美國機場cf6-80a發(fā)動機故障分析

美國機場cf6-80a發(fā)動機故障分析

2006年6月2日，美國航空航空公司的767-223（er）飛機在洛根機場進行了地面調整試驗，造成了嚴重的飛機損壞。事件發(fā)生前,飛行員報告稱,在飛行中,當飛機由11000m爬升到11600m的過程中,感覺左發(fā)推力小于右發(fā)(約2%)。為此,航空公司安排地勤工程師對發(fā)動機進行試車調整,將飛機從登機口轉移到維修點進行開車。該飛機裝有2臺GE公司的CF6-80C2發(fā)動機(事件發(fā)生后的各種官方報告均稱該飛機安裝的是CF6-80A發(fā)動機,但在2008年1月公布的國家運輸安全委員會(NTSB)報告中稱用的是CF6-80C2發(fā)動機(這種將發(fā)動機型號弄錯的事在故障分析報告中還是很少見的)。3名地勤工程師進入駕駛艙進行發(fā)動機的開車調整,另有2名地勤人員在飛機外觀察情況。首先,將2臺發(fā)動機啟動后,在“ECC”處于接通狀態(tài)下,同時加速2臺發(fā)動機達到最大工況。雖然2臺發(fā)動機均推到了最大工況,但左發(fā)的油門桿位置比右發(fā)的稍大一些,為此,工程師單獨對左發(fā)進行了試車,在左發(fā)的“ECC”處于關閉狀態(tài)下,對左發(fā)進行慢車—最大工況—慢車的試車,連續(xù)進行了2次。當?shù)?次由最大工況拉回到慢車的過程中,發(fā)動機減速到95%N1轉速時,聽到“嘭”的一聲,伴隨著左發(fā)著火,座艙儀表板上左發(fā)著火的紅燈亮,隨后,左機翼及左機翼后的機身相繼著火(如圖1所示)。工程師立即打開了左發(fā)的滅火瓶,并緊急關掉2臺發(fā)動機,隨后3名工程師從機艙撤出。洛杉磯機場消防車很快趕到現(xiàn)場,在到達后的20s內將飛機的大火撲滅。雖然發(fā)動機與飛機受到較大損傷,但包括在地面觀察的2名工作人員在內無人員受到傷害,因此國家運輸安全委員會將此次重大故障定為“事件”而不是“事故”。經檢查,左發(fā)在高壓渦輪單元體處斷成前、后2截,2截分別由前、后安裝節(jié)吊住;高壓渦輪第1、2級盤已甩離發(fā)動機,如圖2所示。第2級盤在距飛機不遠處被發(fā)現(xiàn),仍然較完整;第1級盤則破裂成4塊,其中,3塊較大,均約成1/3圓弧段(如圖3所示),另1段較小,呈三角形,另外還有一些小碎片。其中1塊大斷片摔到地面后反彈上來,打穿了飛機下機身,將機身的左下梁打壞,并使右下梁也受到傷害,隨后斷塊穿出飛機機身,飛行一段距離后,擊中距左發(fā)約14m處的右發(fā)尾噴管,并嵌入到尾噴管中(如圖3所示)。渦輪盤第2個大斷片飛越1條跑道和1條滑行道后,落到距飛機約760m、接近機場防護柵欄處。這2塊大斷片在甩離發(fā)動機后的經歷,說明甩出發(fā)動機的這些斷片的能量非常大。輪盤的第3個大斷片嵌入到飛機的進氣道上,第4個斷片即小的三角形斷片嵌入到發(fā)動機短艙上。一些小的斷片打壞了左翼與右翼中的油箱,漏出的燃油造成左翼與左翼后的機身燃起大火(右翼油箱漏出的燃油并未燃燒)。破裂的高壓渦輪第1級盤的零件號為9362M58G07,生產序列號為MPOT8749,由Inconel718鎳合金制成;表面用等離子噴涂1層T400(鈷基合金)涂層,用于防銹與抗磨。NTSB材料試驗室對殘骸進行分析后得知,該輪盤的材料成分、晶粒大小、微結構以及硬度均符合Inconel718材料的要求。另外,經核查,榫槽底部后端圓角半經符合高壓渦輪盤設計圖紙的要求。對斷裂處的檢查發(fā)現(xiàn),輪盤是由輪緣到中心孔徑向斷裂的,裂紋起始點位于裝葉片的1個榫槽底部后緣圓角處的微小點坑。對斷裂表面用雙目顯微鏡觀察,并通過電子顯微鏡在放大的尺寸下掃描后,得出斷口的金相形態(tài)為晶間疲勞,裂紋已向前軸向擴展了約17.8mm,在輪盤破裂前,裂紋徑向地向內擴展了約17.8mm。同時還發(fā)現(xiàn),另外2個葉片榫槽在槽底后圓角處也各有1個裂紋,其起始點也為微坑(輪盤上有80個裝葉片的榫槽,斷裂處的榫槽為31號,另2個有裂紋的榫槽分別為30號及72號)。雖然在局部地區(qū)找到了一些小的傳統(tǒng)裂紋條痕,但在晶間疲勞斷口處卻未見疲勞條痕,因此不可能確定在輪盤斷裂前,疲勞裂紋發(fā)展有多快。輪盤后端面及榫槽底部的表面有噴丸處理過的痕跡。據NTSB稱,晶間疲勞裂紋是典型的應力過高超出材料所允許應力值的反應。至于疲勞裂紋起始于榫槽底部后緣圓角處的微小點坑是如何形成的,在對渦輪盤的加工與裝配過程進行了分析后,仍未找出原因。引起NTSB特別關注的是,這起高壓渦輪輪盤破裂事件如果發(fā)生在飛行中,其后果不堪設想,可能會造成機毀人亡的大事故。另外,此前CF6-80系列發(fā)動機還出現(xiàn)過2次高壓渦輪第1級盤破裂及5次出榫槽底部出現(xiàn)裂紋的事件。2000年9月22日,1架美國航空公司的編號為N654US的波音767-2B7(ER)客機,其配裝的CF6-80C2B2發(fā)動機在費城國際機場進行地面維修性試車時,在大工況下,1號發(fā)動機出現(xiàn)了第1級高壓渦輪輪盤非包容的故障,甩出發(fā)動機的斷片造成飛機左翼下部著火,使飛機及1號發(fā)動機受到損壞,但無人員傷亡。故障發(fā)動機的輪盤已累積工作7547次循環(huán)。2002年12月28日,1架新西蘭航空公司的編號為ZK-NBC的波音767-219(ER)客機,從澳大利亞不列斯班飛往新西蘭奧克蘭,當飛機爬升到3400m時,其所用的CF6-80A發(fā)動機的高壓渦輪輪盤有1塊從輪緣到輪轂的斷片甩出,打穿發(fā)動機及短艙,打壞飛機左翼前緣,但飛機成功地在不列斯班迫降,機上190名乘客及10名機組人員無一傷亡。在此次事件中,損壞的渦輪盤已累積工作12485次循環(huán)。NTSB還注意到另5起在CF6-80發(fā)動機高壓渦輪(分別裝在泰國國際航空公司與海灣航空公司的客機上)第1級輪盤榫槽底部后圓角處發(fā)現(xiàn)裂紋的報告,以及其他3起未注明航空公司的3個輪盤,它們累積的工作循環(huán)數(shù)分別為5144、9532、9359、9058及9459。CF6-80A及CF6-80C2發(fā)動機的高壓渦輪輪盤的設計壽命為15000循環(huán),在美洲航空公司的高壓渦輪第1級輪盤非包容故障事件(2006年6月)中,破裂的輪盤從投入使用起,己工作48249h、9186循環(huán),還有5814循環(huán)的使用壽命。2001年,該輪盤曾進行過維修,維修前輪盤已工作43354h及8057循環(huán),維修后到出事時,該發(fā)動機又工作了4895h及1129循環(huán)。2001年維修時,曾對該輪盤進行過螢光滲透檢驗,但對榫槽底部未作工作。根據美洲航空公司維修記錄記載,該輪盤曾在1991年進行過維修,當時該盤已工作14696h及3296循環(huán)。在美國航空公司的CF6-80C2B2發(fā)動機出現(xiàn)非包容高壓渦輪第1級輪盤破裂事件(2000年9月)后,2000年10月,GE公司發(fā)布了緊急服務通報,要求對CF6-80高壓渦輪第1級盤進行加強檢查。采用加強的螢光滲透檢查方法對整個輪盤包括榫槽底部后圓角進行檢測,以確定是否有裂紋。2001年1月,GE又對CF6-80發(fā)動機發(fā)布緊急服務通報,對高壓渦輪第1級輪盤增加渦流檢查。另外,在對美國航空公司事件的輪盤殘骸進行核查后,發(fā)現(xiàn)該輪盤榫槽底部后圓角處加工尺寸不符設計圖要求,為此GE公司分別于2002年底及2003年5月發(fā)布服務通告,對CF6-80系列發(fā)動機的高壓渦輪第1級輪盤設計作了小修改,要求對榫槽底部后圓角處進行倒圓修理。但是,在2006年6月29日,即美洲航空公司出現(xiàn)非包容高壓渦輪第1級輪盤破裂事件的3周后,由NTSB召開的事件調查會中,GE公司稱,大部分在航線使用的CF6-80發(fā)動機的第1級高壓渦輪輪盤,已根據公司發(fā)布的緊急服務通報進行了加強檢查,并進行了修理,但仍有200多個輪盤(包括美洲航空公司的輪盤)還未檢查及修理。由于有的輪盤在5144循環(huán)時出現(xiàn)了裂紋,考慮到一定的安全裕度,NTSB以3000循環(huán)作為門檻值,并建議:凡未按GE公司緊急服務通報進行檢查、修理的輪盤,工作時間超過3000循環(huán)后,立即從飛機上卸下返廠修理;未達到3000循環(huán)的可繼續(xù)工作。對于已檢查過但未修理的輪盤,超過3000循環(huán)(從檢查后算起),應立即拆下返廠進行檢查與修理;還未達到3000循環(huán)(從檢查后算起)的輪盤可以繼續(xù)使用,但到3000循環(huán)時,仍需拆下返廠檢查與修理。2008年1月31日,在NTSB公布的文件中,將造成上述嚴重故障的可能原因歸納為:高壓渦輪第1級輪盤是由1條晶間裂紋造成破裂的,其原因是GE公司的CF6-80(包括-80A與-80C2)發(fā)動機高壓渦輪輪盤設計不完善。設計不完善的輪盤造成在榫槽底部后圓角處有1個高應力區(qū),使此處的應力接近或等于材料的許用應力,因此缺少損傷容限,只要有一點小點坑就可能造成起裂,裂紋發(fā)展后造成輪盤破裂。為此,NTSB要求GE公司對高壓渦輪第1級輪盤的設計進行重新評審,并要求用有限元的分析方法,對榫槽底部后端圓角處進行應力計算,并根據計算結果修改該處設計。從CF6-80系列發(fā)動機連續(xù)出現(xiàn)3次高壓渦輪第1級輪盤非包容故障,特別是2006年6月美洲航空公司的事件中,可以看出:當高壓渦輪盤在高速下破裂時,大斷塊甩出發(fā)動機時的能量巨大,能對飛機造成極大危害;另外,CF6-80A與CF6-80C2發(fā)動機分別于1