航空發(fā)動機非包容性失效案例及思考

■ 馮建文 吳長波 劉金龍/中國航發(fā)研究院

美國西南航空1380航班事件以及近期其他相似的事件，引起了人們對于發(fā)動機失效的關(guān)注。本文梳理了適航條款對發(fā)動機包容性的規(guī)定、列舉了美國國家運輸安全委員會（NTSB）數(shù)據(jù)庫非包容性事件的記錄并詳細分析了幾起有代表性的發(fā)動機包容性失效案例，從安全的角度提出了航空發(fā)動機包容性設計及檢測技術(shù)的幾點思考。

美國西南航空一架注冊號為N772SW的波音737-700飛機， 4月17日在執(zhí)飛1380航班時，左側(cè)CFM56-7B型發(fā)動機突發(fā)風扇葉片斷裂，碎片擊中了第14排舷窗導致飛機失壓，一名乘客重傷不治。此次事件與2016年8月27日西南航空3472號航班事故驚人相似：二者均為波音737-700型飛機搭載的CFM56-7B發(fā)動機發(fā)生風扇葉片疲勞斷裂，導致風扇進氣道碎片擊中機身、機翼以及后機身并造成艙內(nèi)失壓，但所幸上次事件中沒有人員傷亡。在美國國家運輸安全委員會(NTSB)調(diào)查進展通報中，將2016年8月27日的事件定性為發(fā)動機非包容性失效，但只將4月17日的事件稱作發(fā)動機空中失效事件 。另有一起相似事件是2017年9月30日發(fā)生的法航66班機。執(zhí)飛該航班的A380-800在飛行過程中右側(cè)的4號GP7200發(fā)動機突然爆炸，整流罩以及風扇葉片等部件脫落。在短短兩年時間內(nèi)連續(xù)發(fā)生幾起發(fā)動機空中失效/非包容性失效事件，使得業(yè)界對轉(zhuǎn)子件的安全性問題引起極大關(guān)注。

疑似擊碎西南航1380航班舷窗的風扇進氣道碎片

非包容性事件統(tǒng)計

美國汽車工程師協(xié)會(SAE)曾對1962—1989年的固定翼飛機發(fā)動機(不包括APU)非包容失效事件頻數(shù)作過統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。

其中，3類損傷指飛機發(fā)生重大損傷但可以繼續(xù)飛行并安全降落；4類損傷指飛機發(fā)生嚴重損傷，包括硬著陸、人員傷亡、飛機全毀等。

筆者在NTSB事故調(diào)查數(shù)據(jù)庫中使用“uncontained engine failure”檢索得到的部分與發(fā)動機非包容性失效相關(guān)的記錄如表2所示。

表1 1962—1989年固定翼飛機發(fā)動機(不包括APU)非包容失效事件統(tǒng)計

表2 NTSB數(shù)據(jù)庫中與發(fā)動機非包容性失效相關(guān)的記錄

NA27航班發(fā)生事故的風扇盤

ONA032號航班遭受鳥擊后的風扇

適航規(guī)章包容性條款分析

適航規(guī)章中“包容”或者“非包容”的定義在與發(fā)動機相關(guān)的33部以及與飛機相關(guān)的23部和25部中都有涉及。狹義的“包容”是指發(fā)動機本身的包容，如果站在適航以及飛行安全的角度考慮，“包容”還需考慮可能導致碎片沖擊航空器以及相應的安全防護。

咨詢通告AC 33-5將包容定義為：沒有碎片擊穿發(fā)動機結(jié)構(gòu)，但是不涉及碎片從發(fā)動機進氣口以及排氣口飛出的情形。此處的發(fā)動機結(jié)構(gòu)特指包圍主要轉(zhuǎn)子件的結(jié)構(gòu)（從機匣前安裝邊延伸至后安裝邊都包括在內(nèi)）。

咨詢通告AC 20-128A將非包容失效定義為：任何導致碎片飛出的可以危及飛機的發(fā)動機或者APU轉(zhuǎn)子件失效。此處的轉(zhuǎn)子件失效特指能釋放高動能碎片危及飛機的失效。

NTSB事故調(diào)查報告將發(fā)動機非包容失效定義為：發(fā)動機內(nèi)部構(gòu)件失效并通過發(fā)動機機匣和整流罩飛出，或者由于發(fā)動機失效導致的其他部件通過發(fā)動機機匣和整流罩的飛出。

典型非包容性案例分析

美國國家航空27航班

1973年11月3日，美國國家航空（NA）27航班的一架DC-10-30型飛機在飛行途中3號CF6發(fā)動機突然發(fā)生故障。進氣道與風扇罩脫落、風扇葉片脫落并擊中機身、右側(cè)機翼、1號與2號發(fā)動機，并擊碎一個窗戶造成一名乘客被吸出窗外。

NTSB調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在事故發(fā)生前，3號發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速從97% N1加速到100%N1并波動了數(shù)秒后，轉(zhuǎn)子遭到破壞，而破壞時發(fā)動機轉(zhuǎn)速（100%N1）遠低于設計紅線轉(zhuǎn)速（111%N1）。最終調(diào)查推定本次事故的原因是葉片與機匣發(fā)生碰摩，并且在碰摩發(fā)生時的轉(zhuǎn)速下，葉片第6階振動模態(tài)與機匣第6階振動模態(tài)發(fā)生共振。共振時巨大的作用力使得該發(fā)動機的38片風扇葉片中有32片脫落。

針對本次事故的改進措施包括：CF6風扇罩的連接支架數(shù)目從12個增加到21個； CF6榫頭結(jié)構(gòu)重新設計，使得榫齒連接極限強度由66.7kN(18000lbf)增加到266.9kN(60000lbf)；CF6風扇葉片葉尖與機匣間隙增加；AC 20-128A根據(jù)這次事故的數(shù)據(jù)制定了與發(fā)動機碎片拋射角度相關(guān)的規(guī)定。

這次事故帶來的最深刻的教訓是機匣與葉片的共振可能帶來巨大的破壞作用。發(fā)動機設計方需要保證在發(fā)動機正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不發(fā)生葉片與機匣的共振。

海外航空032航班

1975年11月12日，海外航空（ONA）032航班在紐約肯尼迪機場起飛滑跑加速到約100kn時發(fā)動機遭群鳥撞擊并起火。機長中斷起飛并組織全體乘客成功撤離，但是大火將飛機徹底燒毀。

NTSB的事故調(diào)查結(jié)論是：鳥撞導致了發(fā)動機風扇葉片掉塊，轉(zhuǎn)子不平衡量增大，轉(zhuǎn)動失衡導致葉片未包容飛出，切斷了主燃油管線，泄漏的燃油被發(fā)動機高溫部件引燃。根據(jù)事故調(diào)查結(jié)果，NTSB發(fā)布了18項安全建議。這些安全建議中，有6條涉及到CF6發(fā)動機承受外力打擊，包括鳥撞的能力，有兩條建議要求FAA重新評估現(xiàn)有的關(guān)于吞鳥的適航條款并提高標準要求。

發(fā)動機吞鳥的適航條款為1974年通過第6修正案引入的33.77條款，在此之前的吞鳥相關(guān)規(guī)定只有在咨詢通告AC33-1中有所涉及。通過ONA032航班事故的調(diào)查，NTSB認為當時的33.77的條款不安全，在其調(diào)查報告中建議“修改33.77條款，規(guī)定大型發(fā)動機遭鳥群撞擊時可能同時吸入的鳥的數(shù)目”。根據(jù)NTSB建議，F(xiàn)AA將33.77進行了修改。

英國空旅航空KT28M號班機

1985年8月22日，英國航空子公司空旅航空KT20M號航班起飛時左側(cè)發(fā)動機失效，機長迅速終止起飛并將飛機停在24號跑道上。但是，失效發(fā)動機燃燒室的一塊碎片擊中了油箱檢修口蓋板，造成了燃油泄漏并被引燃，共造成55人喪生。

英國航空事故調(diào)查局(AAIB)調(diào)查認為這是一起發(fā)動機非包容性事故，起因是9號火焰筒破裂刺破檢修口蓋并引發(fā)火災。

發(fā)生事故的JT8D-15發(fā)動機9號火焰筒之前發(fā)現(xiàn)過裂紋并于事發(fā)前的1983年進行過熔焊修理，修理遵照英國航空公司的維修手冊進行的，并沒有按發(fā)動機制造商普惠公司規(guī)定的步驟進行固溶處理。普惠公司之前告知過用戶熔焊修理會降低疲勞壽命但是沒有給出具體降低的數(shù)值。英國航空公司在1980年才使用JT8D發(fā)動機，他們對普惠公司的服務通告理解為熔焊修理對高壽命的發(fā)動機才會有影響。AAIB經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，9號火焰筒有的裂紋發(fā)生在上次修理的區(qū)域，有的裂紋發(fā)生在上次修理時完好的區(qū)域，所以最終的調(diào)查結(jié)論是：不能認定這次事故由不當修理導致。

這次事故給發(fā)動機制造方和運營方帶來的教訓是：發(fā)動機的維修需要依照原廠的維修說明或者經(jīng)過批準的替代方案進行。如果使用替代方案進行修理，則其對發(fā)動機的性能、壽命及隨后的檢修、維護等的影響需要事先進行評定。

美國聯(lián)合航空232航班

1989年7月19日，美國聯(lián)合航空232號航班DC-10-10型飛機安裝于垂尾根部的CF6發(fā)動機風扇盤斷裂，斷裂后拋射的碎片損壞了飛機的全部三套液壓系統(tǒng)，導致翼面失去控制。最終班機在迫降時失控傾覆，造成111人罹難。

NTSB最終調(diào)查報告認為這起事故的主要原因是聯(lián)合航空發(fā)動機檢修措施不當，以至于沒有發(fā)現(xiàn)第1級風扇盤存在的疲勞裂紋。NTSB建議改進無損檢修手段、縮短檢查間隔以及分析這次事故發(fā)動機碎片散射類型、碎片尺寸以及能量水平并更新AC 20-128。

聯(lián)合航空232號航班帶來的教訓包括：

一是大型大涵道比發(fā)動機風扇盤的破裂可能帶來巨大的危害。咨詢通告AC 20-128根據(jù)這次事故調(diào)查報告中對失事飛機水平尾翼撞擊點的統(tǒng)計結(jié)果以及其他事故的調(diào)查結(jié)果進行了修改。

KT28M受損的油箱檢修口蓋

二是肇事的CF6發(fā)動機鈦合金風扇葉片使用真空電弧重熔（VAR） 工藝制造。而該工藝不能保證零缺陷。CF6在1970年取得適航證，在聯(lián)合航空232航班事故發(fā)生之前該型發(fā)動機從未發(fā)生過風扇盤軸失效的事件。雖然制造商當時清楚VAR工藝可能會帶來較多的缺陷，但認為缺陷可以通過檢修發(fā)現(xiàn)，所以沒有制定風扇盤強制報廢制度。聯(lián)合航空232號航班事件發(fā)生后，對關(guān)于鈦合金工藝的咨詢通告AC 33.15-1進行了修改并推薦了替代VAR的其他工藝。

三是DC-10飛機三套液壓系統(tǒng)均布置在尾翼內(nèi)，系統(tǒng)容錯性低，一旦尾吊發(fā)動機發(fā)生非包容性事件很容易全部失效。

澳洲航空32航班

2010年11月4日，澳洲航空執(zhí)飛32航班的A380-800飛機的左翼內(nèi)側(cè)遄達900發(fā)動機爆炸起火，最后成功迫降，所幸無人傷亡。截至事故發(fā)生時，該發(fā)動機共服役6314h，累計677個循環(huán)。

事故由澳大利亞交通安全局（ATSB）主導調(diào)查。ATSB在最終報告中公布的事故原因是由于中壓渦輪軸承滑油管制造缺陷導致疲勞破壞引起滑油著火并損壞中壓渦輪軸,最終導致中壓渦輪超轉(zhuǎn)破裂引起非包容性破壞。

遄達900中壓渦輪軸承的滑油管向軸承提動滑油進行潤滑。遄達900發(fā)動機的滑油短管制造過程工藝問題導致壁厚不均勻，壁面名義厚度為0.91mm，然而實際厚度最薄只有約0.35mm。

遄達900滑油管壁厚變化

事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)滑油短管承受彎曲載荷，截面實際應力對于壁厚非常敏感，最薄處的實際應用遠高于設計應力，引起了滑油短管低周疲勞破壞?；凸芷谄屏褜е禄托孤恫⒃诟邷丨h(huán)境下引起自燃，破壞了其他密封件并燒毀了中壓渦輪軸連接結(jié)構(gòu)，引起了中壓渦輪飛轉(zhuǎn)并發(fā)生超轉(zhuǎn)破壞。中壓渦輪盤斷裂為3塊飛出，擊穿了機翼等部件。

事故發(fā)生后羅羅公司改進了制造工藝，在發(fā)動機控制軟件中加入了中壓渦輪轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊。這次事件主要的教訓是潤滑系統(tǒng)的小瑕疵最終引發(fā)了一系列聯(lián)鎖反應，導致了重大事故的發(fā)生。

美國航空383航班

2016年10月28日，美 國 航 空383航班起飛時，右側(cè)CF6-80C2B6型發(fā)動機第二級高壓渦輪盤破裂，碎片擊中機翼油箱，引發(fā)大火嚴重損毀飛機。

事發(fā)的右側(cè)發(fā)動機在發(fā)生事故時已經(jīng)累計工作68785h，共10984循環(huán)。NTSB通過斷口分析發(fā)現(xiàn)，斷裂起始于盤孔，并在斷口處發(fā)現(xiàn)了尺寸為3.8mm×2.5mm的白斑，白斑與正常金屬組織界面處有發(fā)線（stringer），一種微米級氧化物顆粒。

CF6輪盤在鑄錠造坯的過程中使用了真空感應熔化、電渣重熔和真空電弧重熔的三重熔化工藝。NTSB推斷白斑是由真空電弧重熔時引入，金屬錠的碎屑掉入熔池，沒被熔化直接混入坯內(nèi)形成雜質(zhì)。白斑組織含有氧化物、氮化物以及碳氮化物，晶粒較為粗大。白斑與發(fā)線構(gòu)成了薄弱環(huán)節(jié)，抗疲勞性較差。NTSB在斷口處發(fā)現(xiàn)了6條疲勞擴展裂紋，通過對1,2,6號裂紋疲勞痕的分析判斷三條裂紋分別發(fā)生了約5700、5600和3700次低周疲勞循環(huán)。

故障發(fā)動機渦輪盤的6條疲勞擴展裂紋

早在2008年，F(xiàn)AA就在一份報告中將類似此次事故的缺陷定義為“隱形異?！?stealth anomalies)，這種缺陷有兩大特征：一是埋藏在合金內(nèi)部，發(fā)射信號的強度比真實尺寸小；二是這種異常組織不含孔穴與裂紋且密度、彈性模量與正常組織一樣，容易漏檢。FAA推薦使用新的超聲波檢測手段對隱形異常進行檢測。

故障發(fā)動機的第二級高壓渦輪盤在2007年和2011年進行過渦電流檢測與熒光滲透檢測然而并沒有發(fā)現(xiàn)該缺陷。這兩種檢測手段僅能檢測出表面以及近表面缺陷而不能檢測到次表層缺陷。在這兩次檢測中均沒有使用超聲檢測，錯過了發(fā)現(xiàn)缺陷的機會。

NTSB在本次事故最終調(diào)查報告中建議對關(guān)鍵轉(zhuǎn)子件使用超聲波等手段進行服役期間內(nèi)部缺陷檢測并且在咨詢通告AC 20-128A內(nèi)增加針對有可能擊中油箱的碎片大小、能量級別的規(guī)定。

幾點思考

從上述非包容性典型案例分析可以看出，造成非包容性事件的原因多種多樣，包括設計缺陷、工藝缺陷、維修缺陷、外界因素等。因此，減少非包容性事件需要發(fā)動機制造商、飛機制造廠商、運營方、維護方以及適航當局等諸多方面的共同努力，從已有的事故中總結(jié)經(jīng)驗，吸取教訓，提高發(fā)動機包容性設計。

發(fā)動機無損檢查對于及早發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子構(gòu)件內(nèi)部缺陷具有重要作用，但是無損檢查手段存在漏檢的可能性。美國西南航空1380航班、聯(lián)合航空232航班等許多事件都涉及到可能的漏檢。應該發(fā)展新的無損檢測手段、采用多種手段交叉檢測、縮短檢查間隔，在經(jīng)濟性與安全性之間尋求平衡。

近年來民用航空發(fā)動機越來越多采用復合材料風扇葉片。復合材料風扇葉片存在很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，例如抗鳥撞能力差、無損檢測技術(shù)不成熟等。這些技術(shù)需要進一步探索以及經(jīng)受長期服役環(huán)境下的檢驗。

適航規(guī)章都會隨著事故的出現(xiàn)進行修改調(diào)整。本次西南航空1380號航班事故的一個特點就是包容環(huán)經(jīng)受住了沖擊但是風扇罩在沖擊作用下飛出。今后局方是否會在適航條款中對于包容性作更嚴格的規(guī)定，我們拭目以待。