PW1100發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪中介機(jī)匣后外側(cè)活塞環(huán)磨損分析

■ 王海臣 李文杰/中國(guó)南方航空股份有限公司沈陽(yáng)維修基地

0 引言

選裝PW1100發(fā)動(dòng)機(jī)的A320neo系列飛機(jī)自2016年在全球開始投入運(yùn)營(yíng)，美國(guó)普惠公司以靜潔動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)（GTF）概念迅速將PW1100發(fā)動(dòng)機(jī)在全球推廣，該型發(fā)動(dòng)機(jī)因低噪聲和低燃油消耗率而受到各大航空公司的青睞。

然而，全新的設(shè)計(jì)總會(huì)伴隨全新的問(wèn)題。PW1100發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪3級(jí)葉片創(chuàng)新性采用鈦鋁合金替代傳統(tǒng)鎳基合金材料，造成其強(qiáng)度不足，極易斷裂，且斷裂事件大多發(fā)生在飛機(jī)爬升階段。斷裂后短時(shí)間EGT超溫，高低壓轉(zhuǎn)子持續(xù)高振動(dòng)，甚至出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)失速、空中停車，給機(jī)組的操作增加了難度，威脅飛行安全。

回顧低壓渦輪3級(jí)葉片斷裂事件歷史，普惠披露過(guò)許多打傷低壓渦輪3級(jí)葉片的來(lái)源，如燃燒室鉚釘、燃燒室襯板掉塊、高壓壓氣機(jī)后轂刀型封嚴(yán)等。2019年10月末，某航空公司發(fā)動(dòng)機(jī)工程師依據(jù)已發(fā)生的低壓渦輪3級(jí)葉片斷裂發(fā)動(dòng)機(jī)大修進(jìn)廠初檢報(bào)告，懷疑渦輪中介機(jī)匣后外側(cè)活塞環(huán)斷裂后飛出的碎片是打傷低壓渦輪整個(gè)單元體的重要源頭。

1 故障初步分析

某航空公司發(fā)生7起低壓渦輪3級(jí)葉片斷裂事件，6起事件中低壓渦輪1級(jí)葉片被打傷或嚴(yán)重打傷，低壓渦輪2級(jí)葉片或有輕微打傷，低壓渦輪3級(jí)葉片整圈斷裂，從打傷形狀推斷是外來(lái)物和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部部件脫落所致（見(jiàn)表1）。

首先，對(duì)進(jìn)氣道做外觀檢查和壓氣機(jī)部分的孔探檢查，排除外來(lái)物打傷的可能；其次，因燃燒室和高壓渦輪無(wú)損傷，排除了高壓渦輪之前內(nèi)部部件脫落打傷的可能；只是低壓渦輪1級(jí)葉片存在明顯打傷缺口。因此，工程師推測(cè)高壓渦輪及其后的單元體存在內(nèi)部部件脫落，但因?qū)π滦桶l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部構(gòu)造不了解，無(wú)法定位打傷物來(lái)源。

在對(duì)已發(fā)生的低壓渦輪3級(jí)葉片斷裂事件初檢孔探報(bào)告分析后發(fā)現(xiàn)，除已知的低壓渦輪1級(jí)和2級(jí)葉片打傷缺口、低壓渦輪3級(jí)整圈斷裂外，渦輪中介機(jī)匣后外部活塞環(huán)也存在斷裂，由于該活塞環(huán)正處于低壓渦輪1級(jí)葉片葉尖前部附近位置，因此認(rèn)為其極有可能是造成低壓渦輪1級(jí)葉片被打傷的源頭。

2 結(jié)構(gòu)位置分析

渦輪中介機(jī)匣單元體位于高壓渦輪和低壓渦輪單元體中間，起到結(jié)構(gòu)過(guò)渡作用。渦輪中介機(jī)匣后外側(cè)活塞環(huán)位于中介機(jī)匣后部、低壓渦輪1級(jí)葉片葉尖正前端。活塞環(huán)前側(cè)承受高壓壓氣機(jī)3級(jí)增壓空氣壓力，后側(cè)則是內(nèi)涵道低壓渦輪1級(jí)燃?xì)鈮毫?，如圖1所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞環(huán)需承受兩側(cè)氣壓，且在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的惡劣條件下工作，起到封嚴(yán)作用。

表1 打傷數(shù)據(jù)

活塞環(huán)直徑約為790mm，環(huán)體截面長(zhǎng)約8.7mm，寬約4.5mm。環(huán)兩端搭接形式為嵌入式，即一端變窄后嵌入另一端，搭接變窄部分長(zhǎng)度約為56mm，如圖2所示。

正是由于搭接變窄部分尺寸減小，隨著磨損的不斷加劇，搭接部分?jǐn)嗔?，脫落后進(jìn)入低壓渦輪單元體，打傷低壓渦輪各級(jí)葉片。同時(shí)，因低壓渦輪3級(jí)葉片材料為鈦鋁合金，強(qiáng)度不足，因而造成整圈斷裂，如圖3所示。

圖1 活塞環(huán)位置示意圖

圖2 活塞環(huán)嵌入搭接、斷裂位置示意圖

圖3 打傷位置及圖片

3 磨損過(guò)程

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞環(huán)在兩側(cè)氣壓及振動(dòng)的作用下，徑向與低壓渦輪1級(jí)外空氣封嚴(yán)產(chǎn)生磨損，軸向與渦輪中介機(jī)匣法蘭邊產(chǎn)生磨損。分析認(rèn)為，活塞環(huán)搭接嵌入部分尺寸較小，寬度較窄，隨著磨損不斷加劇，搭接部分逐漸變細(xì)，最終無(wú)法承受振動(dòng)及氣壓作用而發(fā)生斷裂，脫落后的碎片隨內(nèi)涵道氣流打傷整個(gè)低壓渦輪單元體，如圖4所示。

4 在翼監(jiān)控方法

該活塞環(huán)是可以實(shí)施在翼孔探的，可參考AMM 72-52-00-290-802對(duì)該活塞環(huán)進(jìn)行孔探檢查。建議使用6mm孔探設(shè)備，從TIC孔探進(jìn)入，在內(nèi)外兩層機(jī)匣之間向后約十幾厘米即可找到該活塞環(huán)，隨后進(jìn)行環(huán)向穿繞就可以找到搭接變窄部分。

目前，普惠給出了初步孔探標(biāo)準(zhǔn)，即用TOP和BOTTOM的大小對(duì)比（見(jiàn)圖5）來(lái)衡量活塞環(huán)搭接部分磨損后剩余截面是否有發(fā)生斷裂的危險(xiǎn)，若TOP小于BOTTOM，則視為已經(jīng)嚴(yán)重磨損，有斷裂風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)不能再繼續(xù)使用（見(jiàn)圖6）。各航空公司可依據(jù)兩個(gè)尺寸的相對(duì)大小來(lái)制定孔探間隔，如375FH/100FH/50FH/30FH等。據(jù)悉，普惠下一步將發(fā)布服務(wù)通告對(duì)此缺陷進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但根本解決辦法仍是普惠對(duì)此活塞環(huán)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，可能有材料和幾何形狀上的改變。

圖4 磨損過(guò)程示意圖

圖5 全新件實(shí)物圖

圖6 實(shí)物孔探圖

5 總結(jié)

渦輪中介機(jī)匣后外側(cè)活塞環(huán)斷裂、脫落僅是打傷低壓渦輪3級(jí)葉片導(dǎo)致其整圈斷裂的重要來(lái)源之一，若需徹底杜絕低壓渦輪3級(jí)葉片斷裂事件，關(guān)鍵措施是執(zhí)行服務(wù)通告72-00-0111，將葉片改回高強(qiáng)度材料。未來(lái)FAA和CAAC將頒布相關(guān)適航指令，但執(zhí)行改裝需將發(fā)動(dòng)機(jī)拆下返廠修理，這是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，在全部完成改裝前仍需進(jìn)行持續(xù)的在翼孔探監(jiān)控，以避免低壓渦輪3級(jí)葉片整圈斷裂事件再次發(fā)生。