CFM56-7B風(fēng)扇葉片從根部斷裂事故簡析

■ 陳光 / 北京航空航天大學(xué)

（陳光，北京航空航天大學(xué)退休教授，著名航空發(fā)動(dòng)機(jī)專家）

風(fēng)扇葉片葉根截面處局部區(qū)域應(yīng)力過大會造成低循環(huán)疲勞，從而導(dǎo)致風(fēng)扇葉片在榫根處斷裂，CFM56-7B曾因此發(fā)生了兩次嚴(yán)重的事故。

美國西南航空公司的兩架737-700客機(jī)在2016年和2017年先后發(fā)生風(fēng)扇葉片從根部斷裂事故，打壞了兩架737-700客機(jī)。經(jīng)過美國聯(lián)邦航空局（FAA）與美國國家運(yùn)輸安全委員會（NTSB）對兩起事故的調(diào)查，建議制造商重新設(shè)計(jì)737-700/-800/-900飛機(jī)所用的風(fēng)扇整流罩，以保證整流罩在風(fēng)扇葉片斷裂后的結(jié)構(gòu)完整性。

事故基本情況

美國西南航空公司的一架737-700客機(jī)于2016年8月27日在執(zhí)行由路易斯安那州新奧爾良飛往佛羅里達(dá)州奧蘭多的WN3472航班時(shí)，當(dāng)飛機(jī)離地爬升至9450m，左發(fā)突發(fā)非包容故障，碎片擊穿飛機(jī)機(jī)體左側(cè)并打傷機(jī)翼與尾翼，造成客艙失壓，氧氣面罩自動(dòng)彈出，飛機(jī)單發(fā)飛行，在20min后降落到彭薩科拉機(jī)場，機(jī)上載有99名乘客與5名機(jī)組人員，無人員傷亡。此事故被稱為WN3472事故。

NTSB與FAA對WN3472事故受損的飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢查分析后，于2016年9月12日發(fā)布了初步檢查報(bào)告指出：發(fā)動(dòng)機(jī)中有一個(gè)風(fēng)扇葉片從葉身與葉根交接處折斷，葉片的榫根部分仍殘留在輪盤的榫槽中，但葉身部分已丟失；在榫根斷口上呈現(xiàn)出明顯的疲勞條帶，其長度為28.9mm，深約為5.5mm，疲勞區(qū)的中心部分距葉根前端面53.3mm。另外，左發(fā)進(jìn)氣道己脫離發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖1），其碎片打壞機(jī)體、機(jī)翼與尾翼，機(jī)體左側(cè)緊靠機(jī)翼上方發(fā)現(xiàn)一個(gè)129mm×408mm的大洞，但未擊穿機(jī)體內(nèi)壁，洞內(nèi)未發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇葉片及進(jìn)氣道的殘片。

圖1 WN3472航班發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道已甩離

WN3472事故后的8個(gè)月，即2017年4月17日，美國西南航空公司一架載有144名乘客與5名機(jī)組人員的737-700客機(jī)在執(zhí)行由拉瓜迪亞飛往達(dá)拉斯拉夫菲爾德的WN1380航班時(shí)，當(dāng)飛機(jī)爬升至9800m，左發(fā)突發(fā)非包容故障，造成進(jìn)氣道破碎與風(fēng)扇整流罩嚴(yán)重受損。其碎片不僅打傷機(jī)體、機(jī)翼與尾翼，還打壞了靠近14排座椅處的舷窗玻璃，使客艙失壓，氧氣面罩自動(dòng)彈出，并將一名坐在14排的女乘客吸出窗外，雖然其他乘客與空乘將其拉回并進(jìn)行搶救，但由于傷勢過重而死亡，另有8人受傷。飛機(jī)單發(fā)飛行，在20min后降落到彭薩科拉機(jī)場。這是美國民航從2009年來第一次有乘客死亡的飛行事故，也是西南航空公司成立以來第一次出現(xiàn)有乘客死亡的事故，此次事故被稱為WN1380事故。

飛機(jī)著陸后，NTSB立即對受損的飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了初步檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)受損情況基本與WH3472一致（見圖2），即1個(gè)風(fēng)扇葉片在榫根處疲勞斷裂，打壞了風(fēng)扇整流罩與進(jìn)氣道，其斷片打傷機(jī)體與機(jī)翼各一處，并打破了位于左側(cè)14排座椅處的弦窗玻璃。

圖2 WN1380發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣部分受損嚴(yán)重

事故原因分析

在這兩起事故中，雖有1個(gè)風(fēng)扇葉片從榫根處斷裂后甩出發(fā)動(dòng)機(jī)，但風(fēng)扇外的包容環(huán)卻基本完好無損（見圖3），使專業(yè)人士感到疑惑，是不是葉片斷裂后的斷塊在工作中不是徑向甩離發(fā)動(dòng)機(jī)而是向前斜向甩出的。如果是這樣，現(xiàn)有的有關(guān)葉片甩出的包容性適航條例就顯得不合適了，因?yàn)榘船F(xiàn)有適航條例葉片是徑向甩出發(fā)動(dòng)機(jī)的。

圖3 兩次發(fā)動(dòng)機(jī)故障中包容環(huán)均完好無損

兩次出現(xiàn)故障的發(fā)動(dòng)機(jī)均為CFM56-7B，這是一型可靠性高、性能優(yōu)越的發(fā)動(dòng)機(jī)。在WN1380事故發(fā)生兩年半后，NTSB于2019年11月19日發(fā)布了于2018年4月17日編寫的有關(guān)WN1380的《飛機(jī)事故報(bào)告》，在報(bào)告中詳細(xì)分析了發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片斷裂的機(jī)理與葉片斷裂后造成的損傷過程，否定了前述的疑惑。發(fā)動(dòng)機(jī)的13號風(fēng)扇葉片在飛行中，突然從葉身與榫根交接處斷裂，是WN1380事故的肇事者。葉片的燕尾形榫根保留在輪盤的弧形榫槽中，榫根斷口處有一明顯的疲勞區(qū)，如圖4所示，疲勞區(qū)距葉片前緣15.4mm，其中有明顯的6根疲勞條帶，屬于典型的低周疲勞性質(zhì)，葉片斷裂時(shí)已工作32636循環(huán)（從新葉片開始）。另外，在WN3472事件中，該發(fā)動(dòng)機(jī)的23號風(fēng)扇葉片也是從葉身與榫根接交處折斷的，其斷口的形貌與疲勞區(qū)的位置與大小，基本與13號風(fēng)扇葉片相近，此葉片已工作38182循環(huán)。

圖4 燕尾形葉片片身與榫根交接處的形貌

NTSB對風(fēng)扇葉片的材質(zhì)與制造等進(jìn)行了全面的檢查，沒有發(fā)現(xiàn)問題。最終得出發(fā)生裂紋的區(qū)域處于特別大的應(yīng)力值下，在工作一段時(shí)間后引發(fā)初始裂隙，裂隙逐步擴(kuò)大成為裂紋直致葉片斷裂的結(jié)論。

在分解發(fā)動(dòng)機(jī)后，在風(fēng)扇葉片與出口導(dǎo)向葉片間的包容環(huán)底部發(fā)現(xiàn)了2塊風(fēng)扇葉片斷片，其中一塊長約50.8mm，另一塊長約304.8mm，是榫根以上的部分，加上殘留在輪盤榫槽中的榫根，殘存的葉片斷片占葉片總質(zhì)量的86%，也即有14%的葉尖部分，軸向流出了包容環(huán)。對包容環(huán)的檢查，發(fā)現(xiàn)在底部有3處明顯的撞擊痕跡，還有1個(gè)小的撕裂槽，但無碎片穿出的痕跡。由此可見，葉片斷片是在6點(diǎn)鐘位置處徑向砸向包容環(huán)的，撞擊后葉片斷成幾塊，因此在事故中，包容環(huán)起到了應(yīng)有的作用，也證實(shí)了CFM56-7B的鋁制包容環(huán)經(jīng)受住了實(shí)際工作中的考驗(yàn)。

圖5示出了CFM56-7B整個(gè)動(dòng)力裝置，進(jìn)氣道與風(fēng)扇整流罩由飛機(jī)研制單位生產(chǎn)。進(jìn)氣道固定在發(fā)動(dòng)機(jī)包容環(huán)的前邊；風(fēng)扇整流罩用鉸鏈連接到機(jī)翼下發(fā)動(dòng)機(jī)的吊架中，整流罩由內(nèi)、外2塊組成，在做地面維修時(shí)它們可以向飛機(jī)內(nèi)側(cè)方向或外側(cè)方向打開，當(dāng)它們合攏時(shí)，在底部用軸向銷將其鎖住。由于整流罩是一件體積較大的薄壁件，為了維持它的固有形狀，在鄰近底部結(jié)合面處設(shè)有1個(gè)徑向鎖緊固定件，使整流罩下方與包容環(huán)固定。

圖5 CFM56-7B動(dòng)力裝置

圖6 CFM56兩型發(fā)動(dòng)機(jī)的包容環(huán)不同設(shè)計(jì)

CFM56-7B是CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)中的最后一型，在風(fēng)扇部件中有兩處與之前型號不同：葉片采用了寬弦設(shè)計(jì)，使單片葉片質(zhì)量加大；包容環(huán)的材料由17-4PH合金鋼改用了鋁合金，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也做了改進(jìn)，圖6示出了CFM56-3與CFM56-7B的包容環(huán)設(shè)計(jì)。用鋁合金制造風(fēng)扇的包容環(huán)還是第一次，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，對包容環(huán)的包容能力進(jìn)行了8種部件試驗(yàn)臺的調(diào)試，最后調(diào)整完善的包容環(huán)進(jìn)行了兩次葉片甩出試驗(yàn)，這在發(fā)動(dòng)機(jī)取證試驗(yàn)中是少有的。第一次試驗(yàn)中，葉片斷片被包容環(huán)包容住了，但葉片在輪盤中的軸向鎖緊裝置斷裂，造成幾片葉片甩離輪盤，試驗(yàn)失敗。經(jīng)過近一年的改進(jìn)與調(diào)試后，第二次葉片甩出試驗(yàn)取得成功，才使得CFM56-7B于1996年12月取得適航證。在進(jìn)行葉片甩出試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)氣道是裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的，而整流罩沒有裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外部。

在葉片甩出的取證試驗(yàn)中，葉片從根部斷裂時(shí)葉片所處的位置規(guī)定在上方即12點(diǎn)鐘的位置。但在WN1380事故中，葉片斷裂是在6點(diǎn)鐘位置，即發(fā)動(dòng)機(jī)下方發(fā)生的，這就造成了嚴(yán)重的二次損傷事故。

在WN1380事故中，13號風(fēng)扇葉片斷裂后撞到包容環(huán)的下部，葉片斷裂成幾塊，其中2塊殘留在包容環(huán)內(nèi)，葉尖部分?jǐn)喑傻膸讐K（數(shù)目不詳，也可能就是1塊）斷片，向前甩出（葉片折斷后發(fā)動(dòng)機(jī)立即進(jìn)入喘振，氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)中軸向前、后流動(dòng)）打壞了進(jìn)氣道與包容環(huán)的連接部位，使進(jìn)氣道甩離飛機(jī)墜地，圖7示出墜落在地上的進(jìn)氣道與部分整流罩。

當(dāng)葉片砸向包容環(huán)底部時(shí)，對整流罩的徑向鎖緊固定件作用了一個(gè)大能量沖擊載荷，在這個(gè)強(qiáng)勁的沖擊載荷作用下，不僅使鎖緊固定件破壞，而且將部分整流罩撕裂，其斷塊甩離飛機(jī)時(shí)，不僅擊傷了飛機(jī)幾處結(jié)構(gòu)，而且有一塊打碎了靠近14排舷窗的玻璃（見圖8），造成客艙失壓、氧氣面罩彈出，還使一位女乘客喪生。

兩次CFM56-7B嚴(yán)重故障均由于風(fēng)扇葉片在葉根截面處，局部區(qū)域應(yīng)力過大而造成低周疲勞導(dǎo)致的，為了不使類似故障再次出現(xiàn)，F(xiàn)AA、歐洲航空安全局（EASA）等適航部門先后發(fā)出若干適航指令，要求用戶加強(qiáng)對風(fēng)扇葉片榫根處的超聲探傷儀、渦流探傷儀與螢光檢驗(yàn)儀檢查，看是否有微小裂紋存在。現(xiàn)在的規(guī)定大致是，從新件開始到20000循環(huán)時(shí)進(jìn)行第一次檢查，隨后每1600循環(huán)檢查一次。另外，雖然風(fēng)扇葉片被規(guī)定為無壽命限制的零件，但是2019年8月6日CFM國際公司發(fā)出的服務(wù)通報(bào)稱，當(dāng)風(fēng)扇葉片工作時(shí)間達(dá)到55000循環(huán)時(shí)，應(yīng)該報(bào)廢而不再使用，即風(fēng)扇葉片從無壽命限制件變成有壽命限制件。

圖7 墜落到地面的進(jìn)氣道與整流罩

圖8 砸破舷窗玻璃的整流罩?jǐn)鄩K

結(jié)束語

NTSB在這份有關(guān)WN1380的《飛機(jī)事故報(bào)告》中，最后提出了幾條建議，其中首要的是波音公司應(yīng)確定CFM56-7B斷裂的風(fēng)扇葉片撞擊到包容環(huán)的關(guān)鍵部位及其影響，重新設(shè)計(jì)用于737-700/-800/-900飛機(jī)所用的風(fēng)扇整流罩，以保證整流罩在遭受風(fēng)扇葉片斷裂后的結(jié)構(gòu)完整性。當(dāng)完成這項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計(jì)后，除要求波音公司在新生產(chǎn)的該型飛機(jī)中使用新設(shè)計(jì)的整流罩外，還要求在役的飛機(jī)立即更換新設(shè)計(jì)的整流罩。另外，還要求飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)研制廠商共同開展研究工作，以確定在各種工作條件下，葉片斷片砸向什么位置會對整流罩結(jié)構(gòu)完整性造成大的影響，從而開發(fā)一個(gè)適用整流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析工具。