在近年来公开出版、新华书店负责全国发行的《三型涡扇发动机故障模式与机理分析及预防技术》中，公开了国内战斗机、教练机、运输机采用的三种进口涡扇发动机的大量详细故障资料，包括图片和技术分析。

 

本文中AL31F发动机故障相关图片、文字资料，全部来自该书。

 

正如笔者之前文章中所说的，单发高敏捷飞机给发动机施加的负担远远高于双发机，这就是AL31F系列的缺陷，在歼10上更容易发作，而一旦发作，带来的危险性也远超苏27。

 

而这，就是这些年来中国歼10事故损失的最重要因素。

 

1：润滑不足的最严重后果——发动机主轴直接被拧断，照片触目惊心

图：被折断成三截的低压涡轮轴，这种情况下发动机显然会彻底失去动力。注意断口处出现了熔化现象

 

上面两张图，就是AL-31F系发动机的低压涡轮轴（两根主轴之一），由于关键轴承润滑失效而被折断的照片。这种事故是润滑失效、主轴被抱死（卡住）后，最严重、最极端的情况。

 

断轴一旦发生，通常情况下整台发动机都必须被报废。按照《三型涡扇》一书中官方公开的数据，截至该书成稿时，此类事故已达到19起；至于主轴抱死引发空中停车、但没有断轴的事故有多少起，官方没有公布，但这个数字必然远高于19。

 

2、低压涡轮轴是干嘛用的？它在AL31F发动机中的哪个位置？

图：AL31F的动画结构展示，红箭头指向低压转子，从左到右分别是4级风扇（低压压气机）、低压涡轮轴、低压涡轮。黄箭头指向高压转子，从左到右，分别是9级高压压气机、高压转子轴、高压涡轮

 

就像其它涡轮喷气发动机一样，AL31F的基本工作原理是：

图：燃气推动涡轮旋转，涡轮又带动压气机旋转

 

空气从发动机进口流入，然后被高速旋转的压气机叶片一级、一级的压缩；在燃烧室中，压缩空气与燃油掺混在一起，剧烈的燃烧、生成大量燃气。

 

这些燃气在推动后方的涡轮高速旋转后，从发动机喷口高速排出，形成巨大的推力。而涡轮又是和前面的压气机叶片联动旋转的，从而保证这个燃烧过程能持续不断。

 

而为了让不同的叶片，各自能工作在最合适的转速下，取得较高的总体效率，AL31F采用了主流的双转子设计：

图：双转子的大涵道比涡扇，原理近似，注意中间黄色的高压转子，它的转速更快一些

 

最靠近燃烧室的压气机和涡轮，它们应对的压力/温度最大、叶片尺寸最小、适宜的转速最高，因此用一根轴固定起来，形成高压转子。

 

最远离燃烧室的压气机和涡轮，则用另一根轴固定起来，形成低压转子，用更低一些的速度旋转。

 

这种情况下，发动机的两根主轴，必须采用大轴套小轴的方式，让最长的轴从中间穿过去。两根轴之间，也因此必须要安装轴承，才能让彼此的旋转互不干扰。

图：最为致命的转子间轴承，就大致安装在箭头所指的区域

图：红色箭头所指是高压涡轮，它右边那个是低压涡轮。黄色箭头所指，是连接低压涡轮的低压涡轮轴，它要从高压涡轮中心穿过。在高压涡轮和低压涡轮轴之间，红框的位置里，有一个关键的“转子间轴承”；一旦这个轴承坏掉，高压涡轮失去可靠的旋转支撑，就会往下掉落，和低压涡轮轴出现硬磨，最终导致抱轴、甚至断轴。

 

AL31F上，多次由于润滑不足而抱死、甚至折断的低压涡轮轴，就是这根贯穿发动机前后、最长的主轴。而导致抱轴、断轴的最大原因，也正在与分隔两根主轴的转子间轴承上。

图：被剖开的AL-31F发动机，机头方向朝右。红箭头所指是高压转子的主轴（比较粗），紫箭头是高压涡轮（被挡住了看不见）。黄色箭头指向的是低压涡轮叶片。绿箭头所指，就是低压转子的主轴——即低压涡轮轴，它从高压转子轴中间穿过，贯穿整个发动机前方。

 

 

3、为什么AL-31F的低压涡轮轴会被折断成三截？

 

因为AL-31F发动机的低压涡轮轴在设计上本身就是分为三段的，三段之间以“鱼叉式”结构相接、用径向的销钉加以固定。前后两段对耐热或强度要求较高，采用不锈钢材料；中间一段对控制重量要求较高，采用钛合金材料。

图：AL-31F发动机低压涡轮轴分为前、中、后三段，红圈是中段轴与前段轴的连接结构示意。

图：AL31F低压涡轮轴各个部分之间，主要依靠过盈配合和销子完成固定、连接

 

AL31发动机采用这种三段轴设计的目的，就是为了尽可能的减重。在该机的设计过程中，重量控制一直是最大的困难问题。

 

最初的时候，AL-31发动机的叶片一共有20级，4级风扇（低压压气机）、12级高压压气机、2级高压涡轮、2级低压涡轮，重量达到1600公斤（苏联标准），而且推力还低，只有11.2吨。

 

为了减重增推，AL-31整个构架都推倒大改了一次，从4+12+2+2的20级设计，变成了4+9+1+1的15级设计，重量一度控制到1520公斤（苏联标准）。结果重量下去了，故障率又暴涨了；为了提升可靠性，重量又增加了10%左右.......

图：中段轴和前段轴之间除了基本的过盈配合外，主要是靠18个均匀分布的销子进行固定。而这些销子和销孔普遍容易出现开裂等情况，本身也是AL31F轴系故障的重要来源

 

折腾到最后，苏联采取了非常资本主义的物质激励政策：采用每减重1公斤、奖励设计人员5个月工资的办法，使整机减重70公斤，才最终让重量达标。减重发钱，在美俄中的航空研发历史中，都是屡试不爽的最后手段。什么才是真正超越意识形态的普适价值？这才是。

 

不过最终AL31-F的实际重量依然偏大，达到1530公斤（苏联标准）/1750公斤（美国标准）；推重比为8.17（苏联标准）/7.14（美国标准）。

 

注：美苏发动机重量标准的差异，主要在于一些安装在发动机上的附属外围设备是否要计算在内。在判断俄国和中国一些发动机的宣传数据时，弄清楚重量是按哪种标准算的非常重要，否则对性能的评价会出现非常大的误差。

 

4、引发涡轮轴抱死、甚至折断的直接原因是什么？

 

引发涡轮轴抱死、甚至直接折断的原因，就是用于固定和承托它的关键轴承，由于润滑不足而坏掉了。

图：滚珠轴承的原理示意图，滚珠在内外圈之间不断滚动，把内外圈之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而极大的减小摩擦力。注意包裹住滚珠的黄铜色结构，它是保持架，起到滚珠的定位作用，确保滚珠的均匀分布和受力。

图：AL31F发动机最关键的转子间轴承，原理与滚珠轴承相同；只是把圆球外形的滚珠，换成了圆柱外形的滚棒，保持架也做了相应的改变。滚棒轴承的摩擦阻力要更大，但是要结实得多，适合载荷特别大的地方。它由于润滑失效而发生的破损，是AL31F发动机抱轴、断轴的主要原因

 

上面两张图均为AL-31F发动机断轴事故中的转子间轴承，注意它的一系列严重破损现象：

 

1、滚棒，出现严重的烧结、剥落、挤压变形、破裂、磨损。

2、保持架，出现严重的磨损变形、裂纹、断裂。

3、内外钢套，严重挤压变形、断裂、滚道严重剥落、

 

这个转子间轴承，内圈装在低压涡轮轴的颈部，外圈装在高压涡轮的前缘——换句话说，高压转子保持在正确的位置旋转，也很大一部分是依靠这个轴承才能实现的。

 

在这个轴承烧坏以后，高压转子的涡轮盘就会掉下来，直接压在低压涡轮轴上。由于高压转子的转速比低压转子要快得多，两者就会形成硬磨。轻则引起发动机主轴抱死停车，重则由于剧烈的摩擦，低压涡轮轴的温度急剧上升而强度急剧下降，最后在高速旋转中被拧断然后抱死。

图：一起程度较轻的转子间轴承破损，幸亏发现的早，没有形成较大的损失

图：AL31F另一部位轴承破损以后形成的金属碎屑

 

5：为什么AL31-F发动机的转子间轴承，润滑可靠性很差？

 

 

图：红箭头所指是轴承，蓝箭头所指是润滑油的喷嘴

 

上图是一个比较典型的航空发动机轴承润滑设计示意。注意其中最关键的一点：喷射润滑油的喷嘴，被安装在非常抵近轴承的位置；会直接把高压力、大流量的润滑油，高速喷注到轴承的滚珠/滚棒上。

 

侧面喷油给轴承，一定要有足够的压力、速度、流量，滑油的喷流才能可靠的穿透油气涡流、进入轴承内部，确保轴承能吃到油、吃饱油。因为从侧面对轴承进行润滑，存在一个不利因素：

 

当轴承以万转以上的高速进行旋转时，轴承的保持架和滚棒会在自身附近卷起油气混合的涡流——而且这个涡流很强，喷射过来的油流如果不够有力，大部分直接就被吹散到外面了。

图：国外某航发轴承附近，润滑油的结焦痕迹

 

大流量的润滑油有两个非常重要的作用。除了油液本身减少摩擦阻力外，它还要迅速带走很大一部分轴承在高速旋转摩擦中产生的热量。如果润滑油的流量和压力不够，就很容易烧干结焦，导致轴承的旋转精度被破坏，阻力、振动迅速增大，进而快速破损。

图：图片出自公开出版书籍《中航工业首席专家技术丛书——航空发动机机械系统常见故障》，为国产某型发动机3号轴承故障照片。注意图中滑油的喷嘴是安装在固定结构上的；而AL31F的转子间轴承，不具备此类喷油机构的安装条件

 

这种端面喷射供油并不是给轴承润滑的唯一方式，但不论是哪一种设计，想方设法抵近滚珠/滚棒喷油，保证润滑过程的直接、强力、高效，才是航发轴承润滑实现高可靠性的关键所在。

图：某型客机发动机的滑油系统示意图，它的核心工作就是对发动机主轴的轴承进行润滑和冷却

 

在AL31F发动机中，转子间轴承，不论内圈和外圈，连接的都是高速旋转的部件，没有办法安装固定的滑油喷嘴。在无法直接喷油进行润滑、冷却的限制下，AL31F发动机只能退而求其次：

润滑油先是喷射到低压涡轮轴内部，然后通过涡轮轴的高速旋转，把油液从左右两侧甩向轴承。这些滑油，无论是流量、速度、压力，都不能形成可靠的润滑和冷却效果。这就是AL31F发动机在很长时间内，润滑可靠性一直存在致命缺陷的关键原因。

 

根据《三型发动机》一书中公开的信息，在2015-2016年中，AL31F已经尝试改用环下供油等新设计，轴承也强化了滑油的驻留能力；对于断轴这一故障，在长期试车和前期试用中取得了较好的改善效果。

图：AL31F发动机的润滑缺陷，使它对一些特殊机动动作很敏感，总的累计时间不允许过长

 

环下供油，是航发上另一种常用的设计。它直接在轴承的内圈上开供油孔，让润滑油从内而外的对轴承进行润滑和散热。

 

这种供油方式最大的特点是，它避开了轴承高速旋转的油气涡流，借助高速旋转的离心运动趋势，可以让润滑油非常顺畅自然的、从内而外流过轴承的大部分区域。

图：一种环下供油的简单原理示意图

图：另一种环下供油的简单原理示意，箭头的走向代表润滑油流

 

这种环下供油的效果要更好、更可靠，对供油压力的要求也低不少。但传统上认为，环下供油需要安排更大的更大的轴承密封腔空间、滑油结构也更复杂；因此这种设计的实现对技术能力要求较高，此前主要是美英法在使用。

 

俄国真正掌握这一技术很晚，主要是通过SAM146等跨国项目合作中，从法国获取的。在AL31F原有轴系设计的限制下，全新设计的转子间润滑系统，最终能取得多大的改善，这就要等未来新的公开资料才能得到明确结论了。

 

中国战斗机发动机的环下供油技术，源于对CFM56发动机的逆向研究。但是根据《中航工业首席专家技术丛书——航空发动机机械系统常见故障》的情况来看，至少早期批次的产品上，润滑效果和可靠性不能与原设计相比

，因此又不得不在关键轴承的两侧同时加装滑油喷嘴，需要两套不同的润滑机构同时保障关键轴承的可靠性。

 

结语：AL31F设计缺陷的成因

 

AL-31F上长期存在的致命润滑缺陷，实际上是多种因素交织的产物。

 

首先的问题就是苏联在航发水平严重不足的基础上，提出了超越自身的性能（推力、重量）要求。因此牺牲寿命、可靠性、维护性等其它方面的性能，就成了无法绕开的选择。

 

其次在军事管制经济体制下，一切经济建设成果都是为了供养军事力量建设，苏联对装备的成本完全失去了敏感性。

 

因此在三代机的规划中，苏联针对发动机可靠性差的长期问题，选择的应对方针不是提升新一代发动机的可靠性，而是强调三代机方案一律选择双发设计，提升飞行性能和单发失去动力时的安全性。

 

在这种背景下，设计人员一方面承受着巨大的减重任务压力，一方面在发动机的可靠性上又有比较宽松的让步余地，舍可靠性而选择重量最轻的方案，就成为了必然的结果。