LEAP-1B发动机非同步振动缺陷分析

2021年8月17日,一架安装LAEP-1B发动机(TSN/CSN:595/319)的波音737-8飞机发生了中断起飞。起飞滑跑时,左侧发动机发出一声巨响并伴随飞机向左侧偏转,同时有火焰从左发窜出(约两秒),飞机以93节速度中断起飞。

本次事件之前CFM已经收到非同步振动(NSV)趋势的数据,以CNR形式要求该航司提供五个循环内的CEOD(发动机持续运行数据),CFM评估后未超限。该飞机返回后,通过CEOD数据判断失效原因为潜在的非同步振动。进一步拆下发动机进行调查,由于非同步振动水平的提升导致发动机在起飞滑跑阶段失速。后续对发动机进行分解以判断非同步振动的原因为油孔堵塞或阻尼器壳体磨损。

NSV问题总共导致了全球波音737-8机队5起重大事件,其中包含2起中断起飞,1起返航和2起备降。由于监控到滑油压差异常导致120台LEAP-1B发动机被拆下,其中通过下发CNR非计划拆换23台发动机。

一、基本原理

与CFM56-7B发动机三号轴承硬支撑不同,LEAP-1B发动机三号轴承的阻尼系统为油膜阻尼设计,三号轴承阻尼器系统是一种挤压膜阻尼器设计。在发动机运行过程中,阻尼器外壳和三号轴承壳体之间的油膜受到挤压,由此产生的压力对壳体施加反作用力,从而减少高压转子对不平衡的响应。部分三号轴承壳体供应商锻造的壳体存在如下问题:壳体金属晶粒相较于其他供应商的更粗、耐磨性更差,在高压滑油的作用下,封严涨圈将其所在沟槽磨出台阶,而封严环悬挂于台阶上导致三号轴承的径向阻尼减少(见LEAP-1B发动机三号轴承阻尼油膜图示),阻尼的减小会导致高压转子的非同步振动。转子的旋转会影响HPC叶片叶尖间隙,并可能导致大功率下发动机自恢复核心机失速。

LEAP-1B发动机三号轴承阻尼油膜

非同步振动引起高压压气机转子不稳定,容易引起其尖端间隙不均匀、产生摩擦,有可能导致高压压气机失速。CFM已经更新发动机序号列表SB72-0338,对于滑油滤压差上升快的发动机执行相应措施,受SB影响的客户需遵守CEOD数据覆盖建议。

XAE下级厂家GATD,锻造的部件晶粒粗糙,耐磨度低,CFM自2021年起,不采购XAE的件,故而全球机队受影响的发动机数量只减不增,中国区绝大部分LEAP-1B发动机出厂时没有安装受影响的三号轴承壳体。

不同供应商锻造的三号轴承壳体晶粒对比

对于安装受影响壳体的发动机(GATD厂家),CFM下发了SB72-0369。监控滑油滤压差(OFDP)。一旦超过OFDP门槛值限制,在25个循环内拆下发动机。所有由GATD供应的壳体将在发动机第一次大修时更换和报废。CFM建议同一架飞机上不要安装两台GATD供应壳体的发动机。

SB72-0369监控OFDP图示
SB72-0369和SB71-0009监控NSV

对于非XAE/GATD的发动机监控手段也进行了调整,非XAE/GATD的轴承壳体磨损发展较慢。CFM下发了SB71-0009监控NSV问题。SB适用于整个LEAP-1B机队和所有的壳体,根据对SB72-0369适用性的不同而有不同的推荐措施,建议按照SB要求执行。

作为改进措施,CFM使用氮化钛(TiN)涂层对三号轴承壳体沟槽进行施涂(如下图所示)。在发动机台架测试的多个阶段,模拟无涂层和涂层部件的油阻尼器系统运行,包括在滑油中加入碎屑以模拟污染,涂层的性能得到了成功的验证。CFM评估TiN阻尼器环槽涂层的耐磨性,计划在2024年1季度关闭服务评估请求(SER)72-0004。76台运行的发动机安装有TiN涂层的壳体,到目前为止累计运行80,000循环。根据收集到的滑油滤分析,油滤中未发现TiN磨损迹象。滑油滤压差数据亦无磨损的显示。检查了两台发动机的外壳(因其他原因拆卸),没有发现TiN涂层磨损的迹象。从目前的实验效果来看,TiN涂层很好的解决了三号轴承壳体磨损的问题。测试后效果满意,该改装计划2024年推出,新出厂的LEAP-1B发动机均有涂层,发动机返厂可执行,建议及时跟进SB下发情况并视情评估执行。

施涂TiN涂层后的轴承壳体(黄色物质为涂层)

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