美国机场cf6-80a发动机故障分析

美国机场cf6-80a发动机故障分析

2006年6月2日，美国航空航空公司的767-223（er）飞机在洛根机场进行了地面调整试验，造成了严重的飞机损坏。事件发生前,飞行员报告称,在飞行中,当飞机由11000m爬升到11600m的过程中,感觉左发推力小于右发(约2%)。为此,航空公司安排地勤工程师对发动机进行试车调整,将飞机从登机口转移到维修点进行开车。该飞机装有2台GE公司的CF6-80C2发动机(事件发生后的各种官方报告均称该飞机安装的是CF6-80A发动机,但在2008年1月公布的国家运输安全委员会(NTSB)报告中称用的是CF6-80C2发动机(这种将发动机型号弄错的事在故障分析报告中还是很少见的)。3名地勤工程师进入驾驶舱进行发动机的开车调整,另有2名地勤人员在飞机外观察情况。首先,将2台发动机启动后,在“ECC”处于接通状态下,同时加速2台发动机达到最大工况。虽然2台发动机均推到了最大工况,但左发的油门杆位置比右发的稍大一些,为此,工程师单独对左发进行了试车,在左发的“ECC”处于关闭状态下,对左发进行慢车—最大工况—慢车的试车,连续进行了2次。当第2次由最大工况拉回到慢车的过程中,发动机减速到95%N1转速时,听到“嘭”的一声,伴随着左发着火,座舱仪表板上左发着火的红灯亮,随后,左机翼及左机翼后的机身相继着火(如图1所示)。工程师立即打开了左发的灭火瓶,并紧急关掉2台发动机,随后3名工程师从机舱撤出。洛杉矶机场消防车很快赶到现场,在到达后的20s内将飞机的大火扑灭。虽然发动机与飞机受到较大损伤,但包括在地面观察的2名工作人员在内无人员受到伤害,因此国家运输安全委员会将此次重大故障定为“事件”而不是“事故”。经检查,左发在高压涡轮单元体处断成前、后2截,2截分别由前、后安装节吊住;高压涡轮第1、2级盘已甩离发动机,如图2所示。第2级盘在距飞机不远处被发现,仍然较完整;第1级盘则破裂成4块,其中,3块较大,均约成1/3圆弧段(如图3所示),另1段较小,呈三角形,另外还有一些小碎片。其中1块大断片摔到地面后反弹上来,打穿了飞机下机身,将机身的左下梁打坏,并使右下梁也受到伤害,随后断块穿出飞机机身,飞行一段距离后,击中距左发约14m处的右发尾喷管,并嵌入到尾喷管中(如图3所示)。涡轮盘第2个大断片飞越1条跑道和1条滑行道后,落到距飞机约760m、接近机场防护栅栏处。这2块大断片在甩离发动机后的经历,说明甩出发动机的这些断片的能量非常大。轮盘的第3个大断片嵌入到飞机的进气道上,第4个断片即小的三角形断片嵌入到发动机短舱上。一些小的断片打坏了左翼与右翼中的油箱,漏出的燃油造成左翼与左翼后的机身燃起大火(右翼油箱漏出的燃油并未燃烧)。破裂的高压涡轮第1级盘的零件号为9362M58G07,生产序列号为MPOT8749,由Inconel718镍合金制成;表面用等离子喷涂1层T400(钴基合金)涂层,用于防锈与抗磨。NTSB材料试验室对残骸进行分析后得知,该轮盘的材料成分、晶粒大小、微结构以及硬度均符合Inconel718材料的要求。另外,经核查,榫槽底部后端圆角半经符合高压涡轮盘设计图纸的要求。对断裂处的检查发现,轮盘是由轮缘到中心孔径向断裂的,裂纹起始点位于装叶片的1个榫槽底部后缘圆角处的微小点坑。对断裂表面用双目显微镜观察,并通过电子显微镜在放大的尺寸下扫描后,得出断口的金相形态为晶间疲劳,裂纹已向前轴向扩展了约17.8mm,在轮盘破裂前,裂纹径向地向内扩展了约17.8mm。同时还发现,另外2个叶片榫槽在槽底后圆角处也各有1个裂纹,其起始点也为微坑(轮盘上有80个装叶片的榫槽,断裂处的榫槽为31号,另2个有裂纹的榫槽分别为30号及72号)。虽然在局部地区找到了一些小的传统裂纹条痕,但在晶间疲劳断口处却未见疲劳条痕,因此不可能确定在轮盘断裂前,疲劳裂纹发展有多快。轮盘后端面及榫槽底部的表面有喷丸处理过的痕迹。据NTSB称,晶间疲劳裂纹是典型的应力过高超出材料所允许应力值的反应。至于疲劳裂纹起始于榫槽底部后缘圆角处的微小点坑是如何形成的,在对涡轮盘的加工与装配过程进行了分析后,仍未找出原因。引起NTSB特别关注的是,这起高压涡轮轮盘破裂事件如果发生在飞行中,其后果不堪设想,可能会造成机毁人亡的大事故。另外,此前CF6-80系列发动机还出现过2次高压涡轮第1级盘破裂及5次出榫槽底部出现裂纹的事件。2000年9月22日,1架美国航空公司的编号为N654US的波音767-2B7(ER)客机,其配装的CF6-80C2B2发动机在费城国际机场进行地面维修性试车时,在大工况下,1号发动机出现了第1级高压涡轮轮盘非包容的故障,甩出发动机的断片造成飞机左翼下部着火,使飞机及1号发动机受到损坏,但无人员伤亡。故障发动机的轮盘已累积工作7547次循环。2002年12月28日,1架新西兰航空公司的编号为ZK-NBC的波音767-219(ER)客机,从澳大利亚不列斯班飞往新西兰奥克兰,当飞机爬升到3400m时,其所用的CF6-80A发动机的高压涡轮轮盘有1块从轮缘到轮毂的断片甩出,打穿发动机及短舱,打坏飞机左翼前缘,但飞机成功地在不列斯班迫降,机上190名乘客及10名机组人员无一伤亡。在此次事件中,损坏的涡轮盘已累积工作12485次循环。NTSB还注意到另5起在CF6-80发动机高压涡轮(分别装在泰国国际航空公司与海湾航空公司的客机上)第1级轮盘榫槽底部后圆角处发现裂纹的报告,以及其他3起未注明航空公司的3个轮盘,它们累积的工作循环数分别为5144、9532、9359、9058及9459。CF6-80A及CF6-80C2发动机的高压涡轮轮盘的设计寿命为15000循环,在美洲航空公司的高压涡轮第1级轮盘非包容故障事件(2006年6月)中,破裂的轮盘从投入使用起,己工作48249h、9186循环,还有5814循环的使用寿命。2001年,该轮盘曾进行过维修,维修前轮盘已工作43354h及8057循环,维修后到出事时,该发动机又工作了4895h及1129循环。2001年维修时,曾对该轮盘进行过萤光渗透检验,但对榫槽底部未作工作。根据美洲航空公司维修记录记载,该轮盘曾在1991年进行过维修,当时该盘已工作14696h及3296循环。在美国航空公司的CF6-80C2B2发动机出现非包容高压涡轮第1级轮盘破裂事件(2000年9月)后,2000年10月,GE公司发布了紧急服务通报,要求对CF6-80高压涡轮第1级盘进行加强检查。采用加强的萤光渗透检查方法对整个轮盘包括榫槽底部后圆角进行检测,以确定是否有裂纹。2001年1月,GE又对CF6-80发动机发布紧急服务通报,对高压涡轮第1级轮盘增加涡流检查。另外,在对美国航空公司事件的轮盘残骸进行核查后,发现该轮盘榫槽底部后圆角处加工尺寸不符设计图要求,为此GE公司分别于2002年底及2003年5月发布服务通告,对CF6-80系列发动机的高压涡轮第1级轮盘设计作了小修改,要求对榫槽底部后圆角处进行倒圆修理。但是,在2006年6月29日,即美洲航空公司出现非包容高压涡轮第1级轮盘破裂事件的3周后,由NTSB召开的事件调查会中,GE公司称,大部分在航线使用的CF6-80发动机的第1级高压涡轮轮盘,已根据公司发布的紧急服务通报进行了加强检查,并进行了修理,但仍有200多个轮盘(包括美洲航空公司的轮盘)还未检查及修理。由于有的轮盘在5144循环时出现了裂纹,考虑到一定的安全裕度,NTSB以3000循环作为门槛值,并建议:凡未按GE公司紧急服务通报进行检查、修理的轮盘,工作时间超过3000循环后,立即从飞机上卸下返厂修理;未达到3000循环的可继续工作。对于已检查过但未修理的轮盘,超过3000循环(从检查后算起),应立即拆下返厂进行检查与修理;还未达到3000循环(从检查后算起)的轮盘可以继续使用,但到3000循环时,仍需拆下返厂检查与修理。2008年1月31日,在NTSB公布的文件中,将造成上述严重故障的可能原因归纳为:高压涡轮第1级轮盘是由1条晶间裂纹造成破裂的,其原因是GE公司的CF6-80(包括-80A与-80C2)发动机高压涡轮轮盘设计不完善。设计不完善的轮盘造成在榫槽底部后圆角处有1个高应力区,使此处的应力接近或等于材料的许用应力,因此缺少损伤容限,只要有一点小点坑就可能造成起裂,裂纹发展后造成轮盘破裂。为此,NTSB要求GE公司对高压涡轮第1级轮盘的设计进行重新评审,并要求用有限元的分析方法,对榫槽底部后端圆角处进行应力计算,并根据计算结果修改该处设计。从CF6-80系列发动机连续出现3次高压涡轮第1级轮盘非包容故障,特别是2006年6月美洲航空公司的事件中,可以看出:当高压涡轮盘在高速下破裂时,大断块甩出发动机时的能量巨大,能对飞机造成极大危害;另外,CF6-80A与CF6-80C2发动机分别于1