美國(guó)機(jī)場(chǎng)cf6-80a發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析

美國(guó)機(jī)場(chǎng)cf6-80a發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析

2006年6月2日，美國(guó)航空航空公司的767-223（er）飛機(jī)在洛根機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了地面調(diào)整試驗(yàn)，造成了嚴(yán)重的飛機(jī)損壞。事件發(fā)生前,飛行員報(bào)告稱,在飛行中,當(dāng)飛機(jī)由11000m爬升到11600m的過(guò)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試車調(diào)整,將飛機(jī)從登機(jī)口轉(zhuǎn)移到維修點(diǎn)進(jìn)行開車。該飛機(jī)裝有2臺(tái)GE公司的CF6-80C2發(fā)動(dòng)機(jī)(事件發(fā)生后的各種官方報(bào)告均稱該飛機(jī)安裝的是CF6-80A發(fā)動(dòng)機(jī),但在2008年1月公布的國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)(NTSB)報(bào)告中稱用的是CF6-80C2發(fā)動(dòng)機(jī)(這種將發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)弄錯(cuò)的事在故障分析報(bào)告中還是很少見的)。3名地勤工程師進(jìn)入駕駛艙進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的開車調(diào)整,另有2名地勤人員在飛機(jī)外觀察情況。首先,將2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后,在“ECC”處于接通狀態(tài)下,同時(shí)加速2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大工況。雖然2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dú)對(duì)左發(fā)進(jìn)行了試車,在左發(fā)的“ECC”處于關(guān)閉狀態(tài)下,對(duì)左發(fā)進(jìn)行慢車—最大工況—慢車的試車,連續(xù)進(jìn)行了2次。當(dāng)?shù)?次由最大工況拉回到慢車的過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)減速到95%N1轉(zhuǎn)速時(shí),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(jī)翼及左機(jī)翼后的機(jī)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(guān)掉2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),隨后3名工程師從機(jī)艙撤出。洛杉磯機(jī)場(chǎng)消防車很快趕到現(xiàn)場(chǎng),在到達(dá)后的20s內(nèi)將飛機(jī)的大火撲滅。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)受到較大損傷,但包括在地面觀察的2名工作人員在內(nèi)無(wú)人員受到傷害,因此國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)將此次重大故障定為“事件”而不是“事故”。經(jīng)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(jí)盤已甩離發(fā)動(dòng)機(jī),如圖2所示。第2級(jí)盤在距飛機(jī)不遠(yuǎn)處被發(fā)現(xiàn),仍然較完整;第1級(jí)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(lái),打穿了飛機(jī)下機(jī)身,將機(jī)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(jī)機(jī)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(gè)大斷片飛越1條跑道和1條滑行道后,落到距飛機(jī)約760m、接近機(jī)場(chǎng)防護(hù)柵欄處。這2塊大斷片在甩離發(fā)動(dòng)機(jī)后的經(jīng)歷,說(shuō)明甩出發(fā)動(dòng)機(jī)的這些斷片的能量非常大。輪盤的第3個(gè)大斷片嵌入到飛機(jī)的進(jìn)氣道上,第4個(gè)斷片即小的三角形斷片嵌入到發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(jí)盤的零件號(hào)為9362M58G07,生產(chǎn)序列號(hào)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(yàn)室對(duì)殘骸進(jìn)行分析后得知,該輪盤的材料成分、晶粒大小、微結(jié)構(gòu)以及硬度均符合Inconel718材料的要求。另外,經(jīng)核查,榫槽底部后端圓角半經(jīng)符合高壓渦輪盤設(shè)計(jì)圖紙的要求。對(duì)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(diǎn)位于裝葉片的1個(gè)榫槽底部后緣圓角處的微小點(diǎn)坑。對(duì)斷裂表面用雙目顯微鏡觀察,并通過(guò)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(kuò)展了約17.8mm,在輪盤破裂前,裂紋徑向地向內(nèi)擴(kuò)展了約17.8mm。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),另外2個(gè)葉片榫槽在槽底后圓角處也各有1個(gè)裂紋,其起始點(diǎn)也為微坑(輪盤上有80個(gè)裝葉片的榫槽,斷裂處的榫槽為31號(hào),另2個(gè)有裂紋的榫槽分別為30號(hào)及72號(hào))。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(guò)的痕跡。據(jù)NTSB稱,晶間疲勞裂紋是典型的應(yīng)力過(guò)高超出材料所允許應(yīng)力值的反應(yīng)。至于疲勞裂紋起始于榫槽底部后緣圓角處的微小點(diǎn)坑是如何形成的,在對(duì)渦輪盤的加工與裝配過(guò)程進(jìn)行了分析后,仍未找出原因。引起NTSB特別關(guān)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(shè)想,可能會(huì)造成機(jī)毀人亡的大事故。另外,此前CF6-80系列發(fā)動(dòng)機(jī)還出現(xiàn)過(guò)2次高壓渦輪第1級(jí)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(guó)航空公司的編號(hào)為N654US的波音767-2B7(ER)客機(jī),其配裝的CF6-80C2B2發(fā)動(dòng)機(jī)在費(fèi)城國(guó)際機(jī)場(chǎng)進(jìn)行地面維修性試車時(shí),在大工況下,1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了第1級(jí)高壓渦輪輪盤非包容的故障,甩出發(fā)動(dòng)機(jī)的斷片造成飛機(jī)左翼下部著火,使飛機(jī)及1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)受到損壞,但無(wú)人員傷亡。故障發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)為ZK-NBC的波音767-219(ER)客機(jī),從澳大利亞不列斯班飛往新西蘭奧克蘭,當(dāng)飛機(jī)爬升到3400m時(shí),其所用的CF6-80A發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)及短艙,打壞飛機(jī)左翼前緣,但飛機(jī)成功地在不列斯班迫降,機(jī)上190名乘客及10名機(jī)組人員無(wú)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(dòng)機(jī)高壓渦輪(分別裝在泰國(guó)國(guó)際航空公司與海灣航空公司的客機(jī)上)第1級(jí)輪盤榫槽底部后圓角處發(fā)現(xiàn)裂紋的報(bào)告,以及其他3起未注明航空公司的3個(gè)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(dòng)機(jī)的高壓渦輪輪盤的設(shè)計(jì)壽命為15000循環(huán),在美洲航空公司的高壓渦輪第1級(jí)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(jìn)行過(guò)維修,維修前輪盤已工作43354h及8057循環(huán),維修后到出事時(shí),該發(fā)動(dòng)機(jī)又工作了4895h及1129循環(huán)。2001年維修時(shí),曾對(duì)該輪盤進(jìn)行過(guò)螢光滲透檢驗(yàn),但對(duì)榫槽底部未作工作。根據(jù)美洲航空公司維修記錄記載,該輪盤曾在1991年進(jìn)行過(guò)維修,當(dāng)時(shí)該盤已工作14696h及3296循環(huán)。在美國(guó)航空公司的CF6-80C2B2發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)非包容高壓渦輪第1級(jí)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(wù)通報(bào),要求對(duì)CF6-80高壓渦輪第1級(jí)盤進(jìn)行加強(qiáng)檢查。采用加強(qiáng)的螢光滲透檢查方法對(duì)整個(gè)輪盤包括榫槽底部后圓角進(jìn)行檢測(cè),以確定是否有裂紋。2001年1月,GE又對(duì)CF6-80發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)布緊急服務(wù)通報(bào),對(duì)高壓渦輪第1級(jí)輪盤增加渦流檢查。另外,在對(duì)美國(guó)航空公司事件的輪盤殘骸進(jìn)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(shè)計(jì)圖要求,為此GE公司分別于2002年底及2003年5月發(fā)布服務(wù)通告,對(duì)CF6-80系列發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪第1級(jí)輪盤設(shè)計(jì)作了小修改,要求對(duì)榫槽底部后圓角處進(jìn)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(jí)輪盤破裂事件的3周后,由NTSB召開的事件調(diào)查會(huì)中,GE公司稱,大部分在航線使用的CF6-80發(fā)動(dòng)機(jī)的第1級(jí)高壓渦輪輪盤,已根據(jù)公司發(fā)布的緊急服務(wù)通報(bào)進(jìn)行了加強(qiáng)檢查,并進(jìn)行了修理,但仍有200多個(gè)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(shí)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(wù)通報(bào)進(jìn)行檢查、修理的輪盤,工作時(shí)間超過(guò)3000循環(huán)后,立即從飛機(jī)上卸下返廠修理;未達(dá)到3000循環(huán)的可繼續(xù)工作。對(duì)于已檢查過(guò)但未修理的輪盤,超過(guò)3000循環(huán)(從檢查后算起),應(yīng)立即拆下返廠進(jìn)行檢查與修理;還未達(dá)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(shí),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(yán)重故障的可能原因歸納為:高壓渦輪第1級(jí)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(dòng)機(jī)高壓渦輪輪盤設(shè)計(jì)不完善。設(shè)計(jì)不完善的輪盤造成在榫槽底部后圓角處有1個(gè)高應(yīng)力區(qū),使此處的應(yīng)力接近或等于材料的許用應(yīng)力,因此缺少損傷容限,只要有一點(diǎn)小點(diǎn)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(duì)高壓渦輪第1級(jí)輪盤的設(shè)計(jì)進(jìn)行重新評(píng)審,并要求用有限元的分析方法,對(duì)榫槽底部后端圓角處進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果修改該處設(shè)計(jì)。從CF6-80系列發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)出現(xiàn)3次高壓渦輪第1級(jí)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(dāng)高壓渦輪盤在高速下破裂時(shí),大斷塊甩出發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的能量巨大,能對(duì)飛機(jī)造成極大危害;另外,CF6-80A與CF6-80C2發(fā)動(dòng)機(jī)分別于1