LEAP-1B发动机风扇整流罩SDOS作动器风险提示

波音737-8飞机使用的LEAP-1B发动机的风扇整流罩比波音737NG飞机的大33%左右,每片风扇整流罩约重73KG,所以在设计上增加了一个Spring。Door。Opening。System(SDOS)作动器,用于辅助开关风扇整流罩,不正确的安装和使用SDOS作动器,可能会造成人员受伤和设备损坏。

在设计时,SDOS作动器与发动机风扇机匣的连接接头为万向结构,在未与SDOS作动器连接时可360度转动,因此安装存在错装风险。

SDOS作动器与风扇机匣连接

SDOS作动器内部含有弹簧预加载,可以将风扇整流罩打开需要的力降低到35磅以下,但在风扇整流罩闭合过程的最后阶段,会失去助力效果。

维护建议:

1、在安装SDOS作动器时,机匣上的底座接头正确方向如下图,短边朝上,长边朝下,确保底座活动空间充足。

2、在维护过程中安装SDOS作动器时,需要注意作动器底座方向,如安装不当,可能造成部件损伤。AMM手册中安装SDOS作动器时有安装方向的NOTE要求。

3、使用SDOS关闭风扇整流罩时,操作者需要控制风扇整流罩关闭速度,当风扇整流罩到达下部静态位置的最后一英尺行程附近时,SDOS将不再减轻风扇整流罩的重量,操作者必须人工控制风扇整流罩的重量和接近行程末端的关闭速度,轻缓闭合风扇整流罩,避免磕碰。

4、风扇整流罩在打开和关闭时可能会自然向前摆动,每个风扇整流罩上的定位缓冲器可以避免风扇整流罩撞击进气道和发动机部件。

缓冲器位置

LEAP-1B发动机燃油喷嘴结焦缺陷分析

2019年3月26日,一架装备了LEAP-1B发动机的波音737-8飞机执行调机飞行,起飞后右发非指令关断,机组操作飞机返航并安全降落,地面检查发现低压涡轮存在严重损坏并伴有材料缺失。发动机拆下送厂,分解检查发现本事件的根源是燃油喷嘴结焦导致的高压涡轮损坏,进而损坏后续的发动机部件。燃油喷嘴结焦是整个LEAP机队的一个主要问题。燃油喷嘴结焦会导致燃油雾化不良,从而使得燃烧室出口的温度偏离了设计值而损伤发动机的热端部件,进而导致重大事件的发生。LEAP-1B发动机采用了全新的燃油喷嘴,喷嘴的结焦问题已经成为全球机队普遍发生的问题。

LEAP-1B发动机的燃油喷嘴

LEAP-1B发动机燃油喷嘴分为三路:飞行主油路,飞行次级油路和主路,主油孔结焦可能会导致发动机推力发生故障,飞行次级喷油孔和活门结焦会导致热场和涡轮损坏。由于热量未能及时散发至大气中,喷嘴内的残余燃油被热量加热到焦化门槛值以上,未燃烧的燃油可转化为焦炭。

LEAP-1B发动机燃油喷嘴剖面结构

根据CFM通报,近三年期间LEAP-1B发动机燃油喷嘴出现了多种结焦模式,在发动机投入使用的过程中,目前确定燃油喷嘴结焦表现为五个方面的问题:喷嘴主油孔(MO)结焦,飞行主喷嘴油路(PP)结焦,喷嘴活门卡滞,飞行次级油路(PSEC)结焦和隔热层破损。

不同供应商锻造的三号轴承壳体对比

1、主油孔结焦:严重的主油孔(MO)焦化会导致热场和涡轮损坏。从阻塞的喷嘴流向非阻塞的喷嘴,导致更高的燃油流量和更高的温度。如果燃油歧管由于堵塞而到达燃油泵旁通路,可能会导致发动机推力发生故障,但目前为止,CFM尚未收到推力发生故障的报告。在分析LEAP系列发动机经验后,13%的CNR来自燃油喷嘴主孔结焦。

喷嘴主油孔结焦

2、飞行次级喷油孔和活门结焦:飞行次级喷嘴油路用于发动机加速期间(例如用于“起飞”和“复飞”)。堵塞的次级油路会导致燃油泵在转化到高功率时背压增加。在一些发动机中观察到,它可能导致短暂的(大约2秒)燃油泵释压。油泵进入释压模式时燃油压力会有突然升高,这可能会导致失速(目前暂无报告)。活门系统控制燃油流量。残余燃油会结焦,造成黏滞。已经在在少数发动机中观察到此情况,黏滞的喷嘴活门会导致热场和涡轮损坏。

飞行次级喷油孔结焦

3、燃油喷嘴隔热层破损:隔热层破损表现为隔热层(TBC)剥落,径向开裂和氧化。此故障并非在全球机队都有发生,与发动机运行的区域有关。外径氧化是导致失效的主要原因。AMM限制允许最多8个全径向裂纹。在发动机大修时,受到CMM限制,60%的喷嘴进行了尾部防热罩修理。

燃油喷嘴隔热层破损实物照片

工程措施:

1、针对主油孔结焦,CFM监控飞行主喷嘴附近的EGT突变,判断是否有结焦,该喷嘴在发动机起动中为主用喷嘴。使用以下逻辑:1)在发动机起动时,偶数编号喷嘴附近EGT探头读数突变大于200摄氏度,奇数编号大于250摄氏度下触发CNR,要求在45天或225循环内换下全套喷嘴;2)CFM推荐航司在偶数编号喷嘴EGT突变小于290摄氏度前,奇数编号喷嘴小于340摄氏度前完成喷嘴的更换。3)孔探高压涡轮相关部件(CAD要求),监控燃油喷嘴结焦的情况。

EGT探头感知到燃油喷嘴结焦导致的局部高温

2、针对飞行次级喷油孔和活门结焦,CFM已经建立活门黏滞分析的CNR,需要发动机EEC软件版本在V6.73之上,以获得数据。CFM已经针对飞行次级喷嘴油路和活门黏滞制定下发SB计划。当接到CFM发出的活门黏滞的CNR时,拆卸并更换所有燃油喷嘴。正常CNR:150个循环或30个工作天,以先到者为准。紧急CNR:35个循环或7个工作天,以先到者为准。

3、针对燃油喷嘴隔热层破损:如果燃油喷嘴的损伤超过AMM标准,拆卸并更换,CFM建议有定期监控计划的航司在定期检查之前,确认有可用的燃油喷嘴库存。CFM正在设计一种新的涂层,其测试和验证已经完成,目前已经启动在机队的现场使用评估,将对安装有新式隔热层的喷嘴的LEAP-1B发动机进行飞行测试。

4、CFM发布SB73-0042,在EECV6.73版本次级喷嘴和燃油喷嘴活门黏滞的门槛值之前(先到为准)更换燃油喷嘴,建议跟进SB情况并及时评估执行。

世界各区机队的门槛值
CFM针对LEAP-1B发动机燃油喷嘴结焦措施一览

5、作为最终措施,CFM针对燃油喷嘴结焦问题设计了RBS(反向通气系统)。该系统使用一台鼓风机集成到现有的10级发动机排气气道中,在发动机关车后,冷却空气流入内涵道,为燃油喷嘴提供冷却,促进核心机硬件散热。就像之前的EEC冷却的鼓风机,飞机为鼓风机提供电源和控制。RBS是完全自动化的,机组人员看不到,也无需飞行员操作。在地面关车时,跟随起动手柄在发动机慢车时的切换,RBS作动命令发送给飞机。RBS系统将在发动机关车后激活长达60分钟,或直到下次发动机起动。系统设计为可在翼进行加改装。系统健康状况将使用EEC报告数据和机外分析进行监测,通过CNR发送发动机维护建议。目前,该系统正在测试取证,其效果将待系统改装执行后验证。

反向通气系统原理图
反向通气系统的计划工作时间图示

LEAP-1B发动机PSS低温潮气侵入缺陷分析

2018年11月,LEAP-1B报告了一次中断起飞和一次推力失去控制(LOTC)事件。由于压力子系统(PSS)湿气侵入的问题,自2017年起,LEAP系列发动机多次经历了中断起飞。极寒天气情况下,LEAP-1B发动机可能会出现PSS结冰导致感压信号不一致信息,影响后续航班运行。

与CFM56发动机不同,LEAP-1B的压力子系统未集成在EEC之内,而是与EEC独立开。PSS负责感知收集发动机各个站位的压力,并转换为信号送给EEC,PS3(压气机出口压力)传感器提供压气机出口压力到EEC。

系统通过将压力送到PSS中两个独立的传感器而拥有冗余设计,每个传感器专用于EEC的每个通道,PS3感应端口接收PS3的空气,通过一根管子将空气输送到PSS传感器管,P3B压力与前述相似,其测量的压力来自压气机引气。

经过分析,其失效模式均为发动机未能达到指令推力。所有中断起飞的案例均为飞机在低温(大约-20℃)条件下,经历了一夜的停场。所有事件都有从PS3传感器元件(双通道)提供的错误的PS3指示,但是还没有达到驱动逻辑拒绝度量并使用模型的程度。根本原因为:PS3/P3B管线/传感器积水/结冰;从PS3起飞时的推力限制不响应N1指令增加,这种情况限制了供向发动机的燃油流量。

潮气在PSS中积聚

PS3/PSS系统的结冰问题分为两种情况:在长时间地面低温下,PS3/PSS系统的结冰导致飞机不能达到起飞推力,是迄今为止在LEAP系列发动机上看到的唯一类型。在空中情况下,系统结冰导致推力失去控制,这种情况在宽体机发动机上出现过并有一定的经验,CEOD(发动机连续使用数据)表明,取决于飞行长度和巡航时间,PSS可以达到零度以下的温度。

PS3信号不一致对应航班的CEOD数据

上述两个方面的根本原因为PS3/PSS系统中的潮气。主要由凝结引起的湿气,数据表明需要一段时间来积累。

CFM下发了以下两个服务通告:第一是SB73-0014,其描述了PSS,PS3和P3B检测管路加热,抽真空和吹除程序,执行SB能够缓解地面推力不足和飞行中推力失去控制的风险,建议750FH为间隔执行,并安装6.5及以上版本的EEC软件。第二是SB71-0004:PSS、PS3和P3B感应管路预热程序,通过加热排放孔位置、传感管路和传感器端口,减轻地面推力不足的风险。CFM建议航司在收到PSS结冰CNR后,在PSS干燥完成之前,根据飞机低温条件停场的状况执行SB71-0004。

抽除水分的间隔和可靠性的对比图

CFM发布了V6.7版本的EEC软件,包括额外的PS3选择逻辑改进,以避免N1波动的潜在风险。而且计划在后期对发动机硬件进行改进,包括通过PS3和P3B感测管路变化,减少水分积累,加装疏水阀,增大排气孔直径,用实心管代替传感管路的柔性部分。视情对PSS加装加热器以防止结冰,建议跟进CFM的方案,视情考虑执行后续的预防措施。

PSS管路疏水阀

维护措施:

1、建议根据厂家要求定期除水,LEAP-1B发动机在我国北方地区冬季出现此问题的概率较大。国内航司针对北方地区过夜波音737-8飞机的增加发动机PSS额外除水工作,上述措施有效控制了LEAP-1B发动机的此缺陷,建议视情缩短冬季北方地区停场波音737-8飞机发动机PSS除水间隔。

LEAP-1B发动机PSS除冰的航线操作

点评:机队采用增加航前补充工卡,读取P0、PS3、P3B的值来判断是否存在结冰情况。

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)

737MAX机型发动机RDS问题小结

737MAX机队使用的LEAP-1B发动机,最严重的空停问题就是RDS的相关问题,导致轴承磨损,金属屑积聚使燃油滤旁通灯点亮。

截止目前,全球LEAP-1B发动机机队的RDS问题已经造成12起发动机空中停车,1起飞机返航和17起发动机非计划拆换。全球机队RDS原因空停总事件详见下图(其中IFSD代表发动机空中停车,UER代表非计划发动机拆换):

LEAP-1B发动机RDS失效主要包括以下三个方面的问题:
1、RDS的轴承润滑存在设计缺陷,保持架内径与内环的外侧油膜不足,轴承未建立足够的保护油膜,导致轴承保持架磨损。轴承在厂的台架试验中,这种磨损现象得以重现验证了在翼的失效模式。在发动机上持续监控的结果表明,磨损刚开始呈线性扩展,之后变得缓慢。目前,全球机队还未发现由于保持环磨损造成的运行重大事件,此问题仅导致了总共12起发动机非计划拆换(UER)。

2、RDS轴承保持架铆钉疲劳失效。铆钉疲劳失效问题导致了12起发动机空中停车和3起非计划换发。这些事件大多集中在一个批次的轴承中。在厂装配该轴承时,需要将轴承设置偏心,放入滚子,再设置轴承同心,然后使用保持架将所有滚子保持。保持架有上下两半,需要将两半保持环对齐之后,使用铆钉连接两半保持环。可能存在上下两半保持架未对齐就楔入铆钉的情况,在此情况下,两半保持架在运行中只有一半受力,另一半由铆钉的剪切力带转,所以保持架中间的铆钉部分存在剪切应力,铆钉容易在交变应力的作用下出现疲劳,进而发生断裂使得轴承失效。CFM说明有不符合设计意图的保持架半组装的情况,铆钉问题被认定为轴承在生产制造中人为因素问题,铆钉装配的间隙导致了铆钉的异常应力以及早期的失效。保持环批次M13685集中了15个事件中的13个。

3、磨削烧伤。磨削烧伤导致了一起孤立的波音737-8飞机返航事件,其根本原因为当磨削制造过程产生的能量产生过多的热量时,就会发生磨削烧伤,磨削烧伤降低硬度并引起拉伸残余应力。

工程改进措施:

1、针对RDS轴承润滑存在缺陷的问题,CFM下发SB72-0258,重新设计RDS轴承、新型的分油环以确保更多的滑油进入轴承,详见下图。

2、引入重新设计的滑油喷嘴,提高滑油流量。

3、CFM下发SB72-0271,发布了新型的IGB滑油喷嘴,详见下图:

4、改善了轴承设计,新型的RDS轴承把4个润滑槽换成8个,确保油膜覆盖。新型RDS轴承增加了润滑槽。


5、针对RDS轴承保持架铆钉疲劳断裂,CFM下发了SB72-0365,说明了受铆钉疲劳问题影响的发动机序号,当前共有179台LEAP-1B发动机受影响。SB仅对受影响的179台发动机适用,不受SB72-0365影响的发动机极少发生铆钉问题,SB要求在执行改装前,以50FH为间隔重复检查TGB回油滤网,CFM建议不要在同一架飞机的两侧安装两台受影响的发动机。

6、针对保持环铆钉疲劳损伤,CFM已经改进了铆钉工艺,减少人为因素的影响,改进的设计解决了两个主要的根本失效原因。改进工艺包括:可追溯的保持环间隙控制、铆钉孔镀银后的机加工、铆钉在加载前定位,确保无周向间隙、在铆接过程中设置保持架预紧力的新工装、在铆接过程中设置保持架预紧力的新工装以及对角铆钉工艺。


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