅羅公司的遄達1000發動機與美國通用電氣公司的GEnx發動機。

說來也巧，這四型新發動機在投入運營前、後不到十年的時間內，均發生了罕見的渦輪驅動風扇或中壓壓氣機的傳動軸折斷故障。據美國通用電氣公司最近統計，在過去的10年中，該公司以及與他們合資的公司約有25 000台發動機在使用、工作總時數約6億飛行小時中，只出現過6次斷軸事件。

而這兩款最新型的客機所用的四型發動機，在不到十年的時間中，竟然出現了五次斷軸故障（GEnx二次，其他三型發動機各一次），這麼密集地出現斷軸事件，在航空史上也實在是罕見的。

在這四型發動機中，兩型是由英國羅羅公司研發的遄達900與遄達1000發動機，這兩型發動機均是三轉子發動機，這種三轉子結構是羅羅公司的傳統設計，參見圖5。

以遄達1000為例，由6級低壓渦輪通過低壓傳動軸驅動大直徑的風扇轉子，轉速較低，為每分鐘2600轉；由1級中壓渦輪通過套在低壓傳動軸外的中壓傳動軸驅動6級中壓壓氣機，轉速較高，為每分鐘8900轉；由1級高壓渦輪通過套在中壓傳動軸外的高壓傳動軸驅動8級高壓壓氣機，轉速最高，為每分鐘13400轉。

圖4、 三轉子發動機示意圖

在A380投入航線運營後的第三年即2010年，當年11月4日，澳洲航空公司的一架A380客機執行倫敦-新加坡-悉尼的QF32航班任務時，機上載有440名乘客及26名機組成員。

飛機由新加坡起飛後，爬升幾分鐘飛到2134 米高度時，突然出現了爆炸聲，一分鐘後，飛機的中央電子監控系統發出了43條表明飛機多個系統出現問題的信息，飛機隨即處於難以控制的狀態。

原來是2號發動機（位於左機翼內側）中壓渦輪驅動中壓壓氣機的傳動軸突然折斷，造成中壓渦輪盤爆破，輪盤破裂成幾塊，斷塊以很大的離心力打穿渦輪機匣與發動機短艙（參見圖5），一塊斷塊穿透左翼前緣，對機翼的前緣結構、前翼梁和上表面造成了損傷。

圖5、2號發動機受損情況

一小塊渦輪盤還穿透了左翼與機身之間的整流罩，打到機身結構以及飛機的電纜，電線等，受損的電纜進而影響到了液壓系統、起落架系統和飛行控制系統。殘塊還擊中了左翼下表面，使得2 號發動機油箱和左翼內部油箱的燃油發生泄漏。

2 號發動機的吊架、l 號發動機、機身左側龍骨梁的連接部件和左翼縱牆也受到了損傷，由此造成多處飛機結構以及多個系統受損（參見圖6）。圖7、圖8分別示出電纜朿打斷與發動機附件傳動裝置打爛的情況。

圖6 、A380飛機受損部點陣圖

在機組人員精心操作下，將損壞嚴重、難於控制的飛機終於在起飛後109分鐘，在距機場跑道（跑道長4000米）盡頭150米處安全停住。創造了航空史上的一個奇蹟。

當飛機上所有乘客下飛機後，1號發動機繼續運轉著，機組人員採用各種能想到的方法，但由於大量導線被打斷，各種操縱信號無法執行，因此無法將該發動機停車，後來由消防人員向發動機進口噴洒泡沫滅火劑才將發動機停車，此時已是飛機著陸後的2小時，這種不能將發動機停車的現象，也屬罕見。

圖7、被打斷的導線朿

受損的A380在新加坡進行了大修，經過18個月耗資1.39億美元，於2012年4月修好。由修理時間之長與耗資之大，可以看出該飛機承受了難以置信的嚴重損壞，也是民航史上少有的飛機嚴重受損但無人員傷亡的事件。

說來也巧，在A380出現遄達900中壓渦輪盤非包容爆破故障（2010年11月4日）前三個月的8月2日，用於B787的遄達1000發動機在羅羅公司位於英國達比的地面試車台試車時，也出現了中壓渦輪盤非包容爆破故障，這是B787還未投入商業運營前的地面試車，發動機尚未裝上飛機，因此適航部門未介入此次故障的調查。

圖8、受損的發動機附件傳動機構

據羅羅公司的報導稱，在此次中壓渦輪非包容故障中，渦輪盤的斷塊打穿渦輪機匣，打壞了試車台的一些設備。

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