05.12 聚焦罗·罗遄达1000发动机:齿轮箱故障使全日空停飞五架波音B787

聚焦罗·罗遄达1000发动机:齿轮箱故障使全日空停飞五架波音B787

陈光/文

遄达 1000 是罗罗公司为波音 787 “梦幻”客机研制的高涵道比(11)与高总压比(51)、低油耗与低污染及低噪声的新一代发动机。

为了满足 21 世纪“绿色航空”的要求, 遄达 1000 是罗罗公司遄达系列发动机中较新型号,它不仅继承并发展了遄达系列发动机的设计,采用了其研制与使用中的经验与教训,而且还采用了最新发展的一些先进技术,使得遄达 1000 不仅性能达到较高的水平,而且研制周期短。

聚焦罗·罗遄达1000发动机:齿轮箱故障使全日空停飞五架波音B787

2004年4月6日,波音公司宣布B787选用了GE公司的GEnx与罗罗公司的遄达1000作为其动力后,遄达1000开始了研制工作,首台遄达1000于2006年2月14日进行了地面台架试车,2007年6月18日完成了飞行台(B747-200攺装)的飞行试验,2007年8月7日(按欧洲习惯此日期简写为7-8-7)取得美国FAA与欧洲航空安全局EASA的联合适航证。

2011年10月26日日本全日空ANA的B787(装遄达1000发动机)进行了首次商业飞行,到2017年7月共有550架B787在航线上营运,其中213架使用遄达1000发动机。

遄达 1000 如图 1 所示,由单级风扇、8 级中压压气机、 6 级高压压气机、单级高压涡轮、单级中压涡轮与 6 级低压涡轮组成。为满足三型 B787 的推力要求,并考虑飞机今后发展的需要,发动机设计推力范围为 236kN ( 53000lbf ) ~370kN ( 70000lbf)。

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图1、遄达1000发动机

遄达1000虽如上所述发展基础好,是沿用了遄达系列型号衍生发展而来的,而且又釆用了许多21世紀发展的新技术,但是在取得适航证之前及使用中,却发生了多起严重故障,令人难以置信。

中压转子连轴器失效造成中压涡轮盘非包容故障

在遄达1000还未交付使用前的2010年8月2日,遄达1000在罗罗的室内58号试车台试车時,由于发动机内部滑油燃烧,造成中压涡轮轮盘非包容的严重故障,轮盘断块击穿机匣,打坏了台架的一些设备。

由于出了这次重大故障,使B787的交付時间己一再延误后的情况下,再一次后延。3个多月后,同样由于发动机内部滑油燃烧造成中压涡轮轮盘非包容故障,在A380的遄达900上发生了,当时飞机共载有466人由新加坡飞往悉尼,破裂的多个轮盘断块击穿机匣,打坏了飞机许多构件、管道与导线,在驾驶员的精心操作下,才使得这架损坏得惨不忍睹的飞机安全着陆,谱写了一曲英雄赞歌,这就是航空史上有名的QF32航班事件。

遄达1000是在遄达900的基础上衍生发展的,同一公司研制的兄弟两型发动机,基本上在同一时间内,发生了同样的严重故障,这在航空史上也属罕见。

事后罗罗公司发表声明宣称,两起故障后果虽然相同,但起因不同:遄达900是由于一个滑油短管制造不佳造成管壁厚度不均,最薄处仅0.35mm(设计值为0.91mm),工作一段時间后疲劳断裂,滑油由裂缝处喷出,在高温气体的影响下自燃,燃烧的高温火焰使中压涡轮盘后的承力环与中压涡轮轴连接处失去强度而断开(参见图2),中压涡轮与中压压气机断开,中压涡轮在高温燃气的作用下,转速迅速上升达到飞转,轮盘在极大的转速下破裂,断块则在极大的离心力作用下击穿机匣甩离发动机。

对于遄达1000的事件,罗罗开始并未作更多的说明,由于它还未投入航线使用,因而适航部门并未介入对此事件的调查。

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图2、遄达900、遄达1000高、中压涡轮间承力框架结构

可是,恰巧在此时,美国FAA正准备批准EASA的一个有关用于A380的遄达900中压转子刚性连轴器的适航指令,该指令中指出,在分解遄达900时,发现多台发动机中压转子刚性连轴器(中压涡轮轴与中压压气机后轴连接处)的套齿端面,磨损量超出规定值。

罗罗公司才承认遄达1000的事件,也是由于刚性连轴器套齿端面磨损量过大,引发滑油自燃造成的。

刚性连轴器套齿端面在工作中磨损量过大后,会使中压涡轮转子后移,由图可见,移动量大时,会使轴承腔两端封严箆齿的转子、静子间错开,使两端篦齿封严均失效,造成高温气体由前箆齿处窜入轴承腔。

使腔中滑油在高温下自燃,燃烧后的高温燃气由后封严处逸出,使中压轮盘后的承力环与中压涡轮轴连接处失去强度而断开,其后就与遄达900中一样,中压涡轮飞转,轮盘破裂,断块在极大的离心力作用下击穿机匣,打坏试车间的设备。与遄达900一样,遄达1000在中压转子上也没有安装防止轴断后使中压涡轮不会超转的安全设计。

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一般套齿式的刚性连轴器中,均要用大螺母将两个轴牢牢连接在一起,遄达1000中,估计拧紧力不夠,在涡轮向后作用力作用下涡轮轴向后移,造成螺母端面与套齿端面间出现缝隙,两端面相对摩擦,隨着工作时间的增长,摩损越来越大,造成涡轮轴向后窜移量过大,最终导致涡轮盘破裂甩出发动机。

刚性连轴器套齿端面磨损不仅在遄达1000中出现,而且在遄达900中多次出现,说明是设计中对它的受力状态分析不足,因此设计的螺母拧紧力矩不夠所造成的。

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换向齿轮箱故障使ANA停飞五架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,由于波音787飞机的遄达1000发动机换向齿轮箱存在腐蚀隐患,而该隐患可能导致发动机停止运转。该公司的11架B787中,有5架受到影响,因此停飞了该公司正在运营的5架波音787,等待罗罗公司来更换该部件。

遄达1000的附件传动系统由中心传动部件、径向传动轴、换向齿轮箱、横向传动轴与附件传动机匣组成(图3)。径向传动轴不直接与附件传动机匣相连(很多发动机采用),而是通过装在发动机机匣外的换向齿轮箱(TGB)再通过横向传动轴驱动附件传动机匣的,这是大涵道比涡扇发动机中普偏采用的设计。因此,当换向齿轮箱出问题后,很容易在外场更换。

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图3、遄达1000附件传动系统

在罗罗公司对遄达1000进行地面试车中,换向齿轮箱中的锥型齿轮由于腐蚀造成损坏,造成发动机停车。此齿轮箱是由美国汉胜公司生产的,欧洲航空安全局EASA当即发表了AD No. 2012-0137-E紧急适航指令,指令中指出,在经过调查分析后得出由于锥型齿轮在加工过程中,有一批产品在某些工艺上进行了改动造成了零件的腐蚀,因此要求将装有该生产批齿轮的换向齿轮箱由发动机换下,共有17台发动机受到影响,包括ANA的5架B787(在更换了齿轮箱后,已于当争7月30日恢复飞行)。

汉胜公司发言人称,这批齿轮在加工中改变了化学腐蚀工艺(chemical etchingprocess),原来希望能改进产品质量,但在试车中却出现了腐蚀问题,只得恢复原来的制造过程。


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