波音737NG飛機(jī)起動(dòng)機(jī)孔探檢查研究

摘要：本文分析了波音737NG飛機(jī)CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)機(jī)故障原因，提出在翼孔探檢查可早期發(fā)現(xiàn)異常，并可對(duì)其進(jìn)行及時(shí)處理，以避免發(fā)生重大安全事件。

關(guān)鍵詞：起動(dòng)機(jī)；徑向軸承；渦輪盤(pán)組件；孔探檢查

Keywords：starter；radial shaft；turbine disk；BSI

0 引言

波音737NG飛機(jī)的CFM56-7B 發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是霍尼韋爾公司生產(chǎn)的件號(hào)3505945系列起動(dòng)機(jī)。該型起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)共用一套滑油系統(tǒng)，起動(dòng)機(jī)突然失效往往發(fā)生在起動(dòng)大發(fā)時(shí)，將污染和損傷大發(fā)滑油系統(tǒng)。該故障在世界機(jī)隊(duì)造成過(guò)多次航班惡性延誤、取消甚至空停，嚴(yán)重影響飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，一直是發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域持續(xù)多年的熱點(diǎn)問(wèn)題。

減少起動(dòng)機(jī)突然失效、提高起動(dòng)機(jī)可靠性是廠家和各家航司共同努力的方向。國(guó)內(nèi)某航司經(jīng)過(guò)多次嘗試和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用在翼起動(dòng)機(jī)孔探檢查可以提前捕捉到起動(dòng)機(jī)渦輪損傷跡象，減少因渦輪問(wèn)題導(dǎo)致的起動(dòng)機(jī)突然失效事件。

1 起動(dòng)機(jī)現(xiàn)狀分析

霍尼韋爾公司2019年4月在GE發(fā)動(dòng)機(jī)年會(huì)上發(fā)布的起動(dòng)機(jī)會(huì)議材料[1]中表明：

1）2017～2018年，起動(dòng)機(jī)非計(jì)劃拆換的平均時(shí)間（MTUBR）呈下降趨勢(shì)，從2017年1月的67000h下降到2018年12月的50000h，下降約25%；

2）在962臺(tái)非計(jì)劃拆換的起動(dòng)機(jī)中，起動(dòng)機(jī)損傷174臺(tái)，占18%，居非計(jì)劃拆換原因之首。

綜合前期波音資料FTD[2]以及霍尼韋爾廠家2015年資料[3]，將起動(dòng)機(jī)本體仍在關(guān)注的問(wèn)題分為以下四類(lèi)（見(jiàn)圖1～圖4及圖5中黑色框標(biāo)記）：支撐渦輪盤(pán)的徑向軸承失效；殼體螺栓頭部斷裂；輸出軸斷裂[4]；碳封嚴(yán)漏油。

這四類(lèi)問(wèn)題中，對(duì)安全性和經(jīng)濟(jì)性影響最大的是支撐渦輪盤(pán)的徑向軸承失效。徑向軸承失效將導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)內(nèi)部多數(shù)部件發(fā)生不可逆損壞，產(chǎn)生高昂修理費(fèi)用，同時(shí)，產(chǎn)生的碎屑會(huì)污染大發(fā)滑油系統(tǒng)（見(jiàn)圖6），后續(xù)需要耗費(fèi)大量人力、物力和時(shí)間進(jìn)行滑油系統(tǒng)沖洗和試車(chē)等工作，造成航班惡性延誤或取消。碳封嚴(yán)被失效部件打壞后會(huì)導(dǎo)致大發(fā)滑油泄漏（見(jiàn)圖7），如果漏油發(fā)生在空中，還有空停的風(fēng)險(xiǎn)。廠家于2015年提出了對(duì)徑向軸承失效進(jìn)行商務(wù)賠償?shù)慕鉀Q方案[5]。廠家經(jīng)過(guò)多年研究，發(fā)現(xiàn)徑向軸承失效與起動(dòng)機(jī)使用時(shí)間/循環(huán)無(wú)關(guān)，是隨機(jī)發(fā)生的，無(wú)法找到根本原因，并于2018年再次重申徑向軸承失效采取商務(wù)解決方案[5]。

2 國(guó)內(nèi)某航司的數(shù)據(jù)

2015～2019年，國(guó)內(nèi)某航司因起動(dòng)機(jī)失效導(dǎo)致航班不正常事件的數(shù)據(jù)如表1所示。

在該航司近5年起動(dòng)機(jī)導(dǎo)致的航班不正常事件中，徑向軸承失效占70%以上，均導(dǎo)致了航班惡延或取消。2019年的14起事件中，10起符合徑向軸承失效的現(xiàn)象。

由于廠家無(wú)法找到徑向軸承失效的根本原因，按照目前波音提供的維修方案也無(wú)法避免該事件的發(fā)生，因此，只有提前捕捉到徑向軸承早期失效跡象，避免受損軸承再次運(yùn)轉(zhuǎn)，才能防止后續(xù)更嚴(yán)重事件的發(fā)生。

在該航司2019年的10起符合徑向軸承失效現(xiàn)象的起動(dòng)機(jī)中，失效前最近一次例行磁堵檢查均為正常（磁堵檢查間隔為300飛行小時(shí)），甚至有1起在3天前剛完成了起動(dòng)機(jī)磁堵檢查。此情況表明起動(dòng)機(jī)徑向軸承失效無(wú)法通過(guò)縮短磁堵檢查間隔來(lái)進(jìn)行捕捉。

3 在翼孔探發(fā)現(xiàn)

分析起動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作特性發(fā)現(xiàn)，徑向軸承承受的負(fù)載主要來(lái)自高速旋轉(zhuǎn)的渦輪盤(pán)組件。起動(dòng)機(jī)在大發(fā)起動(dòng)過(guò)程中，渦輪盤(pán)組件轉(zhuǎn)速最高可達(dá)70000rpm以上，如果渦輪盤(pán)組件此時(shí)產(chǎn)生了動(dòng)不平衡，在70000rpm轉(zhuǎn)速下增加的負(fù)載對(duì)于軸承來(lái)說(shuō)相當(dāng)巨大，然而廠家的各種改進(jìn)措施和資料中均未提到對(duì)渦輪盤(pán)組件進(jìn)行在翼檢查，更未提到損傷標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)某航司自2019年9月份開(kāi)始嘗試對(duì)所有在翼起動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)組件渦輪葉片后緣進(jìn)行普查（見(jiàn)圖5標(biāo)注孔探位置），結(jié)果發(fā)現(xiàn)多臺(tái)起動(dòng)機(jī)渦輪葉片后緣有凹坑、葉尖變形等損傷，其中2臺(tái)起動(dòng)機(jī)渦輪葉片有斷裂和材料掉塊丟失，具體情況如下：

1）一片渦輪葉片斷裂（見(jiàn)圖8），拆下送修，分解發(fā)現(xiàn)徑向軸承軌道有損傷，軸承有早期失效跡象（見(jiàn)圖9）。

2）一片渦輪葉片材料掉塊丟失（見(jiàn)圖10），在翼監(jiān)控使用，每3天進(jìn)行磁堵檢查；15天后，該起動(dòng)機(jī)突然失效。修理分解情況如圖11所示。

經(jīng)過(guò)第一次普查后，該航司自2019年10月21日起正式增加起動(dòng)機(jī)渦輪孔探工作。至2020年5月20日，孔探共發(fā)現(xiàn)50臺(tái)起動(dòng)機(jī)渦輪葉片有掉塊、葉尖卷曲、凹坑、裂紋、葉尖刮擦殼體、漏油等缺陷。提前拆下15臺(tái)起動(dòng)機(jī)送修，進(jìn)行起動(dòng)測(cè)試、動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)、NDT無(wú)損檢測(cè)等試驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)，并制定孔探標(biāo)準(zhǔn)。典型的有如下3例，其中2例超手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)，1例在手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

1）渦輪葉片葉尖變形（見(jiàn)圖12）：渦輪盤(pán)動(dòng)平衡測(cè)試超出手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)，NDT檢測(cè)渦輪盤(pán)，軸端發(fā)現(xiàn)裂紋。

2）渦輪葉片發(fā)現(xiàn)裂紋（見(jiàn)圖13）。

3）渦輪葉片后緣凹坑（見(jiàn)圖14），動(dòng)平衡、NDT未超手冊(cè)。

2019年12月10日，在翼孔探起動(dòng)機(jī)時(shí)，再次發(fā)生一起起動(dòng)機(jī)突然失效事件。分解起動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)渦輪盤(pán)組件（見(jiàn)圖15），一片渦輪葉片斷裂，前后共有5片葉片前緣有目視可見(jiàn)裂紋，多數(shù)葉片相同位置有裂紋，多數(shù)渦輪葉尖有磨損和材料丟失。但是該起動(dòng)機(jī)徑向軸承目視檢查無(wú)明顯異常，可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)，由此斷定該起動(dòng)機(jī)的失效原因?yàn)闇u輪盤(pán)組件。

以上典型事例說(shuō)明，渦輪盤(pán)組件可能就是對(duì)經(jīng)濟(jì)性和安全性造成嚴(yán)重影響、廠家無(wú)法找到根本原因的徑向軸承失效元兇之一。提前發(fā)現(xiàn)渦輪盤(pán)組件問(wèn)題，預(yù)防性拆下起動(dòng)機(jī)，避免損傷的渦輪盤(pán)組件在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生動(dòng)不平衡而造成徑向軸承額外負(fù)載增加，將能顯著減少起動(dòng)機(jī)徑向軸承失效事件。

根據(jù)該航司孔探經(jīng)驗(yàn)，建議可以暫時(shí)采取以下標(biāo)準(zhǔn)：

1）如果渦輪葉片有明顯斷裂、裂紋、彎曲、掉塊、葉尖卷曲、葉尖刮擦殼體痕跡，需要立即拆下起動(dòng)機(jī)。這些類(lèi)型的損傷將導(dǎo)致渦輪組件葉片重量改變或氣流通道改變，二者均會(huì)造成起動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)動(dòng)不平衡，增加徑向軸承負(fù)載，使徑向軸承失效。

2）如果發(fā)現(xiàn)渦輪葉片有不大于葉片厚度的凹坑，此類(lèi)損傷不會(huì)減少渦輪葉片重量，也不會(huì)改變氣流通道，對(duì)渦輪盤(pán)動(dòng)平衡無(wú)明顯影響，起動(dòng)機(jī)可以繼續(xù)使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)、研究發(fā)現(xiàn)，孔探檢查起動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)組件渦輪葉片可以提前捕捉到損傷。根據(jù)損傷位置和類(lèi)型及時(shí)采取相應(yīng)措施，可以在不增加維修成本的前提下提高起動(dòng)機(jī)的可靠性，有效減少因起動(dòng)機(jī)造成的航班不正常事件。

參考文獻(xiàn)

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[5] HW SIL：D201505000040 Inform Operators of Commercial Support for CFM56-7B，Air Turbine Starter Radial Bearing Failures [Z].

作者簡(jiǎn)介

王錦申，南航機(jī)務(wù)工程部副總經(jīng)理，主要從事機(jī)務(wù)工程技術(shù)管理工作。