CFM56系列發動機高壓渦輪面向維修的設計改進分析

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(中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307)

CFM56系列發動機是由CFM國際公司(CFMI)研制的100kN級高涵道比渦扇發動機。到2005年已發展了CFM56-2、CFM56-3、CFM56-5A、CFM56-5B、CFM56-5C和CFM56-7等6個系列，已成為22個型號飛機的動力裝置[1]。它也是我國民航客機主機型B-737和A320系列的主選發動機，至2011年，已有超過1800臺CFM56系列發動機在我國服役，是我國民航界應用最廣泛的航空發動機[2]。CFM56系列發動機具有渦輪前總溫高、推力大、耗油率低、壽命長和經濟性好等優點，這些優點的實現在很大程度上要歸功于高壓渦輪維修方法的不斷改進和優化。本研究主要結合發動機生產廠家和發動機大修廠的數據資料進行，使得研究本身更具實際意義。

1 高壓渦輪主動間隙控制活門(HPTCC)改進措施

1.1 服務通告(SB)對鉻鎳鐵合金殼體的改進措施

在早前返廠的活門9級引氣閥的殼體處發現淺層裂紋，但是并沒有發現過任何貫穿式的裂紋。為此CFMI和Meggitt Control Systems(MCS)共同開發了新型的鉻鎳鐵合金殼體以應對這一問題，隨后批準并發布了服務通告75-0047，同時發布了新件號VIN 329695-6(P/N 1960M28P07)。

1.2 新封嚴設計的進展

根據CFM國際公司的技術會議資料，自2008年以來，高壓渦輪間隙控制系統的主要故障之一是活門伺服燃油漏油，占世界機隊每年非計劃拆換活門數量的30%，且滲漏發生時，活門的在翼使用時間從8000飛行小時到15000飛行小時不等，有逐漸縮短的趨勢。活門伺服燃油漏油的主要原因有兩點：其一，活塞殼體上的主封嚴經過長期使用后，逐漸磨損失效，導致燃油滲漏；其二，活門的位置控制使用了高壓渦輪機匣溫度傳感器測量的溫度信號，該溫度信號的漂移導致活門頻繁往復運動，加劇了封嚴的磨損速率[3]。HPTCC活門剖面圖如圖1所示。

為此，CFMI改進了封嚴材料和封嚴幾何外形以增強抗磨能力，增加密封蓋的尺寸以降低部件公差對封嚴效果造成的影響，并且提高活塞表面的光潔度以減小磨擦。同時發布了新件號VIN 329695-5(P/N 1960M28P06)，本產品于2011年3月開始投入使用。實踐證明，采用新封嚴的活門可靠性提升了320%，封嚴失效的概率下降了91%。

圖1 HPTCC活門剖面圖

2 高壓渦輪葉片(HPT Blade)改進措施

2.1 及時探傷應對早期裂紋

在使用過程中高壓渦輪葉片出現過榫頭受力面邊緣裂紋的情況，裂紋產生于葉盆上壓力面與空腔2平齊的位置。外場措施是當裂紋暴露時及時進行渦流探傷，并建議在25000個循環將其拆下。CFMI對葉片進行了改進，增加了榫頭和盤之間的間隙。

2.2 葉片端面的改進

為了提高葉片工作效率，對葉片端面外形進行改良，設置了葉尖緩沖柵。除去了分離凸臺，進而減少榫頭頸部應力，增強了耐久性，如圖2所示。

圖2 高壓渦輪葉片端面的改進

2.3 改良涂層工藝

值得注意的是，近年來在中國地區運營的發動機發生了五起高壓渦輪葉片葉柄腐蝕的事件，由于高壓渦輪葉片葉柄腐蝕導致發動機空中停車的事件記錄如表1所示。進一步分解發動機可以看到，在高壓渦輪葉片葉柄的3號腔室發現了腐蝕疲勞裂紋，如圖3所示。

經研究發現，大部分高壓渦輪葉片葉柄后腔室內部沒有涂層并伴有腐蝕疲勞裂紋，裂紋在大約8000個循環時出現，裂紋擴展和循環數成正相關。為應對此問題，發動機廠家改良了涂層工藝，在葉柄后腔室噴涂千分之一英寸的涂層，之后沒有在此位置發現新的裂紋產生。

表1 葉柄腐蝕導致發動機空中停車的事件記錄表

*注：1.ESN：Engine Serial Number，發動機序列號；2.TSN：Time Since New，自部件全新狀態起的使用時間；3.CSN：Cycles Since New，自部件全新狀態起的使用循環數；4.IFSD：In-Flight Shut Down，發動機空中停車。

圖3 高壓渦輪葉片葉柄內腔腐蝕裂紋情況

3 高壓渦輪導向器(HPT Nozzle)改進措施

在中國區使用的CFM56-7B和-5B的高壓渦輪導向器出現了更多的前緣氧化和裂紋，如圖4所示。自2011年1月起，已經出現了36個非計劃下發。經檢查確定，損傷通常都是不可修理的。初步認定造成故障是由于中國區空氣中大量的微小沙粒或者臟物堆積在內壁上，降低了冷卻效果，顆粒的平均尺寸約8μm，導致返廠修理，增加了運營商的維修成本[4]。

圖4 高壓渦輪導向器前緣氧化、裂紋和臟物

經研究總結出損傷機理，小顆粒跟隨氣流沿著燃燒室內環流到高壓渦輪導向器的前緣腔里，逐漸形成灰塵堆積。后緣和后腔也因為大顆粒堆積在后緣孔以及沖擊作用而受到影響，如圖5所示。針對-5B/-5C/-7B發動機，CFMI在2011年11月發布了有鉑-鋁涂層的導向器的修理構型，此舉提高了導向器的抗氧化、抗腐蝕能力，并且類似的鉑-鋁涂層修理已經應用在了CFM56-3的高壓渦輪導向器上。有鉑-鋁涂層的備件(件號2080M35G10)已經在2012年發布，作為VPA涂層備件的替代件。

圖5 高壓渦輪導向器損傷機理圖

4 高壓渦輪罩環(HPT Shroud)改進措施

4.1 提升高壓渦輪罩環耐久性

高壓渦輪罩環耐久性的改進得益于高壓渦輪導向器改進的冷卻方式(5B/SB72-0514之后和5C/P SB72-0518之后，分別于2004/2005發布)。措施是在導向器外平臺的喉道和后緣位置增加了冷卻孔，用以降低導向器和罩環的工作溫度，減小了導向器外平臺和罩環之間的軸向間隙，用以改善燃氣氣流，如圖6所示。

圖6 高壓渦輪導向器外平臺喉道及后緣處增加的冷卻孔

4.2 高壓渦輪罩環掛架的改進措施

使用中發現在發動機底部，顆粒物堆積在罩環掛架的冷卻孔里，沙塵集聚在顆粒物堵塞的位置，切斷了通過冷卻孔的冷卻氣流。冷卻孔的堵塞致使罩環溫度過高，增加了罩環氧化的概率，可以最終導致整個罩環的脫落并導致下游的高、低壓渦輪部件嚴重損傷，如圖7所示。

圖7 高壓渦輪罩環掛架損傷模式

改進措施是在罩環掛架的冷卻空氣進氣口的上游引入金屬過濾器，此過濾器保持了要求的冷卻氣流，擋住了尺寸較大的顆粒物，使其不能駐留在罩環掛架的冷卻孔處，提供了備用的冷卻氣流通道，如圖8所示。2011年，CFMI頒布了7級(客戶選擇)服務通告，引入了有過濾器的罩環掛架。服務通告建議在發動機底部位置安裝5個有過濾器的罩環掛架(和生產構型相同)，但是任何形式的罩環掛架的混裝都是允許的，罩環掛架可以在修理時加裝過濾器[5]。服務通告分別為SB72-0797(CFM56-5B)、SB72-0710(CFM56-5C)和SB72-0816(CFM56-7B)。

圖8 在罩環上安裝的金屬過濾器

5 結語

航空事業發展到今天這樣高的水平，關鍵在于它強有力的“心臟”——發動機。對CFM56系列發動機高壓渦輪零部件的故障模式、失效原因和維修方法的研究，有利于提前制定相關的維護措施或維修計劃，延長發動機的在翼使用時間，增強維修單位對高壓渦輪常見故障的預防和排故能力，降低航空公司的運營維護成本，保障飛行安全。從CFM56系列發動機高壓渦輪零部件面向維修的設計改進措施的研究中我們可以發現，未來先進渦扇發動機高壓渦輪的發展方向就是不斷提高渦輪前溫度、降低維修費用、提高可靠性、延長使用壽命、優化結構設計、開發新材料和提高工藝制造水平。這些技術增長點勢必會成為我國開展大型民用渦扇發動機高壓渦輪的研制和維修工作的技術發展方向。

[1] 陳光.航空發動機結構設計分析[M].北京：北京航空航天大學出版社,2006：137-150.

[2] 王銀坤,唐慶如,鄭偉.CFM56發動機渦輪導向器結構損傷的研究[J].西安航空技術高等?？茖W校學報,2013(1):36-38.

[3] 陳少龍.CFM56-5B發動機高壓渦輪間隙控制活門伺服燃油漏油故障的維護措施[J].航空維修與工程,2012(2):76-78.

[4] CFMI.CFM56 China all operators meeting [Z].2013.

[5] CFMI.SB CFM56-5B S/B 75-0041 [Z].