讀陳光教授《記圖-154飛機重大故障赴蘇與其權威論戰之始末》有感

2023-08-21     航空之家

原標題:讀陳光教授《記圖-154飛機重大故障赴蘇與其權威論戰之始末》有感

喬善勛/文

索洛維也夫設計局的D-30KU發動機除了驅動伊爾-62M,其改進型號D-30KU-154還廣泛應用於圖-154飛機上,它搭載有噪音吸收單元以滿足國際民航組織(ICAO)關於飛機噪音的要求,其結構和D-30KU相同,由3級風扇、11級高壓壓氣機、環管燃燒室、2級高壓渦輪和4級低壓渦輪構成。

1987年5月9日,波蘭航空一架搭載D-30KU的伊爾-62M起飛不久後,就因發動機故障發生機毀人亡的重大事故。一年之後,中國民航的一架圖-154搭載的D-30KU-154發動機同樣發生故障,但該故障原因按照北京航空航天大學(北航)陳光教授的意見修改後,避免了類似事故的發生。

圖、中國民航B-2604

1988年5月30日,中國民航一架圖-154M(飛機註冊號:B-2604)從廣州起飛10分鐘後,機尾的D-30KU-154發動機發生嚴重的斷軸故障,4級低壓渦輪全部甩出機身,打穿了飛機尾部蒙皮,導致一起嚴重的低壓渦輪非包容的破裂事件。萬幸的是,發動機甩出的碎片並沒有損壞飛機的操縱系統,飛機平安落地。

B-2604號機發生故障的發動機出廠於1985年9月28日,累計使用4582小時/2437循環。事故發生後,中國民航總局負責事件調查工作,成立了故障分析專機組,並邀請蘇方代表。蘇聯方面派出了發動機廠總工程師和中央航空發動機研究院專家。

圖、四級低壓渦輪轉子碎塊擊穿發動機的圖-154

中蘇專家分析後認為故障原因源自高壓壓氣機軸內的鈦合金隔熱套筒,它在工作中突然向內凹陷,碰到高速旋轉的低壓轉子傳動軸。低壓轉子傳動軸被磨出深槽後斷裂。渦輪在斷軸後失去負荷,轉速飆升至飛轉,4級低壓渦輪轉子在高離心下爆裂並甩出機外,導致嚴重的低壓渦輪轉子非包容爆裂事件。

事件原因是隔熱套筒突然下陷變形所導致的,但是中蘇雙方專家對套筒失效原因存在嚴重分歧。蘇方認為是中方使用不當——飛行員在停車狀態停留時間較短,導致內部溫差極大且不均勻。中方專家否認了蘇方觀點——發動機內部相鄰的零件會存在溫差,但不足以讓隔熱套筒變形。蘇方的觀點不僅推卸了他們的責任,更重要的是掩蓋了發動機的設計缺陷,但現在需要拿出推翻蘇方觀點的實證。

圖、鈦合金的隔熱套筒破壞情況

中國民航總局隨後擴大了專家組成員,邀請北航發動機結構、強度和傳熱等領域專家進組,陳光、熊昌炳和朱谷君三位教授代表北航進入專家組。

陳光教授通過「故障再現」方法找到了隔熱套筒故障的原因:結構設計不合理,產生了低循環疲勞;局部表面用砂輪打磨過,導致疲勞強度降低;圓筒不圓,局部區域剛性不夠,容易變形;材質不好,機械性能降低較多等出現了局部區域的強度剛性降低,導致隔熱套筒在外壓作用下提前失穩;漏入A腔的滑油自燃時產生的外壓作用下失穩而向內凹陷所致。這意味著隔熱套筒在設計、材料和工藝等方面均存在嚴重缺陷。

圖、故障再現試驗中,隔熱套筒模擬件變形處的外形與故障件變形處的外形比較圖

1988年12月,專家組在北京首都機場民航101廠試驗中,通過故障再現的方式驗證了分析結論,並發現該型發動機沒有防止低壓轉子飛轉的安全設計,這也是導致非包容破裂事件的主要原因。例如早期的JT15D、斯貝等發動機,設計了機械式斷油裝置;普惠PW2037發動機則採用了氣動-機械式剎車裝置。現代渦扇發動機採用全權數字發動機燃油調節器(FADEC),其設置了低壓轉子最高轉速限制值。上述設計均可避免低壓轉子飛轉。

NK-8-4和D-30KU發動機均沒有採取任何防止低壓轉子飛轉的措施,相繼導致1980年波蘭航空007號航班和1987年波蘭航空5055號航班事故。從適航性角度考慮,該發動機在低壓渦輪轉子的防止非包容破裂措施上,未能滿足美國FAR33部和中國民航CCAR33部相關規定,這些發動機屬於不適航狀態。

中方專家組的結論並未得到蘇方的認可。蘇方認為「要使隔熱套筒在外壓下失穩變形需1.8~2.0MPa的壓力,而在發動機內故障的相關零件間,根本不可能存這麼大的壓力,因此中方的結論是不可能」。

蘇方從根本上就不相信中國人有能力完成該故障的分析工作,他們認為中國的航空工業是在蘇聯的幫助下發展的。他們是老師,中國人是他們的學生。學生怎麼會超過老師呢?

圖、D-30KU-154發動機示意簡圖

蘇聯還專門派航空工業部的一名副部長到北京,他表示蘇聯的中央航空發動機研究院是世界聞名的航空發動機研究機構,在蘇聯和世界上都具有極高的權威性,他們的專家對該故障進行了深入分析研究工作,並做出了正確的結論,其完成的文字資料堆起來就有一米高。

當時中國民航人員正在蘇聯處理接收三架新的圖-154工作,鑒於蘇方態度,中國民航決定中止接收飛機工作。如果片面聽從蘇聯方面意見,波蘭的悲劇就有可能在中國發生。

蘇聯航空工業部為了恢復交機工作,決定邀請中方專家到蘇聯「討論」問題。會議在莫斯科舉行,由蘇聯中央航空發動機研究院奧院長主持,蘇方有17名專家參與,中國派出了6人專家組。中方專家陳述分析結論後,得到了蘇聯專家的認可。奧院長表示,發動機故障原因就是中方報告中的結論,該發動機的設計、取材和製造中存在嚴重的缺陷造成的,和使用條件無關。

圖、隔熱套筒在高壓壓氣機軸內的配置圖

陳光教授還提出四項改進建議:

1、 隔熱套筒和高壓壓氣機軸間的環形空腔A中,應設卸壓孔,避免形成「死腔」。

2、 考慮到當時蘇聯對鈦合金板料捲成圓筒的工藝不過關,建議將隔熱套筒由板料焊接改為鍛件機械加工,材質需符合規範要求,壁厚適當加大,建議由1.5毫米改為2.5毫米,以增大抗外壓的能力;

3、 改進膠圈材料和結構,要能在5000小時的使用壽命內不老化失效;

4、 採取防止低壓轉子飛轉的措施。

中方專家組實事求是的精神 ,不僅為我國航空事業做出了重大貢獻,還避免了圖-154發生類似事故。

圖、陳光教授參觀圖波列夫墓地

陳光教授在參觀著名飛機設計師圖波列夫的墓地的時候,在心理暗道:「就是在您老人家領導下設計的圖-154客機,才使我們有機會瞻仰了您的墓地與紀念碑,但是,我要自豪地告訴您,我們已經為您排除了一個嚴重影響圖-154客機飛行安全的隱患,安息吧!圖波列夫老前輩!」

最後,陳光教授提到:「我所作的分析結論為什麼被蘇方很快就採納,而在國內得不到重視,只是當「外來的和尚」的「外國經」來了後,相比之下,才相信「中國經」也是對的,這時才不得不羞羞答答地作了修改。什麼時候,我們在信服「外來的和尚」時,也對土生土長的「中國和尚」的「中國經」予以充分信任,我相信那會加速我國科技的發展。」

圖、2022年9月,筆者拜訪陳光教授

讀完陳光教授《記圖-154飛機重大故障赴蘇與其權威論戰之始末》一文後,我不禁思考一個問題:1980年波蘭航空007號航班事故後,波蘭當局如果能正視問題,堵上蘇制發動機非包容破裂的漏洞,是不是就可以避免1987年波蘭航空5055號的悲劇發生?

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-cn/7b19c2077e28b22c14560a82d0beacb0.html