GEnx發動機重大故障原因分析:錐齒輪共振造成空中停車事件


GEnx發動機重大故障原因分析:錐齒輪共振造成空中停車事件



GEnx是GE公司為波音787“夢幻”客機與波音747-8客、貨機,在GE90的基礎上研製的新一代高涵道比渦扇發動機。由於採用了高的涵道比(10.0)與高的總壓比(45.0),加上採用了最新發展的一些先進技術,使它具有低油耗、低汙染與低噪聲的特點。


其巡航耗油率比用於A330的CF6-80E1A4(1990年投入使用)低15.4%,比用於B777的GE90-94B(1995年投入使用)低6.9%。但它卻在使用中出現了一些重大故障。



GEnx發動機重大故障原因分析:錐齒輪共振造成空中停車事件


圖1、GEnx發動機附件傳動系統


錐齒輪共振造成空中停車事件


2016年8月6日,捷星航空公司(Jetstar Airways)的一架B787執行從日本東京飛往澳大利亞黃金海灣的JQ12航班,機上載有乘客309人、機組9人。飛機飛行2h後,機組看到EICAS(發動機指示與機組報警系統)顯示右發2號發電機(每臺發動機裝有2臺交流發電機)出故障的信息,機組立即斷開此發電機與附件傳動機匣AGB的連接,同時立即起動輔助動力裝置APU,用APU的發電機向飛機供電系統供電。


約30min後,機組看到了右發滑油油量低與滑油油壓低的指示,於是機組將右發關停,然後將飛機用左發飛到370 km處的關島機場,飛機安全著陸,無人員傷亡,是一次空中停車事件。


當打開發動機短艙後,發現發動機下部聚集有大量滑油,在滑油管路中發現大量金屬屑末。將發動機拆下後送回GE公司檢查。在檢查中,發現滑油屑末檢測器記錄中,飛行1h後,屑末探測開始記錄屑末數,當飛行員斷開2號發電機時有7個屑末,過了42min後,有8個屑末,併發出右發屑末過多警示,再過4min達到11,且滑油大量洩漏,EICAS發出滑油壓力低與滑油量過低的警示,飛行員關掉髮動機,將飛機用單發飛到關島降落。


在大涵道比渦扇發動機的附件傳動系統中,中央傳動部分IGB通過傳動杆將扭矩傳到換向齒輪箱TGB中的主動錐齒,通過從動錐齒換向後由水平傳動杆將扭矩傳到附件傳動機匣AGB中(圖1)。


這次故障就是換向齒輪箱中的主動錐齒(或稱傘齒輪)發生共振而引起的。在檢測中,發現換向齒輪箱破裂,其中的錐形齒輪損壞(圖2),滑油濾被金屬屑末堵滿,滑油屑末探測器(也稱磁堵)上吸滿金屬屑末(圖3)。


GEnx發動機重大故障原因分析:錐齒輪共振造成空中停車事件


圖2、 換向齒輪箱與錐齒受損情況


通常認為,與一般正齒輪相比,錐齒做得較厚實,不容易出現共振引發的故障,實際上絕大多數發動機中,錐齒也是很少出現共振的,但是這並不能排除在某些特定情況下,出現共振造成嚴重後果的事件,只要錐齒斷裂就會引起發動機空中停車。WP13發動機就發生過錐齒共振斷裂造成空中停車的嚴重事件。

捷星航空這次錐齒共振造成空中停車事件並不是GEnx的第1次,在此之前己出現過7次,加上這次共8次,確實是令人吃驚;


相比之下,GE90在運行20年中由於不同故障造造的空中停車事件僅4次,更顯出錐齒共振的嚴重性。


早在捷星事件前5個月,即2016年3月31日,GE發佈了SB72-0298 服務通報,通報中指出換向齒輪箱中的主動錐齒會出現共振,共振會引起錐齒斷裂,能引發滑油洩漏並造成空中停車。



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圖3 、吸滿屑末的磁堵與被屑末堵住的油濾


為此,對錐齒進行了改型,即在錐齒上加裝一個減振環,以減輕共振時的破壞力。在此通報中列出了換用新攺型錐齒的時間表(以2016.03.31為起點),表中規定換向齒輪箱的CSN(從開始使用起累計的循環數)為300時,在一年內更換;CSN為300到1000時,10個月更換;大於1000時8個月內更換。


出事的TGB只運行了181個CSN,遠遠低於在1年後更換的要求,說明GE的處置方案不恰當。捷星公司並未按GE的時間表,於2016年11月一將全機隊的TGB作了更換。


GE公司的這種拖拉做法實際上是非常不可取的,應該在出現第1次事件後,就對外場的發動機更換改進的錐齒,而不是幾個月到一年逐步更換。發生故障的錐齒是裝在發動機外的換向齒輪箱中,更換錐齒時不需分解發動機,在翼下就可更換,這麼容易的處置方法為什麼要拖那麼長時間,最終造成8次同樣事件,實在令人不解。


排出錐齒出現共振故障的常用措施是在錐齒上開一環形槽,槽中安放一個減振環,以減小共振時的振幅,例如,GE90發動機就採用了這一結構(圖4),GEnx也釆用了這種結構。圖5中示出了錐齒加與不加減振環對共振振幅大小的影響,由圖看出加了減振環後,錐齒共振振幅會大大降低。



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圖4、GE90加減振環的錐齒


低壓渦輪軸斷裂造成發動機包容故障

2012年7月28日,即將交付給印度航空公司的一架B787飛機在作地面滑行試驗時,其所裝的GEnx發動機發生了一起嚴重的包容故障,發動機中損壞的碎片未擊穿機匣徑向甩出發動機,而是由尾噴口軸向噴出,對機翼與機身下部造成了小的碰傷與灼傷,灼熱的碎片掉到跑道側邊的草坪中,引起草坪失火,經機場救火隊撲滅。


經檢查,這是一起斷軸故障,即低壓渦輪軸(GE公司稱它為風扇中間軸FMS)從前端緊固螺紋的最後螺紋根部處斷裂(圖6),由於GEnx裝有防止低壓渦輪軸斷裂後不會引起渦輪盤超轉的措施,所以渦輪盤未破裂,而是在渦輪軸向氣動力作用下,渦輪轉子向後竄移,工作葉片與導向葉片相碰撞,造成一些葉片破裂,其斷片隨噴氣流軸向甩出發動機。



GEnx發動機重大故障原因分析:錐齒輪共振造成空中停車事件



圖5、減振環對錐齒振幅的影響

緊固低壓渦輪軸與風扇軸的緊固大螺帽與墊圈仍殘留在低壓渦輪軸前端。圖7示出了低壓渦輪軸的斷口形貌,可以明顯看出無疲勞條帶。斷口顯示出有2種故障模式,其一是逐漸開裂,其二是瞬斷。表面上85%處顏色有異樣,表明曾較長時間暴露在外部環境下,是逐漸開裂的,其餘是在大應力下突然斷裂,這說明軸是先開裂,最後在大應力作用下瞬斷的。


低壓渦輪軸長2.4m,由GE1014超強度合金鋼製成,此鋼的拉伸強度為1.965MPa,比GE90發動機用的材料(1.84 MPa)約高7%,其硬度也較高(約為HRC55),給加工帶來麻煩。通過電子顯微鏡的觀測,發現它具有“環境助長開裂EAC”的特點,說明這種材料對使用環境的影響比較敏感。



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圖6 、低壓渦輪軸與風扇軸連接處結構


這次事件中的發動機工作僅18h16min,其中臺架試車9h21min,裝在飛機上後在地面工作 8h55min,在這麼短時間內,竟然出現斷軸事件,實屬罕見。據GE公司統計,在過去的10年中,GE與CFMI約有25 000臺發動機在使用,工作總時數約6億飛行小時,只出現過6次斷軸事件。


在此事件發生6周後,即2012年9月17日,一架俄羅斯空橋貨運公司ABC的B747-8貨運機在上海起飛後,其中一臺GEnx出現了低壓渦輪軸斷裂的包容故障,與上述故障一致,造或發動機空中停車。飛機在其它3臺發動機工作下安全返回機場。


經過分析研究,發現斷軸是螺紋件的凃料不合適造成的。在以往GE公司在受力較大的螺紋上,塗有一薄層鉛基的幹膜潤滑劑MolyDag 254,裝配時,為易於裝配,在螺紋上凃有發動機用的合成滑油與油脂。


但在GEnx中,換用了一種不含鉛的新幹膜潤滑劑Everlube 9002,裝配時用了石墨脂。對兩種不同的幹膜潤滑劑進行了多種試驗,在吸收水份的試驗中,Everlube 9002的吸水率比MolyDag 254高出3.5倍。


另外,在塑料罩罩住的潮溼試驗檯中,對低壓渦輪軸的材料進行了168次二點彎曲試驗,用不同的幹膜潤滑劑、油脂與合成滑油的組合進行試驗。試驗中,在高、低不同的應力下,攺變試驗的溼度,最後有兩組試件斷裂:採用Everlube 9002與石墨脂的試件在43天后斷裂,而釆用MolyDag 254與合成滑油的試件在149天斷裂,兩個試件均在較低的靜態應力與較高的溼度下失效。


對低壓渦輪軸的鏽蝕試驗中,得出:未用幹膜潤滑劑的GE1014其鏽蝕率比採用Everlube 9002的GE1014的低。這些試驗說明採用Everlube 9002幹膜潤滑劑是發生這次事件的原因。


隨後,GE公司發展了一種超聲掃描撿測低壓渦輪軸螺紋處是否有開裂發生的方法,對所有在使用中的以及在庫存中的全部GEnx的低壓渦輪軸進行了檢測,檢測中還真的發現了一臺發動機的低壓渦輪軸在螺紋後端處有類似的裂縫,這臺發動機雖然已裝到一架B787-8飛機上,但還沒有進行飛行,避免了一次可能的重大故障。



GEnx發動機重大故障原因分析:錐齒輪共振造成空中停車事件


圖7、 低壓渦輪軸斷裂處的斷口形貌


此後,國家運輸安全局NTSB向FAA發佈了2項緊急建議:1.發佈一項適航指令,要求對於那些所有尚未用超聲檢查過低壓渦輪軸的GEnx-1B及GEnx-2B發動機在進一步飛行前,對低壓渦輪軸進行超聲掃描檢查。2.要求用戶經常對該軸進行檢查,以查明是否存在快達到臨界裂紋長度的裂紋。為此,FAA發佈了AD-2012-19-08適航指令,指令中要求對低壓渦輪軸進行初始的與以後重複的超聲波檢查,以確定軸上是否有裂紋存在。


GE公司己經取消了使用Everlube 9002及石墨脂,攺回到以前用的MolyDag 254與合成滑油,並且根據FAA適航指令的要求,規定每工作100小時對該軸進行超聲波檢查。


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