PW1100發動機渦輪中介機匣后外側活塞環磨損分析

■ 王海臣 李文杰/中國南方航空股份有限公司沈陽維修基地

0 引言

選裝PW1100發動機的A320neo系列飛機自2016年在全球開始投入運營，美國普惠公司以靜潔動力發動機（GTF）概念迅速將PW1100發動機在全球推廣，該型發動機因低噪聲和低燃油消耗率而受到各大航空公司的青睞。

然而，全新的設計總會伴隨全新的問題。PW1100發動機低壓渦輪3級葉片創新性采用鈦鋁合金替代傳統鎳基合金材料，造成其強度不足，極易斷裂，且斷裂事件大多發生在飛機爬升階段。斷裂后短時間EGT超溫，高低壓轉子持續高振動，甚至出現發動機失速、空中停車，給機組的操作增加了難度，威脅飛行安全。

回顧低壓渦輪3級葉片斷裂事件歷史，普惠披露過許多打傷低壓渦輪3級葉片的來源，如燃燒室鉚釘、燃燒室襯板掉塊、高壓壓氣機后轂刀型封嚴等。2019年10月末，某航空公司發動機工程師依據已發生的低壓渦輪3級葉片斷裂發動機大修進廠初檢報告，懷疑渦輪中介機匣后外側活塞環斷裂后飛出的碎片是打傷低壓渦輪整個單元體的重要源頭。

1 故障初步分析

某航空公司發生7起低壓渦輪3級葉片斷裂事件，6起事件中低壓渦輪1級葉片被打傷或嚴重打傷，低壓渦輪2級葉片或有輕微打傷，低壓渦輪3級葉片整圈斷裂，從打傷形狀推斷是外來物和發動機內部部件脫落所致（見表1）。

首先，對進氣道做外觀檢查和壓氣機部分的孔探檢查，排除外來物打傷的可能；其次，因燃燒室和高壓渦輪無損傷，排除了高壓渦輪之前內部部件脫落打傷的可能；只是低壓渦輪1級葉片存在明顯打傷缺口。因此，工程師推測高壓渦輪及其后的單元體存在內部部件脫落，但因對新型發動機內部構造不了解，無法定位打傷物來源。

在對已發生的低壓渦輪3級葉片斷裂事件初檢孔探報告分析后發現，除已知的低壓渦輪1級和2級葉片打傷缺口、低壓渦輪3級整圈斷裂外，渦輪中介機匣后外部活塞環也存在斷裂，由于該活塞環正處于低壓渦輪1級葉片葉尖前部附近位置，因此認為其極有可能是造成低壓渦輪1級葉片被打傷的源頭。

2 結構位置分析

渦輪中介機匣單元體位于高壓渦輪和低壓渦輪單元體中間，起到結構過渡作用。渦輪中介機匣后外側活塞環位于中介機匣后部、低壓渦輪1級葉片葉尖正前端。活塞環前側承受高壓壓氣機3級增壓空氣壓力，后側則是內涵道低壓渦輪1級燃氣壓力，如圖1所示。在發動機運轉時，活塞環需承受兩側氣壓，且在發動機振動的惡劣條件下工作，起到封嚴作用。

表1 打傷數據

活塞環直徑約為790mm，環體截面長約8.7mm，寬約4.5mm。環兩端搭接形式為嵌入式，即一端變窄后嵌入另一端，搭接變窄部分長度約為56mm，如圖2所示。

正是由于搭接變窄部分尺寸減小，隨著磨損的不斷加劇，搭接部分斷裂，脫落后進入低壓渦輪單元體，打傷低壓渦輪各級葉片。同時，因低壓渦輪3級葉片材料為鈦鋁合金，強度不足，因而造成整圈斷裂，如圖3所示。

圖1 活塞環位置示意圖

圖2 活塞環嵌入搭接、斷裂位置示意圖

圖3 打傷位置及圖片

3 磨損過程

發動機運轉時，活塞環在兩側氣壓及振動的作用下，徑向與低壓渦輪1級外空氣封嚴產生磨損，軸向與渦輪中介機匣法蘭邊產生磨損。分析認為，活塞環搭接嵌入部分尺寸較小，寬度較窄，隨著磨損不斷加劇，搭接部分逐漸變細，最終無法承受振動及氣壓作用而發生斷裂，脫落后的碎片隨內涵道氣流打傷整個低壓渦輪單元體，如圖4所示。

4 在翼監控方法

該活塞環是可以實施在翼孔探的，可參考AMM 72-52-00-290-802對該活塞環進行孔探檢查。建議使用6mm孔探設備，從TIC孔探進入，在內外兩層機匣之間向后約十幾厘米即可找到該活塞環，隨后進行環向穿繞就可以找到搭接變窄部分。

目前，普惠給出了初步孔探標準，即用TOP和BOTTOM的大小對比（見圖5）來衡量活塞環搭接部分磨損后剩余截面是否有發生斷裂的危險，若TOP小于BOTTOM，則視為已經嚴重磨損，有斷裂風險，發動機不能再繼續使用（見圖6）。各航空公司可依據兩個尺寸的相對大小來制定孔探間隔，如375FH/100FH/50FH/30FH等。據悉，普惠下一步將發布服務通告對此缺陷進行詳細說明，但根本解決辦法仍是普惠對此活塞環進行重新設計，可能有材料和幾何形狀上的改變。

圖4 磨損過程示意圖

圖5 全新件實物圖

圖6 實物孔探圖

5 總結

渦輪中介機匣后外側活塞環斷裂、脫落僅是打傷低壓渦輪3級葉片導致其整圈斷裂的重要來源之一，若需徹底杜絕低壓渦輪3級葉片斷裂事件，關鍵措施是執行服務通告72-00-0111，將葉片改回高強度材料。未來FAA和CAAC將頒布相關適航指令，但執行改裝需將發動機拆下返廠修理，這是一個長期過程，在全部完成改裝前仍需進行持續的在翼孔探監控，以避免低壓渦輪3級葉片整圈斷裂事件再次發生。