发动机设计时,应考虑到有些零组件或子系统一般不易出问题,但是一旦出问题后,会引起发动机出现较大的或灾难性的故障,就应采取一些防止出现这些灾难性故障的措施。在设计中采取的这些措施称为安全设计。

防止低压涡轮轴在工作中折断后,低压涡轮转子进入飞转状态的措施,就是涡扇发动机设计时,必须采用的安全设计之一。

众所周知,低压涡轮轴由于套装在高压涡轮轴内,其直径比高压轴小,但它的转速却低于高压转子的转速,随着发动机涵道比的增加,其转速差也越大,但它传递的功率却比高压涡轮轴大,特别在高涵道比涡扇发动机中。

由此可见,低压涡轮轴由于传递功率大,转速低,它承受的扭矩比高压轴大很多;加上直径小于高压轴,因此低压涡轮轴上承受的剪切应力远大于高压涡轮轴,如果两轴采用同样材料制作,低压轴的安全系数显然小于高压轴的。当然,设计时一定要保证低压轴有一定安全系数,确保能正常工作。

但是,发动机在工作中,会由于某些偶然因素,使低压轴折断。例如,在其他零件损坏后,使低压轴与高压转子相磨碰,低压轴受损而断裂等。

1988年5月30日,中国民航的一架图 154三发客机在广州起飞时,装在机尾中部的发动机,由于装在高压压气机转子内的钛合金空气导管突然失稳向内变形,将低压涡轮轴磨出了一道较深的磨痕,使低压轴折断,即是一例。

又如,发动机工作中将大鸟或跑道上的大块轮胎碎片(其他飞机在起飞或着陆时磨坏而遗留在跑道上的轮胎碎块)吸入,风扇叶片又未能将它们切碎,碎片卡在风扇叶片与静子之间,对低压涡轮轴形成了一个很大的刹车力,造成低压轴上的反扭矩突增,会将低压轴拧断等。

当然,这种低压涡轮轴突然折断的概率是极小的,几年甚至十几年不一定遇到,但是一旦不幸遇到就会带来灾难性事故。因为一旦低压涡轮轴折断,低压涡轮转子与风扇转子之间,就失去机械联系,低压涡轮失去负荷。此时,高温燃气仍继续流入低压涡轮中膨胀做功,失去负荷的低压涡轮就会急剧增速以至飞转,此时,工作叶片与轮盘所受的离心力急剧增(因为离心力是与转速的2次方成正比),大大超出其允许值,叶片会由根部处折断高速甩出,轮盘也会四分五裂甩出。

甩出去的碎片能量很大,击穿涡轮机匣后如打到飞机要害构件或系统,就会给飞机带来灾难性事故。前述的图154低压涡轮轴断裂故障中,幸好是中间的发动机发生的,发动机外围没有飞机关键构件与系统,因而只是机尾严重损坏而没有造成飞行事故。但1987年5月3日,在波兰却发生了一件类似的故障,其后果却不同。