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GEnx发动机的几个重大故障原因分析:锥齿轮共振造成空中停车事件和低压涡轮轴断裂造成发动机包容故障

2019-04-12来源:泡泡网
GEnx发动机的几个重大故障原因分析:锥齿轮共振造成空中停车事件和低压涡轮轴断裂造成发动机包容故障

GEnx是GE公司为波音787“梦幻”客机与波音747-8客、货机,在GE90的基础上研制的新一代高涵道比涡扇发动机。由于采用了高的涵道比(10.0)与高的总压比(45.0),加上采用了最新发展的一些先进技术,使它具有低油耗、低污染与低噪声的特点。

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

GEnx发动机的几个重大故障原因分析:锥齿轮共振造成空中停车事件和低压涡轮轴断裂造成发动机包容故障

图1、GEnx发动机附件传动系统

锥齿轮共振造成空中停车事件

2016年8月6日,捷星航空公司(Jetstar Airways)的一架B787执行从日本东京飞往澳大利亚黄金海湾的JQ12航班,机上载有乘客309人、机组9人。飞机飞行2h后,机组看到EICAS(发动机指示与机组报警系统)显示右发2号发电机(每台发动机装有2台交流发电机)出故障的信息,机组立即断开此发电机与附件传动机匣AGB的连接,同时立即起动辅助动力装置APU,用APU的发电机向飞机供电系统供电。

约30min后,机组看到了右发滑油油量低与滑油油压低的指示,于是机组将右发关停,然后将飞机用左发飞到370 km处的关岛机场,飞机安全着陆,无人员伤亡,是一次空中停车事件。

当打开发动机短舱后,发现发动机下部聚集有大量滑油,在滑油管路中发现大量金属屑末。将发动机拆下后送回GE公司检查。在检查中,发现滑油屑末检测器记录中,飞行1h后,屑末探测开始记录屑末数,当飞行员断开2号发电机时有7个屑末,过了42min后,有8个屑末,并发出右发屑末过多警示,再过4min达到11,且滑油大量泄漏,EICAS发出滑油压力低与滑油量过低的警示,飞行员关掉发动机,将飞机用单发飞到关岛降落。

在大涵道比涡扇发动机的附件传动系统中,中央传动部分IGB通过传动杆将扭矩传到换向齿轮箱TGB中的主动锥齿,通过从动锥齿换向后由水平传动杆将扭矩传到附件传动机匣AGB中(图1)。

这次故障就是换向齿轮箱中的主动锥齿(或称伞齿轮)发生共振而引起的。在检测中,发现换向齿轮箱破裂,其中的锥形齿轮损坏(图2),滑油滤被金属屑末堵满,滑油屑末探测器(也称磁堵)上吸满金属屑末(图3)。

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图2、 换向齿轮箱与锥齿受损情况

通常认为,与一般正齿轮相比,锥齿做得较厚实,不容易出现共振引发的故障,实际上绝大多数发动机中,锥齿也是很少出现共振的,但是这并不能排除在某些特定情况下,出现共振造成严重后果的事件,只要锥齿断裂就会引起发动机空中停车。WP13发动机就发生过锥齿共振断裂造成空中停车的严重事件。

捷星航空这次锥齿共振造成空中停车事件并不是GEnx的第1次,在此之前己出现过7次,加上这次共8次,确实是令人吃惊;

相比之下,GE90在运行20年中由于不同故障造造的空中停车事件仅4次,更显出锥齿共振的严重性。

早在捷星事件前5个月,即2016年3月31日,GE发布了SB72-0298 服务通报,通报中指出换向齿轮箱中的主动锥齿会出现共振,共振会引起锥齿断裂,能引发滑油泄漏并造成空中停车。

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图3 、吸满屑末的磁堵与被屑末堵住的油滤

为此,对锥齿进行了改型,即在锥齿上加装一个减振环,以减轻共振时的破坏力。在此通报中列出了换用新攺型锥齿的时间表(以2016.03.31为起点),表中规定换向齿轮箱的CSN(从开始使用起累计的循环数)为300时,在一年内更换;CSN为300到1000时,10个月更换;大于1000时8个月内更换。

出事的TGB只运行了181个CSN,远远低于在1年后更换的要求,说明GE的处置方案不恰当。捷星公司并未按GE的时间表,于2016年11月一将全机队的TGB作了更换。

GE公司的这种拖拉做法实际上是非常不可取的,应该在出现第1次事件后,就对外场的发动机更换改进的锥齿,而不是几个月到一年逐步更换。发生故障的锥齿是装在发动机外的换向齿轮箱中,更换锥齿时不需分解发动机,在翼下就可更换,这么容易的处置方法为什么要拖那么长时间,最终造成8次同样事件,实在令人不解。

排出锥齿出现共振故障的常用措施是在锥齿上开一环形槽,槽中安放一个减振环,以减小共振时的振幅,例如,GE90发动机就采用了这一结构(图4),GEnx也釆用了这种结构。图5中示出了锥齿加与不加减振环对共振振幅大小的影响,由图看出加了减振环后,锥齿共振振幅会大大降低。

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图4、GE90加减振环的锥齿

低压涡轮轴断裂造成发动机包容故障

2012年7月28日,即将交付给印度航空公司的一架B787飞机在作地面滑行试验时,其所装的GEnx发动机发生了一起严重的包容故障,发动机中损坏的碎片未击穿机匣径向甩出发动机,而是由尾喷口轴向喷出,对机翼与机身下部造成了小的碰伤与灼伤,灼热的碎片掉到跑道侧边的草坪中,引起草坪失火,经机场救火队扑灭。

经检查,这是一起断轴故障,即低压涡轮轴(GE公司称它为风扇中间轴FMS)从前端紧固螺纹的最后螺纹根部处断裂(图6),由于GEnx装有防止低压涡轮轴断裂后不会引起涡轮盘超转的措施,所以涡轮盘未破裂,而是在涡轮轴向气动力作用下,涡轮转子向后窜移,工作叶片与导向叶片相碰撞,造成一些叶片破裂,其断片随喷气流轴向甩出发动机。

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图5、减振环对锥齿振幅的影响

紧固低压涡轮轴与风扇轴的紧固大螺帽与垫圈仍残留在低压涡轮轴前端。图7示出了低压涡轮轴的断口形貌,可以明显看出无疲劳条带。断口显示出有2种故障模式,其一是逐渐开裂,其二是瞬断。表面上85%处颜色有异样,表明曾较长时间暴露在外部环境下,是逐渐开裂的,其余是在大应力下突然断裂,这说明轴是先开裂,最后在大应力作用下瞬断的。

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图6 、低压涡轮轴与风扇轴连接处结构

这次事件中的发动机工作仅18h16min,其中台架试车9h21min,装在飞机上后在地面工作 8h55min,在这么短时间内,竟然出现断轴事件,实属罕见。据GE公司统计,在过去的10年中,GE与CFMI约有25 000台发动机在使用,工作总时数约6亿飞行小时,只出现过6次断轴事件。

在此事件发生6周后,即2012年9月17日,一架俄罗斯空桥货运公司ABC的B747-8货运机在上海起飞后,其中一台GEnx出现了低压涡轮轴断裂的包容故障,与上述故障一致,造或发动机空中停车。飞机在其它3台发动机工作下安全返回机场。

经过分析研究,发现断轴是螺纹件的凃料不合适造成的。在以往GE公司在受力较大的螺纹上,涂有一薄层铅基的干膜润滑剂MolyDag 254,装配时,为易于装配,在螺纹上凃有发动机用的合成滑油与油脂。

但在GEnx中,换用了一种不含铅的新干膜润滑剂Everlube 9002,装配时用了石墨脂。对两种不同的干膜润滑剂进行了多种试验,在吸收水份的试验中,Everlube 9002的吸水率比MolyDag 254高出3.5倍。

另外,在塑料罩罩住的潮湿试验台中,对低压涡轮轴的材料进行了168次二点弯曲试验,用不同的干膜润滑剂、油脂与合成滑油的组合进行试验。试验中,在高、低不同的应力下,攺变试验的湿度,最后有两组试件断裂:采用Everlube 9002与石墨脂的试件在43天后断裂,而釆用MolyDag 254与合成滑油的试件在149天断裂,两个试件均在较低的静态应力与较高的湿度下失效。

对低压涡轮轴的锈蚀试验中,得出:未用干膜润滑剂的GE1014其锈蚀率比采用Everlube 9002的GE1014的低。这些试验说明采用Everlube 9002干膜润滑剂是发生这次事件的原因。

随后,GE公司发展了一种超声扫描捡测低压涡轮轴螺纹处是否有开裂发生的方法,对所有在使用中的以及在库存中的全部GEnx的低压涡轮轴进行了检测,检测中还真的发现了一台发动机的低压涡轮轴在螺纹后端处有类似的裂缝,这台发动机虽然已装到一架B787-8飞机上,但还没有进行飞行,避免了一次可能的重大故障。

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图7、 低压涡轮轴断裂处的断口形貌

此后,国家运输安全局NTSB向FAA发布了2项紧急建议:1.发布一项适航指令,要求对于那些所有尚未用超声检查过低压涡轮轴的GEnx-1B及GEnx-2B发动机在进一步飞行前,对低压涡轮轴进行超声扫描检查。2.要求用户经常对该轴进行检查,以查明是否存在快达到临界裂纹长度的裂纹。为此,FAA发布了AD-2012-19-08适航指令,指令中要求对低压涡轮轴进行初始的与以后重复的超声波检查,以确定轴上是否有裂纹存在。

GE公司己经取消了使用Everlube 9002及石墨脂,攺回到以前用的MolyDag 254与合成滑油,并且根据FAA适航指令的要求,规定每工作100小时对该轴进行超声波检查。

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