波音737NG飛機起動機孔探檢查研究

摘要：本文分析了波音737NG飛機CFM56-7B發動機的起動機故障原因，提出在翼孔探檢查可早期發現異常，并可對其進行及時處理，以避免發生重大安全事件。

關鍵詞：起動機；徑向軸承；渦輪盤組件；孔探檢查

Keywords：starter；radial shaft；turbine disk；BSI

0 引言

波音737NG飛機的CFM56-7B 發動機使用的是霍尼韋爾公司生產的件號3505945系列起動機。該型起動機與發動機共用一套滑油系統，起動機突然失效往往發生在起動大發時，將污染和損傷大發滑油系統。該故障在世界機隊造成過多次航班惡性延誤、取消甚至空停，嚴重影響飛機的經濟性和安全性，一直是發動機領域持續多年的熱點問題。

減少起動機突然失效、提高起動機可靠性是廠家和各家航司共同努力的方向。國內某航司經過多次嘗試和實驗發現，采用在翼起動機孔探檢查可以提前捕捉到起動機渦輪損傷跡象，減少因渦輪問題導致的起動機突然失效事件。

1 起動機現狀分析

霍尼韋爾公司2019年4月在GE發動機年會上發布的起動機會議材料[1]中表明：

1）2017～2018年，起動機非計劃拆換的平均時間（MTUBR）呈下降趨勢，從2017年1月的67000h下降到2018年12月的50000h，下降約25%；

2）在962臺非計劃拆換的起動機中，起動機損傷174臺，占18%，居非計劃拆換原因之首。

綜合前期波音資料FTD[2]以及霍尼韋爾廠家2015年資料[3]，將起動機本體仍在關注的問題分為以下四類（見圖1～圖4及圖5中黑色框標記）：支撐渦輪盤的徑向軸承失效；殼體螺栓頭部斷裂；輸出軸斷裂[4]；碳封嚴漏油。

這四類問題中，對安全性和經濟性影響最大的是支撐渦輪盤的徑向軸承失效。徑向軸承失效將導致起動機內部多數部件發生不可逆損壞，產生高昂修理費用，同時，產生的碎屑會污染大發滑油系統（見圖6），后續需要耗費大量人力、物力和時間進行滑油系統沖洗和試車等工作，造成航班惡性延誤或取消。碳封嚴被失效部件打壞后會導致大發滑油泄漏（見圖7），如果漏油發生在空中，還有空停的風險。廠家于2015年提出了對徑向軸承失效進行商務賠償的解決方案[5]。廠家經過多年研究，發現徑向軸承失效與起動機使用時間/循環無關，是隨機發生的，無法找到根本原因，并于2018年再次重申徑向軸承失效采取商務解決方案[5]。

2 國內某航司的數據

2015～2019年，國內某航司因起動機失效導致航班不正常事件的數據如表1所示。

在該航司近5年起動機導致的航班不正常事件中，徑向軸承失效占70%以上，均導致了航班惡延或取消。2019年的14起事件中，10起符合徑向軸承失效的現象。

由于廠家無法找到徑向軸承失效的根本原因，按照目前波音提供的維修方案也無法避免該事件的發生，因此，只有提前捕捉到徑向軸承早期失效跡象，避免受損軸承再次運轉，才能防止后續更嚴重事件的發生。

在該航司2019年的10起符合徑向軸承失效現象的起動機中，失效前最近一次例行磁堵檢查均為正常（磁堵檢查間隔為300飛行小時），甚至有1起在3天前剛完成了起動機磁堵檢查。此情況表明起動機徑向軸承失效無法通過縮短磁堵檢查間隔來進行捕捉。

3 在翼孔探發現

分析起動機結構和工作特性發現，徑向軸承承受的負載主要來自高速旋轉的渦輪盤組件。起動機在大發起動過程中，渦輪盤組件轉速最高可達70000rpm以上，如果渦輪盤組件此時產生了動不平衡，在70000rpm轉速下增加的負載對于軸承來說相當巨大，然而廠家的各種改進措施和資料中均未提到對渦輪盤組件進行在翼檢查，更未提到損傷標準。

國內某航司自2019年9月份開始嘗試對所有在翼起動機渦輪盤組件渦輪葉片后緣進行普查（見圖5標注孔探位置），結果發現多臺起動機渦輪葉片后緣有凹坑、葉尖變形等損傷，其中2臺起動機渦輪葉片有斷裂和材料掉塊丟失，具體情況如下：

1）一片渦輪葉片斷裂（見圖8），拆下送修，分解發現徑向軸承軌道有損傷，軸承有早期失效跡象（見圖9）。

2）一片渦輪葉片材料掉塊丟失（見圖10），在翼監控使用，每3天進行磁堵檢查；15天后，該起動機突然失效。修理分解情況如圖11所示。

經過第一次普查后，該航司自2019年10月21日起正式增加起動機渦輪孔探工作。至2020年5月20日，孔探共發現50臺起動機渦輪葉片有掉塊、葉尖卷曲、凹坑、裂紋、葉尖刮擦殼體、漏油等缺陷。提前拆下15臺起動機送修，進行起動測試、動平衡實驗、NDT無損檢測等試驗，收集數據，并制定孔探標準。典型的有如下3例，其中2例超手冊標準，1例在手冊標準內。

1）渦輪葉片葉尖變形（見圖12）：渦輪盤動平衡測試超出手冊標準，NDT檢測渦輪盤，軸端發現裂紋。

2）渦輪葉片發現裂紋（見圖13）。

3）渦輪葉片后緣凹坑（見圖14），動平衡、NDT未超手冊。

2019年12月10日，在翼孔探起動機時，再次發生一起起動機突然失效事件。分解起動機發現渦輪盤組件（見圖15），一片渦輪葉片斷裂，前后共有5片葉片前緣有目視可見裂紋，多數葉片相同位置有裂紋，多數渦輪葉尖有磨損和材料丟失。但是該起動機徑向軸承目視檢查無明顯異常，可以正常轉動，由此斷定該起動機的失效原因為渦輪盤組件。

以上典型事例說明，渦輪盤組件可能就是對經濟性和安全性造成嚴重影響、廠家無法找到根本原因的徑向軸承失效元兇之一。提前發現渦輪盤組件問題，預防性拆下起動機，避免損傷的渦輪盤組件在高速旋轉時產生動不平衡而造成徑向軸承額外負載增加，將能顯著減少起動機徑向軸承失效事件。

根據該航司孔探經驗，建議可以暫時采取以下標準：

1）如果渦輪葉片有明顯斷裂、裂紋、彎曲、掉塊、葉尖卷曲、葉尖刮擦殼體痕跡，需要立即拆下起動機。這些類型的損傷將導致渦輪組件葉片重量改變或氣流通道改變，二者均會造成起動機渦輪盤動不平衡，增加徑向軸承負載，使徑向軸承失效。

2）如果發現渦輪葉片有不大于葉片厚度的凹坑，此類損傷不會減少渦輪葉片重量，也不會改變氣流通道，對渦輪盤動平衡無明顯影響，起動機可以繼續使用。

4 結束語

通過大量實驗、研究發現，孔探檢查起動機渦輪盤組件渦輪葉片可以提前捕捉到損傷。根據損傷位置和類型及時采取相應措施，可以在不增加維修成本的前提下提高起動機的可靠性，有效減少因起動機造成的航班不正常事件。

參考文獻

[1] Guangzhou Master HW-2019 [Z].

[2] Boeing 737NG-FTD-80-12001[Z].

[3] HW ATS_China_2015_Final [Z].

[4] CFM SB 80-0014/Honeywell SB 3505945-80-1861 Introduction of New Air Turbine Starters VIN 3505945-11（P/N 1851M36P11）and VIN 3505945-12（P/ N 1851M36P12）[Z].

[5] HW SIL：D201505000040 Inform Operators of Commercial Support for CFM56-7B，Air Turbine Starter Radial Bearing Failures [Z].

作者簡介

王錦申，南航機務工程部副總經理，主要從事機務工程技術管理工作。