GEnx發(fā)動機(jī)的故障分析

■ 陳光

GEnx發(fā)動機(jī)在不到8年的服役時間里，較為嚴(yán)重的故障時有發(fā)生。通過對這些故障的分析，可以使我們更深刻地認(rèn)識到航空發(fā)動機(jī)研制的復(fù)雜性，也可算是提供一些前車之鑒。

在GE90 的基礎(chǔ)上，GE 公司為波音787“夢想飛機(jī)”和波音747-8“洲際飛機(jī)”研制了新一代高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)GEnx。由于采用了更高的涵道比(10.0)和更高的總壓比(45.0)，以及最新發(fā)展的一些先進(jìn)技術(shù)，GEnx 發(fā)動機(jī)兼具低油耗、低污染和低噪聲的特點。其巡航耗油率比用于空客A330 的CF6-80E1A4（1990年投入使用）低15.4%，比用于波 音777 的GE90-94B（1995年投入使用）低6.9%。

錐形齒輪共振造成空中停車事件

2016年8月6日，捷星航空公司（Jetstar Airways）的一架波音787執(zhí)行從日本東京飛往澳大利亞黃金海灣的JQ12航班任務(wù)，機(jī)上有乘客309人、機(jī)組成員9人。在飛行2h后，飛機(jī)的發(fā)動機(jī)指示與機(jī)組報警系統(tǒng)（EICAS）顯示右發(fā)2號發(fā)電機(jī)（每臺發(fā)動機(jī)裝有兩臺交流發(fā)電機(jī)）出現(xiàn)故障，機(jī)組立即斷開此發(fā)電機(jī)與附件傳動機(jī)匣（AGB）的連接，同時起動了輔助動力裝置（APU）向飛機(jī)供電系統(tǒng)供電。約30min后，在看到右發(fā)滑油油量低和油壓低的指示后，飛行員將右發(fā)關(guān)停，然后將飛機(jī)用左發(fā)飛到距離370 km的關(guān)島機(jī)場，飛機(jī)安全著陸，無人員傷亡，這次事件被定義為一次空中停車事件。

當(dāng)打開發(fā)動機(jī)短艙后，檢修人員發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)下部集有大量滑油，在滑油管路中發(fā)現(xiàn)大量金屬屑末，發(fā)動機(jī)被拆下并送回GE公司進(jìn)行檢查。檢查人員通過滑油屑末檢測器記錄發(fā)現(xiàn)，飛行1h后屑末探測器開始記錄屑末數(shù)，當(dāng)飛行員斷開右發(fā)2號發(fā)電機(jī)時有7個屑末，過了42min后，有8個屑末，并發(fā)出右發(fā)屑末過多的警示，再過4min后屑末達(dá)到11個且滑油大量泄漏。EICAS發(fā)出警示，飛行員關(guān)掉故障發(fā)動機(jī)。

在大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的附件傳動系統(tǒng)中，中央傳動部分（IGB）通過傳動桿將扭矩傳到換向齒輪箱（TGB）中的主動錐形齒輪（錐齒），通過從動錐齒換向后由水平傳動桿 將扭矩傳到附件傳動機(jī)匣中。這次故障就是換向齒輪箱中的主動錐齒（或稱傘齒輪）發(fā)生共振引起的。在檢測中，維修人員發(fā)現(xiàn)TGB破裂，其中的錐齒損壞，如圖1所示；滑油濾被金屬屑末堵滿，滑油屑末探測器（又稱磁堵）上吸滿金屬屑末，如圖2所示。

圖1 換向齒輪箱與錐齒受損情況

圖2 吸滿屑末的磁堵與被屑末堵住的油濾

與一般正齒輪相比，錐齒做得較厚實，通常不容易出現(xiàn)共振引發(fā)的故障。盡管如此，并不能排除在某些特定情況下，出現(xiàn)共振造成嚴(yán)重后果的事件。

捷星航空這次錐齒共振造成空中停車事件并不是GEnx發(fā)動機(jī)的第一次——在此之前己出現(xiàn)過7次，相比之下，GE90發(fā)動機(jī)在投入運(yùn)行的20年中，由于不同故障造成的空中停車事件僅4次，由此可以看出錐齒共振的嚴(yán)重性。早在捷星事件前5個月，即2016年3月31日，GE公司發(fā)布了SB72-0298 服務(wù)通告，指出TGB中的主動錐齒會出現(xiàn)共振，共振會引起錐齒斷裂，引發(fā)滑油泄漏并造成空中停車。為此，GE公司對錐齒進(jìn)行了改型，即在錐齒上加裝1個減振環(huán)，以減輕共振時的破壞力。

該通告列出了換用改型錐齒的時間表（以2016年3月31日為起點），表中規(guī)定：換向齒輪箱從開始使用起，當(dāng)累計的循環(huán)數(shù)（CSN）為300時，在1年內(nèi)更換；CSN為300～1000時，10個月內(nèi)更換；CSN＞1000時，8個月內(nèi)更換。而此次出事的TGB的CSN僅為181，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在1年后更換的要求。這說明，在出現(xiàn)第一次事件后，GE公司就應(yīng)該對外場的發(fā)動機(jī)更換改進(jìn)的錐齒，而不是用幾個月到1年的時間逐步更換。并且，發(fā)生故障的錐齒是裝在發(fā)動機(jī)外的TGB中，更換錐齒時不需要下發(fā)，可在翼更換。如果及時處置，這8起錐齒共振引發(fā)的故障完全可以避免。

低壓渦輪軸斷裂造成發(fā)動機(jī)包容故障

2012年7月28日，即將交付給印度航空公司的一架波音787飛機(jī)在做地面滑行試驗時，所配裝的GEnx發(fā)動機(jī)發(fā)生了一起嚴(yán)重的包容故障，發(fā)動機(jī)中損壞的碎片由尾噴口軸向噴出，對機(jī)翼與機(jī)體下部造成了小的碰傷與灼傷。經(jīng)檢查，這是一起斷軸故障，即低壓渦輪軸，也稱作“風(fēng)扇中間軸”（FMS），從前端緊固螺栓的螺紋根部處斷裂，如圖3所示。由于GEnx發(fā)動機(jī)裝有防止低壓渦輪軸斷裂后不會引起渦輪盤超轉(zhuǎn)的措施，所以渦輪盤未破裂，而是在渦輪軸向氣動力作用下，渦輪轉(zhuǎn)子向后竄移，工作葉片與導(dǎo)向葉片相碰撞，造成一些葉片破裂，斷片隨噴氣流軸向甩出發(fā)動機(jī)。緊固低壓渦輪軸與風(fēng)扇軸的緊固大螺帽和墊圈仍殘留在低壓渦輪軸前端。圖4所示為低壓渦輪軸的斷口，可以明顯看出無疲勞條帶。斷口顯示出有兩種故障模式：一是逐漸開裂，二是瞬斷。表面上85%處顏色有異樣，表明曾較長時間暴露在外部環(huán)境下，是逐漸開裂的，其余是在大應(yīng)力下突然斷裂，這說明軸是先開裂，最后在大應(yīng)力作用下瞬斷的。

圖3 低壓渦輪軸與風(fēng)扇軸連接處結(jié)構(gòu)

圖4 低壓渦輪軸斷裂處的斷口

這次事件中的發(fā)動機(jī)僅工作了18h16min，其中臺架試車9h21min,裝在飛機(jī)上后在地面工作 8h55min，在這么短時間內(nèi)出現(xiàn)斷軸事件，實屬罕見。據(jù)GE公司統(tǒng)計，在過去的10年中，GE公司與CFM國際公司約有2.5萬臺發(fā)動機(jī)在使用，累計飛行約6億小時，只出現(xiàn)過6次斷軸事件。

在此事件發(fā)生6周后，即2012年9月17日，一架俄羅斯空橋貨運(yùn)公司的波音747-8貨機(jī)從上海起飛后，其中1臺GEnx發(fā)動機(jī)出現(xiàn)了低壓渦輪軸斷裂的包容故障，與上述故障一致，造成發(fā)動機(jī)空中停車，飛機(jī)在其他3臺發(fā)動機(jī)工作下安全返回機(jī)場。

經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)，斷軸是螺紋件的涂料不合適造成的。GE公司以往在受力較大的螺紋上，涂有一薄層鉛基的干膜潤滑劑MolyDag 254，為了易于裝配，在螺紋上涂有發(fā)動機(jī)用的合成滑油與油脂。但在GEnx發(fā)動機(jī)中，換用了一種不含鉛的新干膜潤滑劑Everlube 9002，裝配時用了石墨脂。試驗證明，采用Everlube 9002干膜潤滑劑是發(fā)生這次故障的原因。

隨后，GE公司發(fā)展了一種用超聲掃描檢測低壓渦輪軸螺紋處是否有裂紋的方法，對所有使用中的以及庫存中的GEnx發(fā)動機(jī)的低壓渦輪軸進(jìn)行了檢測，確實發(fā)現(xiàn)了1臺發(fā)動機(jī)的低壓渦輪軸在螺紋后端處有類似的裂縫。這臺發(fā)動機(jī)雖然已裝到1架波音787-8飛機(jī)上，但還沒有進(jìn)行飛行，由此避免了一次可能的重大故障。

此后，美國國家運(yùn)輸安全委員會（NTSB）向美國聯(lián)邦航空局（FAA）發(fā)布了緊急建議：發(fā)布適航指令，要求對于那些尚未用超聲檢查過低壓渦輪軸的GEnx發(fā)動機(jī)在下次飛行前，均須對低壓渦輪軸進(jìn)行超聲掃描檢查；用戶應(yīng)經(jīng)常對該軸進(jìn)行檢查，以查明是否存在快達(dá)到臨界長度的裂紋。為此，F(xiàn)AA發(fā)布了AD-2012-19-08適航指令，要求對低壓渦輪軸重復(fù)進(jìn)行超聲波檢查，以確定軸上是否有裂紋存在。

GE公司停止使用Everlube 9002及石墨脂，改回到以前用的MolyDag 254及合成滑油。根據(jù)FAA適航指令的要求，每工作100h要對該軸進(jìn)行超聲波檢查。

高空飛行中冰晶在發(fā)動機(jī)內(nèi)結(jié)冰

2013年年底，GE公司公布GEnx發(fā)動機(jī)在當(dāng)年發(fā)生過9次高空吸入冰晶（ice crystal）引起推力損失事件。這9次事件均發(fā)生在熱帶及亞熱帶的12000m左右高空，空氣清潔無云也不在雷暴區(qū)內(nèi)，不僅飛行員看不出大氣中有冰晶存在，連氣象雷達(dá)也無法探測到。

在鄰近雷暴區(qū)的上空，有時大氣溫度會突然上升，使空氣變潮，其中的水在-40～-30℃的氣溫下，形成微小的冰晶。高空中的冰晶大小與面粉顆粒相當(dāng)，其直徑約為40μm，通常在強(qiáng)烈的對流雷暴區(qū)附近形成，強(qiáng)烈的對流雷暴區(qū)面積相當(dāng)大，直徑約為645km。美國國家航空航天局（NASA）稱，冰晶會從主風(fēng)暴區(qū)飄移到56km以外。

通常，飛機(jī)穿過雷雨區(qū)時，雨水撞擊到溫度較低的飛機(jī)表面上，會立即在飛機(jī)表面結(jié)冰，可是冰晶在發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)冰的過程與之不同。當(dāng)冰晶吸入發(fā)動機(jī)核心機(jī)后，撞擊到溫度較高的高壓壓氣機(jī)后幾級靜子葉片時冰晶融化，融化后的水在隨后流入的冷空氣作用下，在靜子葉片周邊結(jié)成冰層，如圖5所示。靜子葉片結(jié)冰會堵塞氣流通道，影響壓氣機(jī)及發(fā)動機(jī)的正常工作，推力會短時下降，約20s后推力恢復(fù)到原值，有時還會引起發(fā)動機(jī)喘振；另外，冰塊從葉片上脫落后，會對其后的工作葉片、燃燒室甚至渦輪葉片造成二次損傷。

2013年7月31日，俄羅斯空橋貨運(yùn)公司（Air Bridge Cargo）的一架波音747-8HVF貨機(jī)執(zhí)行莫斯科—香港—芝加哥任務(wù)。途經(jīng)成都附近上空約12000m高度時，在黑夜中為避開雷暴區(qū)而繞行，卻誤入看不出的且氣象雷達(dá)也未發(fā)現(xiàn)的含有冰晶的空域?？諝鉁囟仍?6s內(nèi)上升了20℃，飛機(jī)在這一“高溫區(qū)”飛行了約20min。發(fā)動機(jī)吸入冰晶造成發(fā)動機(jī)核心機(jī)結(jié)冰，引起2號發(fā)動機(jī)喘振停車，但隨后發(fā)動機(jī)重新起動，推力恢復(fù)到原值；1號發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降70%且未恢復(fù)到原值。飛機(jī)到香港降落后，維修人員對4臺發(fā)動機(jī)進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)1、2與4號發(fā)動機(jī)第8、第9級高壓壓氣機(jī)中均有多片葉片被冰塊打壞。這是一次比較典型的高空吸入冰晶造成發(fā)動機(jī)出現(xiàn)損傷的事件。

圖5 冰晶在高壓壓氣機(jī)靜子葉片上融化后結(jié)成的冰層

圖6 GEnx設(shè)在增壓壓氣機(jī)后的可調(diào)放氣閥

2013年11月22日，波音公司發(fā)布安全警告，稱由于GEnx發(fā)動機(jī)存在冰晶結(jié)冰風(fēng)險，建議波音747-8和波音787兩款飛機(jī)在飛行時避免靠近雷暴區(qū)。聲明稱，為了減少結(jié)冰，建議飛行員在駕駛航班時應(yīng)與雷暴區(qū)最少保持92.5km的距離。隨后，F(xiàn)AA正式警告運(yùn)營配裝GEnx發(fā)動機(jī)的波音747-8和波音787飛機(jī)的運(yùn)營商避免進(jìn)入冰晶結(jié)冰區(qū)域，F(xiàn)AA還命令GEnx發(fā)動機(jī)運(yùn)營商檢查所有進(jìn)入結(jié)冰區(qū)的發(fā)動機(jī)。

為此，GE公司提出了一項針對發(fā)動機(jī)全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級的措施，如圖6所示。新的軟件能夠探測出移向發(fā)動機(jī)核心機(jī)的冰晶，一旦有冰晶進(jìn)入發(fā)動機(jī)，F(xiàn)ADEC將命令位于增壓級后的可調(diào)節(jié)放氣閥打開，以便將冰晶排到外涵道，不會對發(fā)動機(jī)核心機(jī)有影響。此項改進(jìn)在2014年3月完成。大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)在增壓級后轉(zhuǎn)彎處，大都裝有可調(diào)節(jié)的放氣閥，起飛時打開，將可能進(jìn)入發(fā)動機(jī)核心的沙石冰塊等甩到外涵，起飛后此閥門關(guān)閉，GE公司利用此閥門來放出冰晶。羅羅公司最新的遄達(dá)XWB發(fā)動機(jī)當(dāng)探測到可能有冰晶時，會向分流環(huán)內(nèi)通入可控的熱空氣，將進(jìn)入核心機(jī)的冰晶融化，如圖7所示。

風(fēng)扇葉片脫落冰塊造成空中停車

2016年1月29日，一架日本航空公司（JAL）的波音787執(zhí)飛溫哥華至東京的JL17航班任務(wù)，在距成田機(jī)場約160km，高度降低至有結(jié)冰條件的6080m高度時，2號發(fā)動機(jī)突然停車，且無法再次起動。隨后，飛行員用單發(fā)將客機(jī)安全降落在成田機(jī)場，無人員在此事件中傷亡。經(jīng)檢查分析，飛機(jī)穿過6080m時風(fēng)扇葉片開始結(jié)冰，當(dāng)葉片上的冰塊較厚而脫落時，造成風(fēng)扇轉(zhuǎn)子不平衡，葉尖與機(jī)匣內(nèi)的耐磨層刮蹭，引起極大的振動，使發(fā)動機(jī)多處受損，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停車且無法再次起動。

裝在這架飛機(jī)上的兩臺發(fā)動機(jī)中，2號發(fā)動機(jī)是GEnx-1B PIP 2，而1號發(fā)動機(jī)是GEnx-1B PIP 1，PIP 2是在PIP 1的基礎(chǔ)上減小風(fēng)扇葉尖間隙等降低油耗的性能提高型。由于風(fēng)扇葉尖間隙減小，引起在結(jié)冰條件下2號發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉尖與機(jī)匣刮蹭，最終造成空中停車。而在相同飛行結(jié)冰條件下，1號發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片也有結(jié)冰，但冰塊脫落后未造成葉尖與機(jī)匣相刮蹭，發(fā)動機(jī)中只有微小的損傷而沒有空中停車。這次空中停車事件說明是由于風(fēng)扇葉尖間隙過小造成的，而且也說明PIP 2的提高性能的改型是不成功的。

考慮到如果JAL這次事件的飛機(jī)上裝有兩臺PIP 2可能會造成雙發(fā)停車，因此，F(xiàn)AA在3月份頒發(fā)了緊急適航指令，要求GE公司盡快對PIP2采取措施消除隱患，并且裝有兩臺PIP 2的波音787須在9月底前完成發(fā)動機(jī)的修復(fù)。

3月11日，GE公司發(fā)布了一份服務(wù)通告，宣稱將采取用專用磨具磨削掉2.54mm厚度的風(fēng)扇機(jī)匣內(nèi)與風(fēng)扇葉尖對應(yīng)的耐磨層金屬，以此來增加葉尖間隙。每修復(fù)一個風(fēng)扇機(jī)匣需用時16h，修理時無須從飛機(jī)上下發(fā)，這樣不會對航空公司的飛行計劃造成大的麻煩。GE公司宣稱，按FAA的指令在10月1日前完成所有裝兩臺PIP 2發(fā)動機(jī)的波音787中的一臺發(fā)動機(jī)修復(fù)工作，即從10月1日起，就沒有裝兩臺PIP 2的波音787飛機(jī)了。4月22日，F(xiàn)AA又頒布了一項于5月9日生效的適航指令，要求波音公司修改波音787飛機(jī)飛行手冊，加入新的如何處理風(fēng)扇結(jié)冰的程序，以減少風(fēng)扇冰塊脫落帶來損壞發(fā)動機(jī)的可能性。即在3800m飛行高度以上時，飛行員如果懷疑風(fēng)扇結(jié)冰或指示燈指示結(jié)冰時，要求飛行員每5min一次、短暫地增加發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，即將油門推到最大時的85%，以避免冰在風(fēng)扇葉片上積累過多。

圖7 遄達(dá)XWB分流環(huán)引入熱空氣

結(jié)束語

波音787“夢想飛機(jī)”的GEnx發(fā)動機(jī)于2011年年底投入使用，在不到8年的時間內(nèi)，出現(xiàn)了文中所述的幾個影響較大的故障。一方面說明，航空發(fā)動機(jī)工作條件十分惡劣，在工作中會遇到各種挑戰(zhàn)，稍有不慎，就會出問題；另一方面再次證明，在研制發(fā)動機(jī)時，要處理好性能與可靠性之間的矛盾，不能僅僅從提高性能方面考慮，GEnx發(fā)動機(jī)從PIP 1升級到PIP 2所遇到的風(fēng)扇葉片冰塊脫落造成空中停車的事件，就充分說明了這一點。