遄達1000幾起嚴重故障帶來的啟示

■ 陳 光 / 北京航空航天大學

遄達1000是羅羅公司為波音 787 “夢想飛機”研制的高涵道比（11）、高總壓比（51）、低油耗、低污染及低噪聲的新一代發(fā)動機，是遄達系列發(fā)動機中較新的型號。為了滿足 21 世紀綠色航空的要求，它不僅繼承并發(fā)展了遄達系列發(fā)動機的設計，吸取了其研制與使用中的經(jīng)驗與教訓，而且還采用了一些最新發(fā)展的先進技術。具備良好的設計基礎及諸多先進技術的遄達1000發(fā)動機，在取得適航證之前及使用中卻一度嚴重故障頻發(fā)，其中一些經(jīng)驗和教訓值得借鑒。

在波音公司于2004年4月6日宣布選用GE公司的GEnx與羅羅公司的遄達1000作為波音787的動力后，羅羅公司開始了遄達1000的研制工作。2006年2月14日，首臺遄達1000 進行了地面臺架試車，2007年6月18日完成了飛行臺的飛行試驗，2007年8月7日同時取得美國聯(lián)邦航空局（FAA）與歐洲航空安全局（EASA）的適航證。2011年10月26日，遄達1000安裝在日本全日空（ANA）航空公司的波音787上進行了首次商業(yè)飛行，如圖1所示。

遄達 1000由單級風扇、8級中壓壓氣機、6級高壓壓氣機、單級高壓渦輪、單級中壓渦輪與 6級低壓渦輪組成，如圖2所示。為滿足3種型號的波音787系列飛機的推力要求并考慮飛機今后發(fā)展的需要，發(fā)動機設計推力為 236～370kN。

遄達1000雖由遄達系列型號衍生發(fā)展而來的，具有良好的發(fā)展基礎，但在取得適航證之前及使用中，卻發(fā)生了多起嚴重故障，其中的經(jīng)驗與教訓值得借鑒。

圖1 ANA配裝遄達1000的波音787飛機

圖2 遄達1000發(fā)動機結構剖視圖

中壓轉子聯(lián)軸器失效造成非包容性故障

2010年8月2日，遄達1000在羅羅公司的室內(nèi)58號試車臺試車時，由于發(fā)動機內(nèi)部滑油燃燒，造成中壓渦輪輪盤非包容性嚴重故障，輪盤斷塊擊穿機匣，打壞了臺架的一些設備。3個多月后，同樣由于發(fā)動機內(nèi)部滑油燃燒造成中壓渦輪輪盤非包容故障發(fā)生在空客A380的遄達900上。當時，該飛機共載有466人由新加坡飛往悉尼，破裂的多個輪盤斷塊擊穿機匣，打壞了飛機許多構件、管道與導線，在飛行員的精心操縱下，這架嚴重受損的飛機得以安全著陸，這就是航空史上有名的QF32航班事件。

遄達1000是在遄達900的基礎上衍生而來的，這兩型發(fā)動機在同一時間內(nèi)發(fā)生了同樣的嚴重故障，這在航空史上實屬罕見。事后羅羅公司發(fā)表聲明宣稱，雖然兩起故障后果相同，但起因各異。遄達900是由于一個滑油短管制造不佳，導致管壁厚度不均，最薄處僅0.35mm（設計值為0.91mm），工作一段時間后疲勞斷裂，滑油由裂縫處噴出，在高溫氣體的作用下自燃。燃燒的高溫火焰使中壓渦輪盤后的承力環(huán)與中壓渦輪軸連接處（如圖3所示）失去強度而斷開。中壓渦輪與中壓壓氣機斷開后，中壓渦輪在高溫燃氣的作用下，轉速迅速上升達到飛轉，輪盤在極大的轉速下破裂，斷塊則在極大的離心力作用下?lián)舸C匣甩離發(fā)動機。對于遄達1000的故障原因，羅羅公司開始并未做出更多的說明，由于它還未投入航線使用，因而適航部門并未介入對此事件的調(diào)查。

恰在此時，F(xiàn)AA準備批準一個關于A380的遄達900中壓轉子剛性聯(lián)軸器的適航指令指出，在分解遄達900時，發(fā)現(xiàn)多臺發(fā)動機中壓轉子剛性聯(lián)軸器（中壓渦輪軸與中壓壓氣機后軸連接處）的套齒端面的磨損量超出規(guī)定值。羅羅公司這時才承認，遄達1000的故障也是由于剛性聯(lián)軸器套齒端面磨損量過大引發(fā)滑油自燃造成的。

剛性聯(lián)軸器套齒端面磨損量過大會使中壓渦輪轉子后移，而移動量過大會使軸承腔兩端封嚴篦齒的轉子、靜子間錯開，使兩端篦齒封嚴均失效，造成高溫氣體由前篦齒處竄入軸承腔，使腔中滑油在高溫下自燃，燃燒后的高溫燃氣由后封嚴處逸出，使中壓輪盤后的承力環(huán)與中壓渦輪軸連接處失去強度而斷開，隨后就與遄達900一樣，中壓渦輪飛轉，輪盤破裂，斷塊在極大的離心力作用下?lián)舸C匣，打壞試車間的設備。與遄達900一樣，遄達1000在中壓轉子上也沒有安裝防止軸斷后使中壓渦輪不會超轉的安全設計。

一般套齒式的剛性聯(lián)軸器均用大螺母將兩根軸牢牢連接在一起。遄達1000中，估計螺母擰緊力不夠，受向后作用力的影響，渦輪軸后移，造成螺母端面與套齒端面間出現(xiàn)縫隙，兩端面相對摩擦，隨著工作時間的增長，磨損越來越大，造成渦輪軸向后竄移量過大，最終導致渦輪盤破裂甩出發(fā)動機。

剛性聯(lián)軸器套齒端面磨損不僅出現(xiàn)在遄達1000中，還多次出現(xiàn)在遄達900中，主要是因螺母擰緊力矩不夠所造成的。

圖3 遄達900、遄達1000高壓、中壓渦輪間承力框架結構

換向齒輪箱故障

2012年7月21日， ANA接到波音公司通知，787的遄達1000發(fā)動機換向齒輪箱（TGB）存在腐蝕隱患，而該隱患可能導致發(fā)動機停止運轉。ANA的11架波音787中，有5架受到影響，因此該公司停飛了正在運營的5架波音787，等待羅羅公司提供更換部件。

遄達1000的附件傳動系統(tǒng)由中心傳動部件、徑向傳動軸、換向齒輪箱、橫向傳動軸與附件傳動機匣組成，如圖4所示。在大涵道比渦扇發(fā)動機普偏采用的設計是徑向傳動軸不直接與附件傳動機匣相連，而是通過裝在發(fā)動機機匣外的換向齒輪箱及橫向傳動軸驅動附件傳動機匣。因此，當換向齒輪箱出問題后，很容易在外場更換。

圖4 遄達1000附件傳動系統(tǒng)

圖5 第1級中壓壓氣機

圖6 工作葉片葉根處產(chǎn)生的裂紋

在遄達1000的地面試車過程中，換向齒輪箱內(nèi)的錐形齒輪由于受到腐蝕，致使發(fā)動機停車。在經(jīng)過調(diào)查分析后，EASA當即發(fā)布AD No. 2012-0137-E緊急適航指令指出，在錐形齒輪加工過程中，有一批產(chǎn)品因工藝的改動造成了零件的腐蝕，因此要求對裝有該生產(chǎn)批次齒輪的換向齒輪箱進行更換。共有17臺發(fā)動機受到影響，包括ANA的5架波音787。

中壓壓氣機工作葉片斷裂

2016年11月26日，斯庫特（Scoot）航空公司的一架載有357人的波音787-9執(zhí)行由悉尼飛往新加坡的航班任務，在起飛爬升過程中，飛行員根據(jù)座艙指示儀表發(fā)現(xiàn)右側發(fā)動機（即2號發(fā)動機）低壓轉子振動值偏大但仍在規(guī)定范圍內(nèi)，當飛機轉入水平飛行時振動值變小。因為預感到右發(fā)可能有問題，飛行員仍然高度關注振動值的變化。當飛機在新加坡機場降落時，機組成員聽到 “嘭”的一聲巨響，同時發(fā)現(xiàn)右發(fā)已自動停車。隨后，飛機在單發(fā)工作下安全降落，無人員傷亡，因此將此次故障定為“事件” （incident）。這臺發(fā)動機已工作7196 h / 1797 飛行循環(huán)，經(jīng)返修后工作378 h / 79飛行循環(huán)。事件發(fā)生后，新加坡運輸安全調(diào)查局（TSIB）負責此次故障的調(diào)查工作。

經(jīng)地面維修人員檢查發(fā)現(xiàn)：中壓壓氣機第1級工作葉片及可變進口導流葉片各有1片丟失，在發(fā)動機氣流流道中有許多碎片，多個風扇葉片前緣有輕微的撞擊痕跡，5片風扇葉片尾緣有明顯的撞擊損傷。右發(fā)及飛機未查出受損現(xiàn)象。

在維修車間分解發(fā)動機后，發(fā)現(xiàn)在中壓壓氣機第1級除丟失一片葉片外，還有7片葉片在葉片根部榫頭側面處有裂紋，如圖5所示。裂紋是由后向前發(fā)展的，長度為30.5mm，如圖6所示。

從7片有裂紋的葉片中任意挑出3片，將裂紋打開進行顯微鏡檢測，發(fā)現(xiàn)這3片葉片中，疲勞源在距葉根后端面1.5～2.0mm處。

中壓壓氣機中，第2級～第6級葉片均被掉下的葉片斷片打傷（機械損傷），第6級～第8級葉片還被鈦火燒傷（著火損傷），如圖7所示。在高壓壓氣機中，所有葉片的葉身均被打掉，僅在轉子上留有葉根的殘骸，如圖8所示。調(diào)查人員分析后認為，這些損傷不是由進入發(fā)動機的外物打傷的。

圖7 中壓壓氣機轉子受損情況

圖8 高壓壓氣機轉子中僅剩有殘留的葉根

圖9 葉片榫根接觸面上的磨蹭痕跡

所有中壓壓氣機第1級工作葉片榫根與榫槽接觸的表面上均有明顯的磨蹭痕跡，如圖9所示，且中間磨蹭痕跡較深（圖中紅線圈中）。磨蹭痕跡的深度及嚴重程度在葉根出現(xiàn)裂紋或沒有出現(xiàn)裂紋的葉片中沒有明顯的差異。磨蹭痕跡是在發(fā)動機發(fā)生振動時，葉片榫根與輪盤榫槽間相互摩擦產(chǎn)生的，估計是裝配間隙不合適造成的。對中壓壓氣機第1級工作葉片榫根應力值進行核算，發(fā)現(xiàn)應力最大處接近裂紋起始點。

在發(fā)生這次事件時，已有多臺同型號的發(fā)動機在羅羅公司的維修車間進行過大修，為此，羅羅公司對9臺已修過的發(fā)動機進行檢查，結果發(fā)現(xiàn)有一臺發(fā)動機中壓壓氣機第1級工作葉片中2片有裂紋，另外兩臺發(fā)動機中各1片有裂紋，這說明中壓壓氣機第1級工作葉片榫根在設計與制造中肯定存在問題。

在2016年11月26日的事件后，又發(fā)生了兩起類似的故障，即2017年6月10日同一航空公司的一架波音787的發(fā)動機，發(fā)現(xiàn)中壓壓氣機的第1級工作葉片丟失了1片；2017年7月27日，同為這家航空公司的波音787在爬升過程中，中壓壓氣機第1級工作葉片出現(xiàn)故障，發(fā)動機停車后飛機安全降落。

顯然，中壓壓氣機第1級工作葉片榫根處產(chǎn)生裂紋是一起多發(fā)的故障，有些現(xiàn)象尚需羅羅公司開展深入的研究分析。例如，裂紋的產(chǎn)生是設計缺陷還是生產(chǎn)缺陷導致;飛機在爬升及巡航時，低壓轉子振動不正常的原因以及裂紋產(chǎn)生和低壓轉子振動有什么內(nèi)在聯(lián)系等。

羅羅公司在與TSIB共同進行初步研究分析后，采取了以下臨時措施：由于發(fā)動機裝在翼下時，用孔探儀無法查到中壓壓氣機第1級工作葉片榫根處是否有裂紋，羅羅公司開發(fā)了一套超聲探測設備來檢查裂紋，并于2017年8月發(fā)布了(NMSB)72-AJ814通告，要求用戶每隔200飛行循環(huán)做一次檢查，但適航當局為安全起見，要求用戶將200飛行循環(huán)縮減至130飛行循環(huán)。

最后，TSIB建議羅羅公司重新設計遄達1000的中壓壓氣機第1級工作葉片，防止裂紋的產(chǎn)生（RA-2017-034建議）。EASA也提出了相同的要求。2018年年初，羅羅公司已按TSIB的建議，重新設計了中壓壓氣機第1級工作葉片。

中壓壓氣機封嚴環(huán)損壞

2016年年底，1架以遄達1000為動力的波音787在起飛滑跑過程中，當速度達到110～120 km/h時，飛行員察覺到1臺發(fā)動機出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，于是關停了該發(fā)動機。飛機返回到登機口后，經(jīng)地面維修人員檢查，發(fā)現(xiàn)是中壓壓氣機封嚴環(huán)前端損壞。事后羅羅公司稱，在其他幾臺發(fā)動機中也發(fā)現(xiàn)了這一故障，因此發(fā)布了服務通報，要求用戶用孔探儀對此處進行檢查。EASA認為此部件的損壞，會造成發(fā)動機空中停車，影響飛機飛行安全，除要求羅羅公司修改設計外，還發(fā)布了AD No. 2017-0017R2適航指令，要求航空公司在裝機狀態(tài)下用孔探儀檢查此處。隨后，F(xiàn)AA也發(fā)布了類似的適航指令。由于發(fā)現(xiàn)此故障及時并迅速采取了預防揩施，所幸沒有造成飛機停飛事件。

中壓渦輪工作葉片腐蝕斷裂

2016年，ANA的波音787遭受3次遄達1000中壓渦輪工作葉片腐蝕斷裂，事件中飛機均安全著陸，無人員傷亡。ANA是波音787的啟動用戶，共擁有50架波音787，均選用羅羅公司的遄達1000發(fā)動機。羅羅公司稱，由于涂層早于預定的壽命而脫落掉塊，導致中壓渦輪工作葉片直接與高溫燃氣接觸，因燃氣中硫的腐蝕而斷裂。為此，羅羅公司更改了設計，計劃用3年時間對ANA的50架波音787所裝的100臺發(fā)動機更換新設計的葉片，新葉片的設計已于2016年年底完成。

圖10 英國維珍大西洋航空公司的波音787

曾有人提出ANA出現(xiàn)的問題會不會在其他公司的飛機中出現(xiàn)，羅羅公司發(fā)言人稱，“出現(xiàn)問題的發(fā)動機僅限于機群中的一小部分，我們正與ANA密切合作解決這一問題，不會對航班造成更大沖擊”。但事與愿違，隨后，多家航空公司的遄達1000接連不斷地出現(xiàn)中壓渦輪工作葉片腐蝕斷裂的事件。更為嚴重的是，由于羅羅公司缺少渦輪工作葉片備件，不能及時為故障發(fā)動機提供更換葉片，也沒有足夠數(shù)量的備用發(fā)動機為受影響的飛機換發(fā)。航空公司的遄達1000發(fā)動機只要出現(xiàn)類似故障，波音787飛機只能停飛，有的公司只能抽調(diào)其他機型的飛機來完成波音787原定的航班任務。

在ANA出事后不久，英國維珍大西洋航空公司的波音787，如圖10所示，也出現(xiàn)了類似事件，使該公司取消了一百多個航班。在2017年下半年，多家航空公司又出現(xiàn)波音787受遄達1000的影響而停飛的事件。

結束語

歸納起來，遄達1000發(fā)生的這些故障中有的是因為設計不夠嚴謹導致的，例如，低壓轉子剛性轉子聯(lián)軸器大螺母擰緊力設計值不恰當，造成發(fā)動機內(nèi)滑油失火、中壓渦輪輪盤破裂擊穿機匣竄出發(fā)動機；中壓壓氣機第1級葉片榫根前端應力設計值過大。有的是因為所采用的新工藝新涂層沒有經(jīng)過嚴格的試驗考核導致的，例如，中壓渦輪工作葉片涂層過早脫落，造成葉片葉身與高溫燃氣接觸而腐蝕斷裂的重大故障；中傳動機匣中的錐形齒輪采用了原想改善工作條件的化學腐蝕工藝，卻造成齒輪失效的故障。

圖11 LEAP發(fā)動機中使用的3D打印噴嘴

在采用新工藝、新材料與新涂層時應特別注意，因為航空發(fā)動機工作條件惡劣且多變，在一般設備上能用并不表明在航空發(fā)動機上能安全長期使用。例如，GE公司關于3D打印技術加工零件的研究工作已開展多年，其先進渦槳發(fā)動機（ATP）中，有三分之一的零部件是用3D打印技術生產(chǎn)的。但在大涵道比渦扇發(fā)動機中，僅LEAP發(fā)動機的燃油噴嘴，如圖11所示，采用了3D打印技術生產(chǎn)；目前正在試飛的GE9X發(fā)動機，也僅有燃油噴嘴與低壓渦輪工作葉片是采用3D打印技術生產(chǎn)的。遄達1000的中壓渦輪葉片斷裂引起波音787大面積停飛就是涂層脫落引起的。隔熱涂層一方面要能耐高溫，與基體材料（葉片）有牢靠的黏合性，另方面膨脹系數(shù)還要與基體材的膨脹系數(shù)基本一致，如果膨脹系數(shù)相差較大，每一次工作就會在涂層與基體材料間產(chǎn)生剪切力，多次工作后會使涂層疲勞斷裂、掉塊。設計人員往往對膨脹系數(shù)的影響不太注意，造成涂層過早損壞。早在20世紀80年代，普惠公司用于波音757的PW2037發(fā)動機的高壓渦輪葉片采用了性能比較好的涂層，但在使用一段時間后，發(fā)生涂層過早脫落故障，于是普惠公司不得不改用原來的涂層，為用戶免費更換葉片。

遄達1000是遄達系列較新的衍生改進型，不僅繼承了以前各型號的優(yōu)點，而且加入了21世紀新發(fā)展的許多新技術，按道理講，它應該是一型性能先進、工作可靠與壽命長的發(fā)動機，但是事與愿違，該型號在投入使用前后發(fā)生了多起嚴重故障，不僅使羅羅公司的聲譽受到影響而且經(jīng)濟損失巨大，還給787的安全飛行帶來隱患，從事航空發(fā)動機工作的我們，應從中吸取其經(jīng)驗教訓。