涡喷6发动机燃烧室内机匣的隔热环外压失稳引发多起空中停车事件

陈光/文

薄壁壳体零件在外压大于壳体的允许值時，会失稳变形，造成壳体局部地区向内凹，其变形形貌呈菱形。在发动机设计时，对于薄壳零件，往往忽视在非正常情况下壳体会出现过大外压的现象，沒有采取适当措施，结果会造成发动机重大故障。

WP6发动机燃烧室内机匣内设有由隔热环组成的隔热腔，如图1所示。为避免燃烧室的高温对涡轮轴与滑油腔有影响，在燃烧室内机匣内焊有一由0.8mm厚的1Cr18Ni9Ti板材制成的隔热环，组成了一隔热腔的环腔。

为避免此环腔成为死腔，在环腔下部焊有一均压管，此管的另一端连于压气机后轴承的后卸荷腔。后卸荷腔是轴承箆齿封严装置后的腔室，发动机工作一段时间后，封严效果会降低，此时少量泄漏出来的滑油会流到卸荷腔中，并通过均压管流到隔热腔中。隔热腔中的滑油在高温（此腔温度约为300℃）下自燃，燃烧造成隔热腔内压力突增，使隔热环在外压作用下失稳向内凹，与高速旋转的涡轮轴相碰磨，最终造成空中停车。

图1、WP6燃烧室内机匣的隔热腔

在上世纪60年代，某厂返修的2000余台WP6发动机中，发现有隔热环向内下故障的发动机有51台，占全部返修发动机的2.5%。又如在1967年 10月到1969年初的不完全统计，410厂处理这一故障的发动机有129台，其中苏制的原型机6台，410厂生产的55台，420生产的68台。

为排除这一影响飞行安全的故障，将隔热环的厚度由0.8mm加大为1.2mm，并在腔环上压出两道加强筋，此后再未出现类似故障。

D30-KV-154高压压气机轴内隔热套筒外压失稳造成4级低压涡轮转子非包爆裂故障:苏制图-154客机装有3台D30-KV-154小涵道比涡扇发动机。中国民航的一架图-154在 1988年5月30日起飞时，装在机尾中部的发动机，低压涡轮传动轴折断，造成4级低压涡轮转子爆裂甩出发动机重大故障，其原因就是装在高压压气机轴内的隔热套筒外压失稳造成的。

图2、高压压气机轴内装有隔热套筒

D30-KV-154高压压气机轴与低压涡轮传动轴间的环形腔是滑油腔，为避免高压压气机的高温对滑油有不良影响，在轴内装有一隔热套筒（图2），隔热套筒由厚度为1.2mm的钛合金板料焊接而成，其前、后端与高压压气机轴相配处均装有胶圈，使隔热套筒与高压压气机轴间形成的隔热腔A为死腔，多次开车后隔热套筒材料强度降低；

当发动机工作近4500h后，胶圈老化失效，滑油流入隔热腔A中，由于A腔温度大于300℃，滑油自燃，造成A腔中压力突增，隔热套筒在外压作用下失稳向内凹陷（图3），下陷的尖部与低压传动轴相磨，将轴磨断，最终造成4级低压涡轮转子爆裂击穿机匣甩出发动机的重大故障。

图3、隔热套筒向内凹陷

某型机高压转子内的空气导管外压失稳造成重大故障

某型带加力燃烧室的小涵道比涡扇发动机中，在由高压压气机与高压涡轮转子组成的高压转子内，装有一空气导管（图4），空气导管外侧是由高压压气机前锥轴上的A孔流入的3级风扇后的空气，压力约为3.5×105Pa，而导管内的空腔是与轴承滑油腔相连通的，其压力约为1.2×105Pa。

因此，工作中导管内外间有2.3×105Pa的压差，这个压差不会引起导管失稳。但在某些异常情况下，导管外的压力会突升，这时，会产生使导管失稳变形的压差，设计人员在设计时只考虑正常工作情况，因此对导管未采取加强的措施。

图4、某型发动机高压转子内的空气导管

1988年冬一次地面试车中，在停车前，错误地先将尾喷口关小然后停止向加力燃烧室供油，使加力燃烧室的工作与尾喷管的调节不协调而将风扇“迫喘”，风扇后的压力突然上升较大，造成空气导管外的压力比正常工作时的压力大很多，结果空气导管在外压作用下失稳凹陷，凹陷的尖部与低压涡轮轴相磨，将低压涡轮轴磨出一环形深槽（低压涡轮轴未断）。

在相互摩擦过程中，薄壁的空气导管破裂断成四片，其断片甩到高压转子某一区域，造成高压转子平衡被破坏。不平衡的高压转子在旋转中，局部地区的涡轮工作叶片叶尖，刮磨叶尖相对应的涡轮外坏，其结果是那几片刮磨的叶片报废，涡轮外环严重损坏。

这次由于空气导管外压失稳的故障，造成的损失难以估量，如在设计时考虑到在非正常工作情况下，可能会出现外压失稳，将空气导管内沿长度上增设几个加强筋环，就能避免这一严重故障的发生。在出现此故障后，设计人员并未从中吸取教训而修攺设计，导至后来又发生了一次相同的故障。此后，参考了与本发动机结构设计类似的国外著名发动机的设计，才在空气导管中增设了增强刚性的筋环，其后再未出现类似的故障。