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。


737MAX飞机HPSOV安装风险提示

近期某航司波音737-8飞机在执行发动机相关工作时,检查发现左右发高压关断活门(HPSOV)处电插头DP202的线束胶皮均有破损迹象,进一步检查确认线束与发动机反推内壁干涉,进而造成胶皮破损,通过更换线束排除安全隐患。若是发现不及时,可能导致空中发动机故障等严重后果。

发动机区域属于高振动区域,在执行发动机相关部件/管路安装工作时,不允许出现部件/管路相互干涉的情况。与波音737NG不同,LEAP-1B发动机的活门安装引入了活门安装定位点,若定位点未对齐,则可能导致线束干涉磨损。以执行波音737-8的HPSOV活门安装工作为例,通过上部mix。manifold标记符、两侧卡箍标记符、HPSOV本体箭头、和下部CDP。duct。assembly标记符对齐来定位。如果HPSOV本体箭头未与标记符对齐,HPSOV处电插头便可能会与发动机反推内壁发生干涉,进而导致插头胶皮破损,如下图所示。

依据AMM36-11-07安装HPSOV时,安装步骤G-3-(e)要求确认本体箭头朝上,且与上部mix。manifold标记符、两侧卡箍标记符以及下部CDP。duct。assembly标记符对齐,误差在±0.25in(±6.35mm)以内,如下图所示。如果HPSOV本体箭头未与标记符对齐,可能会出现反推内壁与DP202线束干涉导致胶皮破损的情况。

下图为对比图。未对齐的错误安装(左侧)和对齐的正确安装(右侧)

维护建议:

1、安装波音737-8发动机相关活门时,严格按照手册要求,确保活门本体箭头朝向正确,且与上部mix。manifold标记符、两侧卡箍标记符以及下部CDP。duct。assembly标记符对齐,误差在±0.25in(±6.35mm)以内,并注意检查确认电插头、线束与发动机反推内壁之间不存在干涉。

2、建议工作结束后,安排具有波音737-8机型授权人员对部件安装是否存在变形/干涉的情况进行复查,确保拆装部件周围区域线束、管路正常,部件与管路定位标记符对齐。

波音737MAX飞机感觉压差灯亮故障处理工作提示

2023年11月,某公司一架波音737-8飞机机组反映地面滑行时感觉压差灯亮、扰流板灯亮,后续自行恢复正常。因维护手册中未提及无线电高度信号跳变会导致SCE失效造成感觉压差灯点亮,该飞机航后进行了大量排故工作:冲洗AB液压系统、更换AB系统油滤、更换感觉压差计算机、更换R979延时继电器、更换LRRA-1收发机。排故后飞机恢复运行未再反映感觉压差灯亮。

波音737-8比波音737NG多了一个感觉压差限制功能,其感觉压差计算机内部比波音737NG多了电磁活门、限位活塞和压差限制电门。飞机起飞时空速较大,起飞前地面状态下电磁活门接通,供压给限位活塞,限位活塞向上作动,限制大空速下Q型膜盒的位移,减小起飞时大空速对感应力的影响。当飞机进入空中状态7秒后,电磁活门断开,系统回到空速增加,感应力也增加的状态。

如果压差限制电门或部分控制电路信号不一致5-12秒,感觉压差灯也会点亮。

工程师后续译码发现该案例波音737-8飞机地面故障时,无线电高度左侧跳变至+3.25英尺,右侧正常-3.5英尺。SCE通过PSEU给的空/地信号和RA收发机给的无线电高度信号控制感觉压差限制功能,波音SR回复波音737-8飞机左右RA高度偏差大于5英尺持续3秒,SCE就会失效RA收发机给其的无线电高度输入(这个原理在目前手册中没体现)。如果是地面状态,还会导致扰流板故障灯亮。如果报告扰流板灯亮,7秒延时后感觉压差灯也亮。RA高度恢复正常后,故障现象消失。

排故建议:

1、进入机载维护EXTENDED MAINT> FAULT HISTORY页面 ,检查ATA27章是否有关于RA系统或SCE的历史维护信息。

2、结合译码读取QAR数据确认故障发生时间点是否存在RA高度左右不一致情况,若高度有异常,视情更换相应侧RA收发机,后续对故障进行监控。

3、若译码未发现RA高度跳变异常,自检无RA、SCE相关维护信息,再参考IFIM27-31-00-810-803执行以下检查,以免造成不必要的排故工作:
a) 线路检查(压差电门、延时继电器、电磁活门)。

b) 油路检查(回油滤堵塞导致压力差、油路气塞、静压口漏液压油、感觉压差计算机本体故障)。

c) 气路检查(皮托管加温故障、皮托管堵塞、皮托管路漏气、皮托管的软管扭曲过大)。

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