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        PW4077風(fēng)扇葉片斷裂引發(fā)的重大故障簡析

        2021-11-07 13:20:44陳光
        航空動力 2021年5期
        關(guān)鍵詞:裂紋飛機發(fā)動機

        ■ 陳光

        近年來,以PW4077為動力的波音777-200飛機連續(xù)發(fā)生風(fēng)扇葉片斷裂的安全事故,引發(fā)美國聯(lián)邦航空局(FAA)的關(guān)注,要求對進(jìn)氣道與風(fēng)扇整流罩重新進(jìn)行設(shè)計與評估,縮短風(fēng)扇葉片裂紋檢查周期并加強人員培訓(xùn)。

        美國聯(lián)合航空公司的一架波音777-200客機于2021年2月20日執(zhí)行由丹佛飛往夏威夷的UA328航班任務(wù),在起飛約4min爬升到3800m高度時,機上人員聽到一聲巨響,隨后飛機出現(xiàn)極大的振動。機上乘客從舷窗向外看時,發(fā)現(xiàn)右側(cè)發(fā)動進(jìn)氣道與風(fēng)扇整流罩全部脫落,暴露在外的發(fā)動機后部燃起大火,如圖1所示。飛行員隨即打開滅火系統(tǒng),將火撲滅,并用左側(cè)發(fā)動機將客機平安降落在起飛機場。該飛機從起飛到著陸歷時24min,所幸沒有人員傷亡,此次事故稱為UA328事件。

        圖1 燃燒著的發(fā)動機

        機場人員對著陸后的飛機進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)發(fā)動機的進(jìn)氣道、風(fēng)扇整流罩全部脫落。一個風(fēng)扇葉片的近葉根處發(fā)生斷裂,緊鄰的一個葉片在中部產(chǎn)生斷裂。風(fēng)扇所有葉片的葉尖及前緣均有傷痕,一個風(fēng)扇葉片斷片卡在包容環(huán)中。包容環(huán)布滿傷痕,但仍保持著圓形。發(fā)動機側(cè)面顯示有燃燒過的痕跡,如圖2所示。飛機機身也有多處外物打傷的痕跡。

        圖2 發(fā)動機后部被火燒過

        脫落的部件基本都在地面被發(fā)現(xiàn)。碩大的進(jìn)氣道(外徑近3.5m)墜落于一處居民小院中,除一個斷口外基本完整,如圖3(a)所示;整流罩的十幾個斷片在多處被發(fā)現(xiàn),如圖3(b)所示。

        圖3 丟失的部件

        發(fā)動機簡介及故障調(diào)查

        PW4077發(fā)動機是美國普惠公司研制的PW4000發(fā)動機中的第三個系列,其風(fēng)扇直徑為2.84m,裝有22個由鈦合金制成的空心寬弦風(fēng)扇葉片,是普惠公司第一次采用空心風(fēng)扇葉片的發(fā)動機。風(fēng)扇葉片長103cm, 葉尖處的寬度為56.5cm,葉根處的寬度為31.75cm,每片葉片的質(zhì)量為15.81kg。飛機的動力裝置由進(jìn)氣道、風(fēng)扇整流罩、發(fā)動機與反推裝置組成,如圖4所示。

        圖4 PW4077發(fā)動機

        事故調(diào)查人員對葉根處折斷的風(fēng)扇葉片的斷口做了金相分析,發(fā)現(xiàn)斷口處存在低循環(huán)疲勞條帶,而葉身中部斷裂葉片斷口的金相分析則未發(fā)現(xiàn)疲勞條帶,確定該處屬于大負(fù)荷作用下的斷裂。因此,可以推測這次重大故障的根源是由風(fēng)扇葉片靠近葉根處的低循環(huán)疲勞造成的。

        由以上情況可以大致分析出故障發(fā)展過程:在飛機爬升過程中,發(fā)動機處于最大轉(zhuǎn)速下,突然一個葉片在靠近葉根處斷裂,斷片在極大的離心力作用下甩向包容環(huán),被包容環(huán)包住,并斷成幾塊,其中一塊卡在包容環(huán)中;發(fā)動機隨即發(fā)生喘振,喘振引起的氣流回流將另一塊斷片沖出發(fā)動機,對飛機的某些地方造成損傷,同時對進(jìn)氣道與發(fā)動機包容環(huán)的連接處產(chǎn)生了極大的沖擊載荷;當(dāng)葉片甩離輪盤時,風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的平衡遭到破壞,引起發(fā)動機極大的振動,除對所有風(fēng)扇葉片與包容環(huán)接觸產(chǎn)生刮蹭外,還對進(jìn)氣道與風(fēng)扇整流罩作用了過大的載荷;最終造成進(jìn)氣道脫離發(fā)動機,風(fēng)扇整流罩?jǐn)嗔殉啥鄩K甩出發(fā)動機,其中有些斷塊還對飛機造成一定的損傷;同時,過大的振動還造成發(fā)動機外部一些導(dǎo)管破裂,使部分燃油與液壓油外泄,引起燃燒。

        另兩起類似故障

        在此事故發(fā)生前,還發(fā)生過兩起類似的故障,如圖5所示。2020年12月4日,日本航空公司的一架波音777-200客機執(zhí)行由沖繩飛往東京的JL904航班任務(wù),當(dāng)飛機由沖繩起飛爬升至5000m高度時,發(fā)生了風(fēng)扇葉片斷裂引發(fā)的重大故障(一側(cè)的風(fēng)扇整流罩丟失),即JL904事件。2018年2月13日,一架美國聯(lián)合航空公司的波音777-200客機,執(zhí)行由舊金山飛往夏威夷的UA1175航班任務(wù)時,當(dāng)飛機還在太平洋上空距夏威夷還有223km時,發(fā)生了風(fēng)扇葉片斷裂引發(fā)的重大故障,飛機進(jìn)氣道大部分脫落,風(fēng)扇整流罩全部脫落,即UA1175事件。

        圖5 兩起風(fēng)扇葉片斷裂引發(fā)的重大故障

        在這兩起事件中,風(fēng)扇葉片斷裂情況與斷口疲勞裂紋所處位置與UA328事件基本一致,如圖6所示,表明3起事件均由風(fēng)扇葉片疲勞斷裂引起的。

        圖6 風(fēng)扇葉片斷裂情況與斷口疲勞裂紋所處位置

        發(fā)生故障的飛機與發(fā)動機,累計的工作時間均較長。以UA1175事件為例,其飛機生產(chǎn)于1995年,至事發(fā)時已累計工作89723h/16339循環(huán);其發(fā)動機從裝機開始,已累計工作77593h/13921循環(huán),從最后一次翻修到事發(fā),已工作8579 h/1464循環(huán)。

        故障原因簡析

        由于風(fēng)扇葉片屬無壽命限制的零件,為了探測使用時間較長的空心葉片的芯部結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)初始裂紋,普惠公司于2005年發(fā)展了一種熱聲成像檢測(TAI)技術(shù),以檢測葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)裂紋,據(jù)稱該技術(shù)的檢查效果大致可以滿足需求。但普惠公司并沒有對此制定一套規(guī)范的培訓(xùn)流程和技術(shù)驗證規(guī)范,導(dǎo)致部分機務(wù)人員無法正確判斷風(fēng)扇葉片裂紋的情況,最終導(dǎo)致這3起風(fēng)扇葉片的空中斷裂事故。

        此外,發(fā)動機取證時通過了嚴(yán)苛的風(fēng)扇葉片包容試驗,即使在使用中出現(xiàn)風(fēng)扇葉片斷裂故障,這3起事故中的嚴(yán)重情形也不應(yīng)發(fā)生。究其原因,在于取證試驗中有兩點與實際情況嚴(yán)重不符:一是取證時所用的進(jìn)氣道后加強筋環(huán)采用了鋁合金,而在飛機上實際使用的卻是復(fù)合材料,兩種材料的力學(xué)性能差異較大,在極大的振動條件下,加之風(fēng)扇葉片斷片在向前沖擊過程中對加強筋環(huán)的沖擊載荷,使其斷裂破損,導(dǎo)致進(jìn)氣道整體或局部脫離發(fā)動機;二是取證試驗時,由波音公司設(shè)計制造的風(fēng)扇整流罩沒有裝到發(fā)動機上,因此整流罩沒有經(jīng)過嚴(yán)苛條件下的考驗。除此之外,據(jù)波音公司稱,由復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)制成的整流罩在長期使用中吸收了空氣中的水,材質(zhì)性能變差,在發(fā)動機過大振動作用下易于受損,這也是發(fā)生如此嚴(yán)重故障的誘因之一。

        結(jié)束語

        在發(fā)生這3起事故后,美國聯(lián)邦航空局(FAA)要求波音公司對發(fā)動機的進(jìn)氣道與風(fēng)扇整流罩進(jìn)行重新設(shè)計、評估,并采取相應(yīng)措施。對于普惠公司,F(xiàn)AA對其要求縮短TAI檢查的間隔,并加強對維修人員有關(guān)TAI操作的培訓(xùn)。

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