PW4077風扇葉片斷裂引發(fā)的重大故障簡析

■ 陳光

近年來，以PW4077為動力的波音777-200飛機連續(xù)發(fā)生風扇葉片斷裂的安全事故，引發(fā)美國聯(lián)邦航空局（FAA）的關注，要求對進氣道與風扇整流罩重新進行設計與評估，縮短風扇葉片裂紋檢查周期并加強人員培訓。

美國聯(lián)合航空公司的一架波音777-200客機于2021年2月20日執(zhí)行由丹佛飛往夏威夷的UA328航班任務，在起飛約4min爬升到3800m高度時，機上人員聽到一聲巨響，隨后飛機出現(xiàn)極大的振動。機上乘客從舷窗向外看時，發(fā)現(xiàn)右側發(fā)動進氣道與風扇整流罩全部脫落，暴露在外的發(fā)動機后部燃起大火，如圖1所示。飛行員隨即打開滅火系統(tǒng)，將火撲滅，并用左側發(fā)動機將客機平安降落在起飛機場。該飛機從起飛到著陸歷時24min，所幸沒有人員傷亡，此次事故稱為UA328事件。

圖1 燃燒著的發(fā)動機

機場人員對著陸后的飛機進行檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機的進氣道、風扇整流罩全部脫落。一個風扇葉片的近葉根處發(fā)生斷裂，緊鄰的一個葉片在中部產生斷裂。風扇所有葉片的葉尖及前緣均有傷痕，一個風扇葉片斷片卡在包容環(huán)中。包容環(huán)布滿傷痕，但仍保持著圓形。發(fā)動機側面顯示有燃燒過的痕跡，如圖2所示。飛機機身也有多處外物打傷的痕跡。

圖2 發(fā)動機后部被火燒過

脫落的部件基本都在地面被發(fā)現(xiàn)。碩大的進氣道（外徑近3.5m）墜落于一處居民小院中，除一個斷口外基本完整，如圖3（a）所示；整流罩的十幾個斷片在多處被發(fā)現(xiàn)，如圖3（b）所示。

圖3 丟失的部件

發(fā)動機簡介及故障調查

PW4077發(fā)動機是美國普惠公司研制的PW4000發(fā)動機中的第三個系列，其風扇直徑為2.84m，裝有22個由鈦合金制成的空心寬弦風扇葉片，是普惠公司第一次采用空心風扇葉片的發(fā)動機。風扇葉片長103cm, 葉尖處的寬度為56.5cm，葉根處的寬度為31.75cm，每片葉片的質量為15.81kg。飛機的動力裝置由進氣道、風扇整流罩、發(fā)動機與反推裝置組成，如圖4所示。

圖4 PW4077發(fā)動機

事故調查人員對葉根處折斷的風扇葉片的斷口做了金相分析，發(fā)現(xiàn)斷口處存在低循環(huán)疲勞條帶，而葉身中部斷裂葉片斷口的金相分析則未發(fā)現(xiàn)疲勞條帶，確定該處屬于大負荷作用下的斷裂。因此，可以推測這次重大故障的根源是由風扇葉片靠近葉根處的低循環(huán)疲勞造成的。

由以上情況可以大致分析出故障發(fā)展過程：在飛機爬升過程中，發(fā)動機處于最大轉速下，突然一個葉片在靠近葉根處斷裂，斷片在極大的離心力作用下甩向包容環(huán)，被包容環(huán)包住，并斷成幾塊，其中一塊卡在包容環(huán)中；發(fā)動機隨即發(fā)生喘振，喘振引起的氣流回流將另一塊斷片沖出發(fā)動機，對飛機的某些地方造成損傷，同時對進氣道與發(fā)動機包容環(huán)的連接處產生了極大的沖擊載荷；當葉片甩離輪盤時，風扇轉子的平衡遭到破壞，引起發(fā)動機極大的振動，除對所有風扇葉片與包容環(huán)接觸產生刮蹭外，還對進氣道與風扇整流罩作用了過大的載荷；最終造成進氣道脫離發(fā)動機，風扇整流罩斷裂成多塊甩出發(fā)動機，其中有些斷塊還對飛機造成一定的損傷；同時，過大的振動還造成發(fā)動機外部一些導管破裂，使部分燃油與液壓油外泄，引起燃燒。

另兩起類似故障

在此事故發(fā)生前，還發(fā)生過兩起類似的故障，如圖5所示。2020年12月4日，日本航空公司的一架波音777-200客機執(zhí)行由沖繩飛往東京的JL904航班任務，當飛機由沖繩起飛爬升至5000m高度時，發(fā)生了風扇葉片斷裂引發(fā)的重大故障（一側的風扇整流罩丟失），即JL904事件。2018年2月13日，一架美國聯(lián)合航空公司的波音777-200客機，執(zhí)行由舊金山飛往夏威夷的UA1175航班任務時，當飛機還在太平洋上空距夏威夷還有223km時，發(fā)生了風扇葉片斷裂引發(fā)的重大故障，飛機進氣道大部分脫落，風扇整流罩全部脫落，即UA1175事件。

圖5 兩起風扇葉片斷裂引發(fā)的重大故障

在這兩起事件中，風扇葉片斷裂情況與斷口疲勞裂紋所處位置與UA328事件基本一致，如圖6所示，表明3起事件均由風扇葉片疲勞斷裂引起的。

圖6 風扇葉片斷裂情況與斷口疲勞裂紋所處位置

發(fā)生故障的飛機與發(fā)動機，累計的工作時間均較長。以UA1175事件為例，其飛機生產于1995年，至事發(fā)時已累計工作89723h/16339循環(huán)；其發(fā)動機從裝機開始，已累計工作77593h/13921循環(huán)，從最后一次翻修到事發(fā)，已工作8579 h/1464循環(huán)。

故障原因簡析

由于風扇葉片屬無壽命限制的零件，為了探測使用時間較長的空心葉片的芯部結構是否出現(xiàn)初始裂紋，普惠公司于2005年發(fā)展了一種熱聲成像檢測（TAI）技術，以檢測葉片內部結構是否出現(xiàn)裂紋，據稱該技術的檢查效果大致可以滿足需求。但普惠公司并沒有對此制定一套規(guī)范的培訓流程和技術驗證規(guī)范，導致部分機務人員無法正確判斷風扇葉片裂紋的情況，最終導致這3起風扇葉片的空中斷裂事故。

此外，發(fā)動機取證時通過了嚴苛的風扇葉片包容試驗，即使在使用中出現(xiàn)風扇葉片斷裂故障，這3起事故中的嚴重情形也不應發(fā)生。究其原因，在于取證試驗中有兩點與實際情況嚴重不符：一是取證時所用的進氣道后加強筋環(huán)采用了鋁合金，而在飛機上實際使用的卻是復合材料，兩種材料的力學性能差異較大，在極大的振動條件下，加之風扇葉片斷片在向前沖擊過程中對加強筋環(huán)的沖擊載荷，使其斷裂破損，導致進氣道整體或局部脫離發(fā)動機；二是取證試驗時，由波音公司設計制造的風扇整流罩沒有裝到發(fā)動機上，因此整流罩沒有經過嚴苛條件下的考驗。除此之外，據波音公司稱，由復合材料蜂窩結構制成的整流罩在長期使用中吸收了空氣中的水，材質性能變差，在發(fā)動機過大振動作用下易于受損，這也是發(fā)生如此嚴重故障的誘因之一。

結束語

在發(fā)生這3起事故后，美國聯(lián)邦航空局（FAA）要求波音公司對發(fā)動機的進氣道與風扇整流罩進行重新設計、評估，并采取相應措施。對于普惠公司，F(xiàn)AA對其要求縮短TAI檢查的間隔，并加強對維修人員有關TAI操作的培訓。