05.12 聚焦羅·羅遄達1000發動機:齒輪箱故障使全日空停飛五架波音B787

聚焦羅·羅遄達1000發動機:齒輪箱故障使全日空停飛五架波音B787

陳光/文

遄達 1000 是羅羅公司為波音 787 “夢幻”客機研製的高涵道比(11)與高總壓比(51)、低油耗與低汙染及低噪聲的新一代發動機。

為了滿足 21 世紀“綠色航空”的要求, 遄達 1000 是羅羅公司遄達系列發動機中較新型號,它不僅繼承並發展了遄達系列發動機的設計,採用了其研製與使用中的經驗與教訓,而且還採用了最新發展的一些先進技術,使得遄達 1000 不僅性能達到較高的水平,而且研製週期短。

聚焦羅·羅遄達1000發動機:齒輪箱故障使全日空停飛五架波音B787

2004年4月6日,波音公司宣佈B787選用了GE公司的GEnx與羅羅公司的遄達1000作為其動力後,遄達1000開始了研製工作,首臺遄達1000於2006年2月14日進行了地面臺架試車,2007年6月18日完成了飛行臺(B747-200攺裝)的飛行試驗,2007年8月7日(按歐洲習慣此日期簡寫為7-8-7)取得美國FAA與歐洲航空安全局EASA的聯合適航證。

2011年10月26日日本全日空ANA的B787(裝遄達1000發動機)進行了首次商業飛行,到2017年7月共有550架B787在航線上營運,其中213架使用遄達1000發動機。

遄達 1000 如圖 1 所示,由單級風扇、8 級中壓壓氣機、 6 級高壓壓氣機、單級高壓渦輪、單級中壓渦輪與 6 級低壓渦輪組成。為滿足三型 B787 的推力要求,並考慮飛機今後發展的需要,發動機設計推力範圍為 236kN ( 53000lbf ) ~370kN ( 70000lbf)。

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圖1、遄達1000發動機

遄達1000雖如上所述發展基礎好,是沿用了遄達系列型號衍生發展而來的,而且又釆用了許多21世紀發展的新技術,但是在取得適航證之前及使用中,卻發生了多起嚴重故障,令人難以置信。

中壓轉子連軸器失效造成中壓渦輪盤非包容故障

在遄達1000還未交付使用前的2010年8月2日,遄達1000在羅羅的室內58號試車臺試車時,由於發動機內部滑油燃燒,造成中壓渦輪輪盤非包容的嚴重故障,輪盤斷塊擊穿機匣,打壞了臺架的一些設備。

由於出了這次重大故障,使B787的交付時間己一再延誤後的情況下,再一次後延。3個多月後,同樣由於發動機內部滑油燃燒造成中壓渦輪輪盤非包容故障,在A380的遄達900上發生了,當時飛機共載有466人由新加坡飛往悉尼,破裂的多個輪盤斷塊擊穿機匣,打壞了飛機許多構件、管道與導線,在駕駛員的精心操作下,才使得這架損壞得慘不忍睹的飛機安全著陸,譜寫了一曲英雄讚歌,這就是航空史上有名的QF32航班事件。

遄達1000是在遄達900的基礎上衍生發展的,同一公司研製的兄弟兩型發動機,基本上在同一時間內,發生了同樣的嚴重故障,這在航空史上也屬罕見。

事後羅羅公司發表聲明宣稱,兩起故障後果雖然相同,但起因不同:遄達900是由於一個滑油短管制造不佳造成管壁厚度不均,最薄處僅0.35mm(設計值為0.91mm),工作一段時間後疲勞斷裂,滑油由裂縫處噴出,在高溫氣體的影響下自燃,燃燒的高溫火焰使中壓渦輪盤後的承力環與中壓渦輪軸連接處失去強度而斷開(參見圖2),中壓渦輪與中壓壓氣機斷開,中壓渦輪在高溫燃氣的作用下,轉速迅速上升達到飛轉,輪盤在極大的轉速下破裂,斷塊則在極大的離心力作用下擊穿機匣甩離發動機。

對於遄達1000的事件,羅羅開始並未作更多的說明,由於它還未投入航線使用,因而適航部門並未介入對此事件的調查。

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圖2、遄達900、遄達1000高、中壓渦輪間承力框架結構

可是,恰巧在此時,美國FAA正準備批准EASA的一個有關用於A380的遄達900中壓轉子剛性連軸器的適航指令,該指令中指出,在分解遄達900時,發現多臺發動機中壓轉子剛性連軸器(中壓渦輪軸與中壓壓氣機後軸連接處)的套齒端面,磨損量超出規定值。

羅羅公司才承認遄達1000的事件,也是由於剛性連軸器套齒端面磨損量過大,引發滑油自燃造成的。

剛性連軸器套齒端面在工作中磨損量過大後,會使中壓渦輪轉子後移,由圖可見,移動量大時,會使軸承腔兩端封嚴箆齒的轉子、靜子間錯開,使兩端篦齒封嚴均失效,造成高溫氣體由前箆齒處竄入軸承腔。

使腔中滑油在高溫下自燃,燃燒後的高溫燃氣由後封嚴處逸出,使中壓輪盤後的承力環與中壓渦輪軸連接處失去強度而斷開,其後就與遄達900中一樣,中壓渦輪飛轉,輪盤破裂,斷塊在極大的離心力作用下擊穿機匣,打壞試車間的設備。與遄達900一樣,遄達1000在中壓轉子上也沒有安裝防止軸斷後使中壓渦輪不會超轉的安全設計。

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一般套齒式的剛性連軸器中,均要用大螺母將兩個軸牢牢連接在一起,遄達1000中,估計擰緊力不夠,在渦輪向後作用力作用下渦輪軸向後移,造成螺母端面與套齒端面間出現縫隙,兩端面相對摩擦,隨著工作時間的增長,摩損越來越大,造成渦輪軸向後竄移量過大,最終導致渦輪盤破裂甩出發動機。

剛性連軸器套齒端面磨損不僅在遄達1000中出現,而且在遄達900中多次出現,說明是設計中對它的受力狀態分析不足,因此設計的螺母擰緊力矩不夠所造成的。

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換向齒輪箱故障使ANA停飛五架B787

2012年7月21日,日本全日空航空公司ANA接到波音公司通知,由於波音787飛機的遄達1000發動機換向齒輪箱存在腐蝕隱患,而該隱患可能導致發動機停止運轉。該公司的11架B787中,有5架受到影響,因此停飛了該公司正在運營的5架波音787,等待羅羅公司來更換該部件。

遄達1000的附件傳動系統由中心傳動部件、徑向傳動軸、換向齒輪箱、橫向傳動軸與附件傳動機匣組成(圖3)。徑向傳動軸不直接與附件傳動機匣相連(很多發動機採用),而是通過裝在發動機機匣外的換向齒輪箱(TGB)再通過橫向傳動軸驅動附件傳動機匣的,這是大涵道比渦扇發動機中普偏採用的設計。因此,當換向齒輪箱出問題後,很容易在外場更換。

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圖3、遄達1000附件傳動系統

在羅羅公司對遄達1000進行地面試車中,換向齒輪箱中的錐型齒輪由於腐蝕造成損壞,造成發動機停車。此齒輪箱是由美國漢勝公司生產的,歐洲航空安全局EASA當即發表了AD No. 2012-0137-E緊急適航指令,指令中指出,在經過調查分析後得出由於錐型齒輪在加工過程中,有一批產品在某些工藝上進行了改動造成了零件的腐蝕,因此要求將裝有該生產批齒輪的換向齒輪箱由發動機換下,共有17臺發動機受到影響,包括ANA的5架B787(在更換了齒輪箱後,已於當爭7月30日恢復飛行)。

漢勝公司發言人稱,這批齒輪在加工中改變了化學腐蝕工藝(chemical etchingprocess),原來希望能改進產品質量,但在試車中卻出現了腐蝕問題,只得恢復原來的製造過程。


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