普惠的齒輪傳動渦扇發(fā)動機的幾起故障分析

■ 陳光/北京航空航天大學

與其上一代發(fā)動機相比，普惠公司新推出的齒輪傳動渦扇（GTF）發(fā)動機的性能優(yōu)異。但在服役前后，各類故障頻頻發(fā)生，令人對其可靠性產(chǎn)生擔憂，也令空客等飛機制造商及其用戶感到比較 “頭疼”。

齒輪傳動概念的由來

大涵道比渦扇發(fā)動機自20世紀70年代初投入使用以來，一直存在風扇轉速較低造成低壓壓氣機(亦稱增壓級)與低壓渦輪在不利轉速下工作的窘境，這種問題隨著涵道比的加大愈發(fā)凸顯。

受風扇葉片榫根與風扇輪盤強度所限，一般風扇葉片的葉尖切線速度不應超過400～450m/s，在風扇直徑較大的情況下，只能選擇降低風扇轉速。因此，與風扇轉子連接的低壓轉子（低壓氣機和低壓渦輪）只能在較低的轉速下工作，而為了滿足驅動風扇的功率需要以及發(fā)動機總體性能要求的需要,只得增加低壓壓氣機與低壓渦輪轉子的級數(shù)。涵道比越大,低壓轉子不僅級數(shù)多,而且效率也低。

為了解決上述困境，設計人員考慮在風扇轉子與低壓轉子之間,安裝一套減速器（如圖1所示）,使風扇轉子可在較低轉速下工作,而低壓轉子則在較高轉速下工作,這就是齒輪傳動渦扇發(fā)動機（GTF ）的工作原理。

圖1 齒輪傳動渦輪風扇發(fā)動機

普惠公司早在20世紀90年代后期就推出過推力為115～162kN的齒輪傳動渦扇發(fā)動機——PW8000。當時無適合的飛機可以選裝，該型發(fā)動機在提出后不久便悄無聲息了。2007年，普惠公司再次以齒輪傳動渦扇發(fā)動機——GTF之名，推出齒輪傳動的渦扇發(fā)動機，被日本三菱重工的70～90座級的三菱支線飛機MRJ選作唯一動力裝置，發(fā)動機的推力為66.5～75.7kN，計劃2014年投入使用。由于有了用戶，普惠公司加緊了GTF的研制工作，并宣稱GTF將是“改變游戲規(guī)則”的發(fā)動機。2008年7月，普惠公司在英國范堡羅航展上宣布，GTF發(fā)動機被正式命名為“Pure Power PW1000G”，即“靜潔動力PW1000G”型發(fā)動機。

PW1000G的涵道比為10～12，采用了普惠公司特有的泰龍(TALON)燃燒室技術，并在壓氣機、渦輪、材料工藝、發(fā)動機監(jiān)測和控制上進行了重大的技術改進，制造出了環(huán)保、低油耗、高效、低維修成本的新一代發(fā)動機。與現(xiàn)役主流發(fā)動機相比，油耗降低12%以上，氮氧化物（NOx）的排放減少50%。噪聲比國際民航組織（ICAO）規(guī)定的第四階段的要求低20dB等。據(jù)普惠公司計算，裝兩臺PW1000G發(fā)動機的飛機，每架飛機每年可以減少1000t的二氧化碳（CO2）排放。

目前，PW1000G系列發(fā)動機有PW1100G（A320neo）、PW1200G（MRJ70/90）、PW1400G（MC-21）、PW1500G（龐巴迪C系列）、PW1700G（E-Jets E2 175）、PW1900G（E-Jets E2 190/195）共6個型號，已有多型PW1000G發(fā)動機投入商業(yè)運營，但在投入運營前及運營中，PW1000G發(fā)生了數(shù)起影響較大的故障。

PW1500G在地面試車時發(fā)生渦輪盤爆裂非包容故障

PW1500G在2013年取得適航證后，裝在龐巴迪C系列的CS100飛機上進行取證試飛。2014年5月29日，安裝在CS100左翼的PW1500G在地面檢驗性試車中，第1級低壓渦輪盤爆裂甩出發(fā)動機，造成一起嚴重的非包容故障。

圖3 PW1000G轉子支承簡圖

圖4 渦輪間承力框架示意圖

對故障發(fā)動機檢查分析發(fā)現(xiàn)，是從渦輪間承力框架后、向低壓渦輪第1級輪盤吹冷卻空氣的引氣口（如圖2所示）噴出了高溫燃燒氣體，像噴燈一樣對著第1級低壓渦輪輪盤的輪轂處噴火，結果在輪盤的輪轂處形成一周的燒熔斷口，輪盤外緣部分在離心力作用下破裂，擊穿機匣甩離發(fā)動機，而輪盤的中心部分像一個面包圈似的殘留在低壓渦輪軸上，這種故障模式極為罕見。

為了說明火焰從何而來，可先對此處結構做進一步分析。圖3為PW1000G轉子支承簡圖，由圖可見高壓轉子后支點（4號）是位于渦輪間承力框架中的。圖4為渦輪間承力框架簡圖。渦輪間承力框架是位于高低壓渦輪間的將高壓轉子后軸承（即4號軸承）負荷傳至外機匣的結構，它是由外機匣、內(nèi)機匣、連接內(nèi)外機匣的承力桿以及套在承力桿外面的空心導向葉片組成，4號軸承座固定在內(nèi)機匣上。

PW1000G的渦輪間承力框架（如圖5所示）中，內(nèi)機匣做成環(huán)形的盒狀結構，普惠公司稱此機匣為扭力盒；在內(nèi)外機匣間，裝有14片空心導流葉片，其中有7片有傳力的承力桿；滑油供油管、回油管與通風管以及對低壓渦輪進行冷卻的冷卻空氣導管等則從另外幾片空心導流葉片中通過。

對4號軸承供滑油的供油管見圖5，供油管插入到扭力盒上的油孔中，在供油管的端頭與油孔接觸處，裝有特氟龍（Teflon）封嚴圈。對低壓渦輪冷卻的流路見圖6，來自高壓壓氣機4級處的空氣通過一個承力桿中心導管被引入扭力盒中,冷卻空氣由扭力盒后端的出氣口對著第1級低壓渦輪輪盤吹出。

普惠公司在PW1500G的試車指南中規(guī)定，停車前必須在低于70% 高壓轉子轉速（N2）下再至少運轉10min，以冷卻發(fā)動機，使主軸承腔中的滑油不結焦，并減少起動時轉子的彎曲。再次起動發(fā)動機時，需停車8h且發(fā)動機排氣溫度低于90℃。在停車后再次起動發(fā)動機，則須在20min內(nèi)多次冷轉發(fā)動機，每次90s，直到排氣溫度低于90℃；或者冷轉發(fā)動機5次，在N2為0后的5min測量排氣溫度，如低于90℃，可以再次起動發(fā)動機。

圖5 PW1000G渦輪間承力框架油路示意圖

圖6 PW1000G渦輪間承力框架冷卻氣流示意圖

發(fā)動機工作時，4號軸承既承受高速旋轉產(chǎn)生的摩擦熱量，還要承受通過輪盤、軸等傳來的渦輪葉片熱量，這些熱量由滑油帶走，確保軸承能正常工作。但是，如果發(fā)動機停車前不經(jīng)過一段時間的冷卻（低轉速下運轉），直接從大功況下停車，這時渦輪葉片處于極高的溫度，其熱量大部分會經(jīng)輪盤和軸傳至軸承，并通過軸承座傳至扭力盒，使扭力盒溫度升高。其結果不僅會使軸承腔中滑油產(chǎn)生結焦、軸承游隙減少甚至成負游隙，還會使高壓轉子產(chǎn)生熱彎曲等不利影響。

在5月26日發(fā)生故障前的一次試車中，發(fā)動機在78%N2下運轉后，只進行了19s的冷卻便停車，并在50min后再次起動發(fā)動機，造成扭力盒溫度升高較大，使滑油進油管的特氟龍封嚴圈的工作溫度達到190℃，大大超過它所允許的工作溫度（大于162℃時變形，大于180℃時永久變形），封嚴圈失效，滑油向外泄漏，如圖7所示。另外，由于滑油導管在穿過扭力盒外殼時，外殼與導管間有一定的縫隙，因此扭力盒腔與空心導向葉片的內(nèi)腔是連通的（參見圖5），導向葉片內(nèi)腔的熱空氣進入扭力盒腔，同時，冷卻低壓渦輪的氣流是從第4級高壓壓氣機處引來的溫度較高的氣流也進入了扭力盒腔（參見圖6），在這二股熱氣流的作用下，導致泄漏的滑油自燃，形成連續(xù)不斷的火焰吹向第1級低壓渦輪盤，如圖8所示。由于此次試車時間不長，所以輪盤雖已受損但未破裂，只是滑油消耗量增大。

圖7 封嚴圈失效滑油外泄

圖8 泄漏的滑油自燃形成連續(xù)的火焰

在5月29日試車中，當發(fā)動機轉速保持在74%N1近6min時，第1級低壓渦輪的輪轂在連續(xù)的火焰噴射作用下失去強度，隨后在離心力作用下被甩出，參見圖2，其碎片打壞飛機多處結構，幸好無人員傷亡。

由圖9殘存的低壓渦輪部件可見，第1級輪盤僅剩類似面包圈的中心部分，第2級低壓渦輪導向葉片僅剩極少的殘件，第2級低壓渦輪工作葉片與輪盤基本完整。由圖10的發(fā)動機外形照片可見，在第1級低壓渦輪處，機匣被甩出的碎片撕裂出一條近340°的環(huán)形裂縫。圖11為甩離發(fā)動機的第1級低壓渦輪輪盤斷塊。

普惠公司在總結這次故障原因后，采取了以下幾項措施：停車前發(fā)動機需在慢車狀態(tài)下運轉20min以冷卻發(fā)動機；在滑油管封嚴處增加金屬封嚴墊；在低壓渦輪前腔裝熱電偶監(jiān)測腔溫；每天飛行后檢查滑油消耗量；封嚴圈使用溫度限制在148℃；每天進行孔探檢查等。在生產(chǎn)型發(fā)動機中，已將供油管與冷卻氣流分開。

這次低壓渦輪盤爆裂故障使得C系列飛機投入商業(yè)運營的計劃從2014年延期至2016年7月。

圖9 殘留的低壓渦輪部件

PW1100G服役初期的故障

裝PW1100G的A320neo于2016年1月20日投入商業(yè)運營。在使用初期遭遇兩個問題：其一是全權限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)過多地在駕駛艙顯示屏幕上發(fā)出虛警，干擾了飛行員的注意力，這個問題在進行軟件更新后得到解決；其二是高壓壓氣機轉子的熱彎曲問題。

當發(fā)動機停車時，如果發(fā)動機的冷卻（或慢車狀態(tài)下運轉）時間太短，發(fā)動機內(nèi)部仍處于高溫狀態(tài)，而且發(fā)動機上部的溫度會高于下部的溫度，這種高壓轉子上下溫度不一致，造成了轉子上下熱膨脹不一致，導致出現(xiàn)熱彎曲。如果短時間停車再次起動發(fā)動機時，熱彎曲不僅會造成發(fā)動機振動，而且葉尖會刮蹭機匣內(nèi)襯，特別是第8級葉片（熱彎曲時它處于彎曲的最大處），使發(fā)動機效率降低等。因此，普惠公司采取將起動時間加長到7min，使發(fā)動機逐步升溫度，消除熱彎曲效應，但這種措施引起了用戶的不滿。

為此，普惠公司采取了三項改進措施：在3號、4號支點處加裝彈性支座，以降低振動值；在第8級葉尖處涂上一層極硬、極尖的立方氮化硼（CBN），當它與圍繞葉尖的環(huán)形耐磨襯環(huán)相磨碰時，會在耐磨襯環(huán)上擦出一條與葉片寬度一致的槽道，能減少漏氣損失。另外，對FADEC的軟件進行了相應的改進，使發(fā)動機的起動時間縮短至300s（2016年6月）、200s（2016年12月），這個起動時間已基本等同于V2500發(fā)動機的起動時間。

圖10 外機匣的撕裂缺縫

圖11 輪盤斷塊

PW1100G的故障使航空公司在短時間內(nèi)頻繁換發(fā)

印度靛藍（IndiGo）航空公司是A320neo的大用戶，共訂購了430架（其中25架為A321neo）。截至4月30日，該公司接收了32架A320neo。由于印度天氣炎熱干燥、潮濕、污染和空氣中鹽分較多的原因，對發(fā)動機的工作造成了較嚴重的影響。自2016年年初到2017年2月24日的13個月中，靛藍航空公司的A320neo換發(fā)42臺，其中28臺是由于3號軸承腔封嚴處泄漏使金屬微粒進入滑油腔，激發(fā)滑油碎屑探測器報警；13臺由于燃燒室火焰筒的進氣孔被鹽分堵塞使燃燒室性能惡化，下降25%（通過孔探儀查出的）；1臺是由于主減速器故障（滑油碎屑探測器報警）。

3號軸承腔封嚴處原來采用了端面石墨密封裝置，這種密封裝置封嚴效果好，普惠的PW4000發(fā)動機主軸共有7處須封嚴，其中6處是采用端面石墨密封，工作狀態(tài)一直良好。但在PW1100G中所用的端面石墨密封裝置中，由于FADEC的程序問題，在一定高度上密封處氣體壓力不夠，使端面石墨不能和與其相配的密封面緊密接觸，造成一些金屬碎屑進入滑油腔。報道稱，普惠現(xiàn)采用刷封替代端面石墨密封，于2017年4月完成此項改進。

對于火焰筒通氣孔被堵塞的問題，普惠對火焰筒進、排氣處增加了通氣孔的數(shù)目，幾乎比原設計增加了一倍，于2017年9月完成改進。

在此期間，美國精靈（Siprit）航空公司的5架A320neo由于3號軸承腔滑油碎屑探測器報警而停飛。另外，該公司的A320neo還由于在高空中放氣閥會結冰卡滯，要求飛行員將飛機保持在9100m（30000ft）高度以下飛行，印度的A320neo也遇到此類問題。

在過去的30年中，由于發(fā)動機技術水平的提高，發(fā)動機故障造成的換發(fā)次數(shù)約為每年25次，但是印度靛藍航空公司32架A320neo所用的PW1100G發(fā)動機，從2016年5月到2017年11月間卻換發(fā)69次，平均每周換發(fā)一次，也算是創(chuàng)造了一項世界紀錄。

新改進的高壓壓氣機后篦齒封嚴件存隱患

2017年12月，普惠公司認為第8級高壓壓氣機盤后錐軸上的篦齒封嚴環(huán)的性能未達到預期的水平，而進行了改型。從發(fā)動機生產(chǎn)序號為ESN P770450及其后的發(fā)動機均采用了這種改型的封嚴環(huán)。

但很快發(fā)現(xiàn)，這種新的封嚴環(huán)易掉塊，封嚴環(huán)失效，發(fā)動機易喘振且造成空中停車。例如，由2018年2月24日至3月12日，印度的靛藍航空公司發(fā)生兩起、GoAir航空公司發(fā)生一起空中停車。鑒于這一故障對飛機的安全飛行影響較大，歐洲航空安全局（EASA）于2018年2月9日發(fā)布了緊急適航指令（AD 2018-0041-E），所涉及的是生產(chǎn)序號為P770450以及其后的發(fā)動機，指令中規(guī)定：如果一架飛機上裝有兩臺受影響的發(fā)動機，在此指令生效后只能再飛3次起降就應停飛；如果一架飛機上裝有一臺受影響的發(fā)動機，此指令生效后，除1次起降外，不能再飛雙發(fā)延程飛行（ETOPS）。中國民航局（CAAC）于2月11日發(fā)布了CAD2008-A320-05號適航指令，指令中轉發(fā)了EASA緊急適航指令的內(nèi)容。空客公司在EASA發(fā)布上述指令后，決定暫停接受PW1100G發(fā)動機。

在EASA發(fā)布上述指令后，印度民用航空管理局（DGCA）考慮到前述的三次空中停車事件，于3月13日決定將裝有受影響發(fā)動機的11架A320neo全部停飛，約占A320neo全部服役飛機113架中的10%. 其中8架為靛藍公司的，3架為GoAir公司的。在民用航空史中，一次停飛全機群中十分之一的飛機，實屬罕見。

普惠公司共交付了98臺裝有這種篦齒封嚴件的發(fā)動機，其中55臺交付給空客公司，有43臺已裝在航空公司運營的飛機上，印度有12架A320neo受影響。普惠公司為了解決這一問題，臨時恢復了改進前的結構，這一改動耗費了5000萬美元。

結束語

普惠公司“改變游戲規(guī)則”的新款齒輪傳動渦扇發(fā)動機的性能的確比其上一代發(fā)動機要好很多，這也是多款新型客機采用它的原因。但自服役起，不斷發(fā)生故障，僅印度靛藍航空公司一家，在一年半時間內(nèi)就換發(fā)67次，平均每周一次，也算是創(chuàng)造了新發(fā)動機投入運營時的新紀錄。因此，在研制新型發(fā)動機時，不能單純追求性能，而要性能、可靠性與維修性三性并舉，這是20世紀美國普惠公司在研制第三代戰(zhàn)斗機用F100發(fā)動機過程中總結出的重要經(jīng)驗，也成為軍民用發(fā)動機研制時必須遵循的原則。普惠公司是世界三大航空發(fā)動機公司之一，從軍用發(fā)動機到民用發(fā)動機研制過多型，設計經(jīng)驗、使用經(jīng)驗與排故經(jīng)驗都比較豐富，但在GTF研制中依然麻煩不斷。由此可以看出，航空發(fā)動機的設計中，沒有大問題與小問題之分，任何會引起發(fā)動機性能或可靠性的問題，都得認真對待，這也是我們應從GTF發(fā)生的故障中汲取的經(jīng)驗教訓。