CFM56系列發(fā)動機高壓渦輪面向維修的設計改進分析

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(中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307)

CFM56系列發(fā)動機是由CFM國際公司(CFMI)研制的100kN級高涵道比渦扇發(fā)動機。到2005年已發(fā)展了CFM56-2、CFM56-3、CFM56-5A、CFM56-5B、CFM56-5C和CFM56-7等6個系列，已成為22個型號飛機的動力裝置[1]。它也是我國民航客機主機型B-737和A320系列的主選發(fā)動機，至2011年，已有超過1800臺CFM56系列發(fā)動機在我國服役，是我國民航界應用最廣泛的航空發(fā)動機[2]。CFM56系列發(fā)動機具有渦輪前總溫高、推力大、耗油率低、壽命長和經(jīng)濟性好等優(yōu)點，這些優(yōu)點的實現(xiàn)在很大程度上要歸功于高壓渦輪維修方法的不斷改進和優(yōu)化。本研究主要結合發(fā)動機生產(chǎn)廠家和發(fā)動機大修廠的數(shù)據(jù)資料進行，使得研究本身更具實際意義。

1 高壓渦輪主動間隙控制活門(HPTCC)改進措施

1.1 服務通告(SB)對鉻鎳鐵合金殼體的改進措施

在早前返廠的活門9級引氣閥的殼體處發(fā)現(xiàn)淺層裂紋，但是并沒有發(fā)現(xiàn)過任何貫穿式的裂紋。為此CFMI和Meggitt Control Systems(MCS)共同開發(fā)了新型的鉻鎳鐵合金殼體以應對這一問題，隨后批準并發(fā)布了服務通告75-0047，同時發(fā)布了新件號VIN 329695-6(P/N 1960M28P07)。

1.2 新封嚴設計的進展

根據(jù)CFM國際公司的技術會議資料，自2008年以來，高壓渦輪間隙控制系統(tǒng)的主要故障之一是活門伺服燃油漏油，占世界機隊每年非計劃拆換活門數(shù)量的30%，且滲漏發(fā)生時，活門的在翼使用時間從8000飛行小時到15000飛行小時不等，有逐漸縮短的趨勢?；铋T伺服燃油漏油的主要原因有兩點：其一，活塞殼體上的主封嚴經(jīng)過長期使用后，逐漸磨損失效，導致燃油滲漏；其二，活門的位置控制使用了高壓渦輪機匣溫度傳感器測量的溫度信號，該溫度信號的漂移導致活門頻繁往復運動，加劇了封嚴的磨損速率[3]。HPTCC活門剖面圖如圖1所示。

為此，CFMI改進了封嚴材料和封嚴幾何外形以增強抗磨能力，增加密封蓋的尺寸以降低部件公差對封嚴效果造成的影響，并且提高活塞表面的光潔度以減小磨擦。同時發(fā)布了新件號VIN 329695-5(P/N 1960M28P06)，本產(chǎn)品于2011年3月開始投入使用。實踐證明，采用新封嚴的活門可靠性提升了320%，封嚴失效的概率下降了91%。

圖1 HPTCC活門剖面圖

2 高壓渦輪葉片(HPT Blade)改進措施

2.1 及時探傷應對早期裂紋

在使用過程中高壓渦輪葉片出現(xiàn)過榫頭受力面邊緣裂紋的情況，裂紋產(chǎn)生于葉盆上壓力面與空腔2平齊的位置。外場措施是當裂紋暴露時及時進行渦流探傷，并建議在25000個循環(huán)將其拆下。CFMI對葉片進行了改進，增加了榫頭和盤之間的間隙。

2.2 葉片端面的改進

為了提高葉片工作效率，對葉片端面外形進行改良，設置了葉尖緩沖柵。除去了分離凸臺，進而減少榫頭頸部應力，增強了耐久性，如圖2所示。

圖2 高壓渦輪葉片端面的改進

2.3 改良涂層工藝

值得注意的是，近年來在中國地區(qū)運營的發(fā)動機發(fā)生了五起高壓渦輪葉片葉柄腐蝕的事件，由于高壓渦輪葉片葉柄腐蝕導致發(fā)動機空中停車的事件記錄如表1所示。進一步分解發(fā)動機可以看到，在高壓渦輪葉片葉柄的3號腔室發(fā)現(xiàn)了腐蝕疲勞裂紋，如圖3所示。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，大部分高壓渦輪葉片葉柄后腔室內(nèi)部沒有涂層并伴有腐蝕疲勞裂紋，裂紋在大約8000個循環(huán)時出現(xiàn)，裂紋擴展和循環(huán)數(shù)成正相關。為應對此問題，發(fā)動機廠家改良了涂層工藝，在葉柄后腔室噴涂千分之一英寸的涂層，之后沒有在此位置發(fā)現(xiàn)新的裂紋產(chǎn)生。

表1 葉柄腐蝕導致發(fā)動機空中停車的事件記錄表

*注：1.ESN：Engine Serial Number，發(fā)動機序列號；2.TSN：Time Since New，自部件全新狀態(tài)起的使用時間；3.CSN：Cycles Since New，自部件全新狀態(tài)起的使用循環(huán)數(shù)；4.IFSD：In-Flight Shut Down，發(fā)動機空中停車。

圖3 高壓渦輪葉片葉柄內(nèi)腔腐蝕裂紋情況

3 高壓渦輪導向器(HPT Nozzle)改進措施

在中國區(qū)使用的CFM56-7B和-5B的高壓渦輪導向器出現(xiàn)了更多的前緣氧化和裂紋，如圖4所示。自2011年1月起，已經(jīng)出現(xiàn)了36個非計劃下發(fā)。經(jīng)檢查確定，損傷通常都是不可修理的。初步認定造成故障是由于中國區(qū)空氣中大量的微小沙粒或者臟物堆積在內(nèi)壁上，降低了冷卻效果，顆粒的平均尺寸約8μm，導致返廠修理，增加了運營商的維修成本[4]。

圖4 高壓渦輪導向器前緣氧化、裂紋和臟物

經(jīng)研究總結出損傷機理，小顆粒跟隨氣流沿著燃燒室內(nèi)環(huán)流到高壓渦輪導向器的前緣腔里，逐漸形成灰塵堆積。后緣和后腔也因為大顆粒堆積在后緣孔以及沖擊作用而受到影響，如圖5所示。針對-5B/-5C/-7B發(fā)動機，CFMI在2011年11月發(fā)布了有鉑-鋁涂層的導向器的修理構型，此舉提高了導向器的抗氧化、抗腐蝕能力，并且類似的鉑-鋁涂層修理已經(jīng)應用在了CFM56-3的高壓渦輪導向器上。有鉑-鋁涂層的備件(件號2080M35G10)已經(jīng)在2012年發(fā)布，作為VPA涂層備件的替代件。

圖5 高壓渦輪導向器損傷機理圖

4 高壓渦輪罩環(huán)(HPT Shroud)改進措施

4.1 提升高壓渦輪罩環(huán)耐久性

高壓渦輪罩環(huán)耐久性的改進得益于高壓渦輪導向器改進的冷卻方式(5B/SB72-0514之后和5C/P SB72-0518之后，分別于2004/2005發(fā)布)。措施是在導向器外平臺的喉道和后緣位置增加了冷卻孔，用以降低導向器和罩環(huán)的工作溫度，減小了導向器外平臺和罩環(huán)之間的軸向間隙，用以改善燃氣氣流，如圖6所示。

圖6 高壓渦輪導向器外平臺喉道及后緣處增加的冷卻孔

4.2 高壓渦輪罩環(huán)掛架的改進措施

使用中發(fā)現(xiàn)在發(fā)動機底部，顆粒物堆積在罩環(huán)掛架的冷卻孔里，沙塵集聚在顆粒物堵塞的位置，切斷了通過冷卻孔的冷卻氣流。冷卻孔的堵塞致使罩環(huán)溫度過高，增加了罩環(huán)氧化的概率，可以最終導致整個罩環(huán)的脫落并導致下游的高、低壓渦輪部件嚴重損傷，如圖7所示。

圖7 高壓渦輪罩環(huán)掛架損傷模式

改進措施是在罩環(huán)掛架的冷卻空氣進氣口的上游引入金屬過濾器，此過濾器保持了要求的冷卻氣流，擋住了尺寸較大的顆粒物，使其不能駐留在罩環(huán)掛架的冷卻孔處，提供了備用的冷卻氣流通道，如圖8所示。2011年，CFMI頒布了7級(客戶選擇)服務通告，引入了有過濾器的罩環(huán)掛架。服務通告建議在發(fā)動機底部位置安裝5個有過濾器的罩環(huán)掛架(和生產(chǎn)構型相同)，但是任何形式的罩環(huán)掛架的混裝都是允許的，罩環(huán)掛架可以在修理時加裝過濾器[5]。服務通告分別為SB72-0797(CFM56-5B)、SB72-0710(CFM56-5C)和SB72-0816(CFM56-7B)。

圖8 在罩環(huán)上安裝的金屬過濾器

5 結語

航空事業(yè)發(fā)展到今天這樣高的水平，關鍵在于它強有力的“心臟”——發(fā)動機。對CFM56系列發(fā)動機高壓渦輪零部件的故障模式、失效原因和維修方法的研究，有利于提前制定相關的維護措施或維修計劃，延長發(fā)動機的在翼使用時間，增強維修單位對高壓渦輪常見故障的預防和排故能力，降低航空公司的運營維護成本，保障飛行安全。從CFM56系列發(fā)動機高壓渦輪零部件面向維修的設計改進措施的研究中我們可以發(fā)現(xiàn)，未來先進渦扇發(fā)動機高壓渦輪的發(fā)展方向就是不斷提高渦輪前溫度、降低維修費用、提高可靠性、延長使用壽命、優(yōu)化結構設計、開發(fā)新材料和提高工藝制造水平。這些技術增長點勢必會成為我國開展大型民用渦扇發(fā)動機高壓渦輪的研制和維修工作的技術發(fā)展方向。

[1] 陳光.航空發(fā)動機結構設計分析[M].北京：北京航空航天大學出版社,2006：137-150.

[2] 王銀坤,唐慶如,鄭偉.CFM56發(fā)動機渦輪導向器結構損傷的研究[J].西安航空技術高等?？茖W校學報,2013(1):36-38.

[3] 陳少龍.CFM56-5B發(fā)動機高壓渦輪間隙控制活門伺服燃油漏油故障的維護措施[J].航空維修與工程,2012(2):76-78.

[4] CFMI.CFM56 China all operators meeting [Z].2013.

[5] CFMI.SB CFM56-5B S/B 75-0041 [Z].