中壓渦輪工作葉片腐蝕斷裂導致787夢幻客機發生重大故障

2020-12-14 航空之家AH

陳光/文

787「夢幻」客機是波音公司於21世紀初研製的、滿足21世紀綠色航空要求的、載客量為242-335座的雙發客機(圖9),於2011年10月26日投入航線運營。

787客機可使用兩型發動機,即英國羅羅公司的遄達1000與美國GE公司的GEnx,兩型發動機可在任意地方、任何時間互換,這是以前所有客機都不具備的能力。另外,以往的客機都是由發動機高壓壓氣機中引出高壓空氣,對飛機座艙增壓,由發動機附件傳動裝置驅動液壓泵的。

但是在787中一改以往的設計,改為由發動機通過附件傳動機匣驅動兩臺大功率(每臺250千瓦)的變頻交流發電機,驅動向座艙供高壓空氣的空氣壓縮機,並驅動液壓泵。

圖9、787「夢幻」客機

787所用的兩型發動機,在投入運營前、後均發生過一些重大故障,有些故障造成的影響還比較深遠。

遄達1000的故障:中壓渦輪輪盤在試車中發生非包容爆裂故障

在遄達1000還未交付使用前的2010年8月2日,在試車臺試車時,由於發動機內部滑油自燃燃燒,造成中壓渦輪輪盤非包容的嚴重故障,輪盤斷塊擊穿機匣,打壞了試車臺的一些設備。由於出了這次重大故障,使787的交付時間己一再延誤後的情況下,再一次後延。

這次故障類似前述的QF32事件中的故障,均是由於位於高、中壓渦輪軸承座油腔的滑油自燃,燃燒的高溫使中壓渦輪軸失去強度斷裂所造成的。但其起因不同,QF32事件中是由於滑油短管加工不到位造成的,遄達1000則是由於中壓渦輪軸與中壓壓氣機軸的聯軸器設計與製造有疵點,造成工作中中壓渦輪向後移,軸承腔前、後封嚴裝置失效,高溫氣體流入軸承腔,使腔中滑油自燃,最終造成斷軸的,幸虧這次故障發生在地面試車臺試車時,對飛機未造成損傷。

從2011年10月遄達1000投入使用後,波音787的重大故障不斷發生,例如2012年7月,由於換向齒輪箱中的錐形齒輪出現腐蝕,日本全日空航空公司停飛了5架787。

又如2016年11月26日,一架載有357人的斯庫特(Scoot)航空公司的787-9執行由雪梨開往新加坡的航班任務,在雪梨起飛爬升過程中由於中壓壓氣機第1級工作葉片斷裂故障造成發動機空中停車,隨後飛機在單發工作下安全降落。經檢查此故障是由於葉片榫根處產生了裂紋引起的。

在這次事件後,又相繼發生了兩起類似的故障,2018年初,羅羅公司根據適航部門的建議,重新設計了中壓壓氣機1級工作葉片。再如,2016年初,中壓渦輪工作葉片隔熱塗層過早脫落,造成葉片在硫的腐蝕作用下斷裂的故障,則是一個影響深遠,多家航空公司為此停飛多架787,不僅對使用遄達1000發動機的航空公司、而且對生產該發動機的羅羅公司造成了巨大經濟損失的重大故障。

中壓渦輪工作葉片腐蝕斷裂故障,遄達1000的渦輪中有1級高壓渦輪、1級中壓渦輪與6級低壓渦輪組成(圖10)。

圖10、遄達1000渦輪部件

2016年日本全日空(ANA)航空公司的787遭受了3次遄達1000中壓渦輪工作葉片腐蝕斷裂的重大故障,三次事件中飛機均安全著陸。全日空航空公司是787的首家用戶,共擁有50架787,所用發動機均為羅羅公司的遄達1000發動機。

在三次事件後,羅羅公司稱由於中壓渦輪工作葉片的塗層早於預定的壽命而脫落掉塊,使工作葉片直接與高溫燃氣接觸,遭受到硫的腐蝕而斷裂。由於要更換葉片使飛機停飛,造成全日空取消了300多個航班,為此羅羅公司僅為前面9個取消的航班就向全日空航空公司支付了53萬美元補償金。

羅羅公司在全日空事件後,並未發覺事態的嚴重性,認為出現的問題只限於全日空機群中的一小部分。但是事與願違,隨後,多家航空公司如英國維珍大西洋航空公司、泰國航空公司、英國航空公司與紐西蘭航空公司等用遄達1000為動力的787接連不斷地出現中壓渦輪工作葉片腐蝕斷裂的事件。

圖11、第6級低壓渦輪工作葉片打壞的情況

例如2017年12月7日一架紐西蘭航空公司的787執行由奧克蘭飛往日本的NZ99航班,機上載有268名乘客與14名機組人員,起飛不久後,一臺發動機停車,飛機用一臺發動機返回奧克蘭機場。對故障發動機檢查後,引起發動機空中停車的原因就是中壓渦輪工作葉片腐蝕斷裂造成的。

中壓渦輪工作葉片1、2片斷裂後,其斷片會隨氣流向後流出,到高速旋轉的低壓渦輪第1級工作葉片時,又會打壞低壓渦輪1級工作葉片,這些葉片的斷片與中壓渦輪葉片斷片一起繼續向後流動,又打環第2級低壓渦輪工作葉片,像多米諾骨牌效應一樣,一級一級的斷片打向後排的葉片,使後幾級的葉片受損的越來越多,最後末級(即第6級)葉片基本全部被打壞,圖10示出了末級葉片打壞的情況。好在這些葉片斷片質量輕,承受的離心力小,所以沒有造成非包容的嚴重故障。

由此可見,只要有一片中壓渦輪工作葉片斷裂,就可能造成全部六級低壓渦輪工作葉片損壞。由於羅羅公司缺少大量的中、低壓渦輪工作葉片備件,以及一批備用發動機,當一臺發動機出現葉片腐蝕斷裂後,不能及時為故障發動機提供更換葉片,也沒有足夠數量的備用發動機為受影響的飛機拆換發動機。

所以只要航空公司的787客機所用的遄達1000發動機出現類似故障,飛機只能扒地停飛,有的公司只能抽調其它型飛機來完成787原定的航班任務。

中壓渦輪工作葉片腐蝕斷裂故障不僅造成航空公司眾多的787扒地停飛,甚至在一段時間內,釆用遄達1000發動機的787總裝線上無發動機可供裝機。因此這個故障對羅羅公司打擊極大,不僅公司的信譽受到極大損傷,在經濟上更是虧損巨大。

2019年6月3日,羅羅公司一名高級管理人員對媒體宣稱,2018年公司用於處理中壓渦輪工作葉片腐蝕斷裂故障的費用(如用於飛機停飛對航空公司的賠款等)高達4億5千萬英鎊。

另外,有的老用戶在選購新飛機時,轉向了競爭對手的GEnx發動機,例如,紐西蘭航空公司所有的787-9客機是採用遄達1000的,但最近宣布,在訂購787-10時不再釆用羅羅公司的發動機,而釆用GE公司的GEnx發動機。

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