CFM56-7B風扇葉片從根部斷裂事故簡析

■ 陳光 / 北京航空航天大學

（陳光，北京航空航天大學退休教授，著名航空發動機專家）

風扇葉片葉根截面處局部區域應力過大會造成低循環疲勞，從而導致風扇葉片在榫根處斷裂，CFM56-7B曾因此發生了兩次嚴重的事故。

美國西南航空公司的兩架737-700客機在2016年和2017年先后發生風扇葉片從根部斷裂事故，打壞了兩架737-700客機。經過美國聯邦航空局（FAA）與美國國家運輸安全委員會（NTSB）對兩起事故的調查，建議制造商重新設計737-700/-800/-900飛機所用的風扇整流罩，以保證整流罩在風扇葉片斷裂后的結構完整性。

事故基本情況

美國西南航空公司的一架737-700客機于2016年8月27日在執行由路易斯安那州新奧爾良飛往佛羅里達州奧蘭多的WN3472航班時，當飛機離地爬升至9450m，左發突發非包容故障，碎片擊穿飛機機體左側并打傷機翼與尾翼，造成客艙失壓，氧氣面罩自動彈出，飛機單發飛行，在20min后降落到彭薩科拉機場，機上載有99名乘客與5名機組人員，無人員傷亡。此事故被稱為WN3472事故。

NTSB與FAA對WN3472事故受損的飛機與發動機進行檢查分析后，于2016年9月12日發布了初步檢查報告指出：發動機中有一個風扇葉片從葉身與葉根交接處折斷，葉片的榫根部分仍殘留在輪盤的榫槽中，但葉身部分已丟失；在榫根斷口上呈現出明顯的疲勞條帶，其長度為28.9mm，深約為5.5mm，疲勞區的中心部分距葉根前端面53.3mm。另外，左發進氣道己脫離發動機（見圖1），其碎片打壞機體、機翼與尾翼，機體左側緊靠機翼上方發現一個129mm×408mm的大洞，但未擊穿機體內壁，洞內未發現風扇葉片及進氣道的殘片。

圖1 WN3472航班發動機進氣道已甩離

WN3472事故后的8個月，即2017年4月17日，美國西南航空公司一架載有144名乘客與5名機組人員的737-700客機在執行由拉瓜迪亞飛往達拉斯拉夫菲爾德的WN1380航班時，當飛機爬升至9800m，左發突發非包容故障，造成進氣道破碎與風扇整流罩嚴重受損。其碎片不僅打傷機體、機翼與尾翼，還打壞了靠近14排座椅處的舷窗玻璃，使客艙失壓，氧氣面罩自動彈出，并將一名坐在14排的女乘客吸出窗外，雖然其他乘客與空乘將其拉回并進行搶救，但由于傷勢過重而死亡，另有8人受傷。飛機單發飛行，在20min后降落到彭薩科拉機場。這是美國民航從2009年來第一次有乘客死亡的飛行事故，也是西南航空公司成立以來第一次出現有乘客死亡的事故，此次事故被稱為WN1380事故。

飛機著陸后，NTSB立即對受損的飛機與發動機進行了初步檢查，發現發動機受損情況基本與WH3472一致（見圖2），即1個風扇葉片在榫根處疲勞斷裂，打壞了風扇整流罩與進氣道，其斷片打傷機體與機翼各一處，并打破了位于左側14排座椅處的弦窗玻璃。

圖2 WN1380發動機進氣部分受損嚴重

事故原因分析

在這兩起事故中，雖有1個風扇葉片從榫根處斷裂后甩出發動機，但風扇外的包容環卻基本完好無損（見圖3），使專業人士感到疑惑，是不是葉片斷裂后的斷塊在工作中不是徑向甩離發動機而是向前斜向甩出的。如果是這樣，現有的有關葉片甩出的包容性適航條例就顯得不合適了，因為按現有適航條例葉片是徑向甩出發動機的。

圖3 兩次發動機故障中包容環均完好無損

兩次出現故障的發動機均為CFM56-7B，這是一型可靠性高、性能優越的發動機。在WN1380事故發生兩年半后，NTSB于2019年11月19日發布了于2018年4月17日編寫的有關WN1380的《飛機事故報告》，在報告中詳細分析了發動機風扇葉片斷裂的機理與葉片斷裂后造成的損傷過程，否定了前述的疑惑。發動機的13號風扇葉片在飛行中，突然從葉身與榫根交接處斷裂，是WN1380事故的肇事者。葉片的燕尾形榫根保留在輪盤的弧形榫槽中，榫根斷口處有一明顯的疲勞區，如圖4所示，疲勞區距葉片前緣15.4mm，其中有明顯的6根疲勞條帶，屬于典型的低周疲勞性質，葉片斷裂時已工作32636循環（從新葉片開始）。另外，在WN3472事件中，該發動機的23號風扇葉片也是從葉身與榫根接交處折斷的，其斷口的形貌與疲勞區的位置與大小，基本與13號風扇葉片相近，此葉片已工作38182循環。

圖4 燕尾形葉片片身與榫根交接處的形貌

NTSB對風扇葉片的材質與制造等進行了全面的檢查，沒有發現問題。最終得出發生裂紋的區域處于特別大的應力值下，在工作一段時間后引發初始裂隙，裂隙逐步擴大成為裂紋直致葉片斷裂的結論。

在分解發動機后，在風扇葉片與出口導向葉片間的包容環底部發現了2塊風扇葉片斷片，其中一塊長約50.8mm，另一塊長約304.8mm，是榫根以上的部分，加上殘留在輪盤榫槽中的榫根，殘存的葉片斷片占葉片總質量的86%，也即有14%的葉尖部分，軸向流出了包容環。對包容環的檢查，發現在底部有3處明顯的撞擊痕跡，還有1個小的撕裂槽，但無碎片穿出的痕跡。由此可見，葉片斷片是在6點鐘位置處徑向砸向包容環的，撞擊后葉片斷成幾塊，因此在事故中，包容環起到了應有的作用，也證實了CFM56-7B的鋁制包容環經受住了實際工作中的考驗。

圖5示出了CFM56-7B整個動力裝置，進氣道與風扇整流罩由飛機研制單位生產。進氣道固定在發動機包容環的前邊；風扇整流罩用鉸鏈連接到機翼下發動機的吊架中，整流罩由內、外2塊組成，在做地面維修時它們可以向飛機內側方向或外側方向打開，當它們合攏時，在底部用軸向銷將其鎖住。由于整流罩是一件體積較大的薄壁件，為了維持它的固有形狀，在鄰近底部結合面處設有1個徑向鎖緊固定件，使整流罩下方與包容環固定。

圖5 CFM56-7B動力裝置

圖6 CFM56兩型發動機的包容環不同設計

CFM56-7B是CFM56系列發動機中的最后一型，在風扇部件中有兩處與之前型號不同：葉片采用了寬弦設計，使單片葉片質量加大；包容環的材料由17-4PH合金鋼改用了鋁合金，相應的結構設計也做了改進，圖6示出了CFM56-3與CFM56-7B的包容環設計。用鋁合金制造風扇的包容環還是第一次，所以在發動機研制中，對包容環的包容能力進行了8種部件試驗臺的調試，最后調整完善的包容環進行了兩次葉片甩出試驗，這在發動機取證試驗中是少有的。第一次試驗中，葉片斷片被包容環包容住了，但葉片在輪盤中的軸向鎖緊裝置斷裂，造成幾片葉片甩離輪盤，試驗失敗。經過近一年的改進與調試后，第二次葉片甩出試驗取得成功，才使得CFM56-7B于1996年12月取得適航證。在進行葉片甩出試驗時，進氣道是裝在發動機上的，而整流罩沒有裝在發動機外部。

在葉片甩出的取證試驗中，葉片從根部斷裂時葉片所處的位置規定在上方即12點鐘的位置。但在WN1380事故中，葉片斷裂是在6點鐘位置，即發動機下方發生的，這就造成了嚴重的二次損傷事故。

在WN1380事故中，13號風扇葉片斷裂后撞到包容環的下部，葉片斷裂成幾塊，其中2塊殘留在包容環內，葉尖部分斷成的幾塊（數目不詳，也可能就是1塊）斷片，向前甩出（葉片折斷后發動機立即進入喘振，氣流在發動機中軸向前、后流動）打壞了進氣道與包容環的連接部位，使進氣道甩離飛機墜地，圖7示出墜落在地上的進氣道與部分整流罩。

當葉片砸向包容環底部時，對整流罩的徑向鎖緊固定件作用了一個大能量沖擊載荷，在這個強勁的沖擊載荷作用下，不僅使鎖緊固定件破壞，而且將部分整流罩撕裂，其斷塊甩離飛機時，不僅擊傷了飛機幾處結構，而且有一塊打碎了靠近14排舷窗的玻璃（見圖8），造成客艙失壓、氧氣面罩彈出，還使一位女乘客喪生。

兩次CFM56-7B嚴重故障均由于風扇葉片在葉根截面處，局部區域應力過大而造成低周疲勞導致的，為了不使類似故障再次出現，FAA、歐洲航空安全局（EASA）等適航部門先后發出若干適航指令，要求用戶加強對風扇葉片榫根處的超聲探傷儀、渦流探傷儀與螢光檢驗儀檢查，看是否有微小裂紋存在。現在的規定大致是，從新件開始到20000循環時進行第一次檢查，隨后每1600循環檢查一次。另外，雖然風扇葉片被規定為無壽命限制的零件，但是2019年8月6日CFM國際公司發出的服務通報稱，當風扇葉片工作時間達到55000循環時，應該報廢而不再使用，即風扇葉片從無壽命限制件變成有壽命限制件。

圖7 墜落到地面的進氣道與整流罩

圖8 砸破舷窗玻璃的整流罩斷塊

結束語

NTSB在這份有關WN1380的《飛機事故報告》中，最后提出了幾條建議，其中首要的是波音公司應確定CFM56-7B斷裂的風扇葉片撞擊到包容環的關鍵部位及其影響，重新設計用于737-700/-800/-900飛機所用的風扇整流罩，以保證整流罩在遭受風扇葉片斷裂后的結構完整性。當完成這項改進設計后，除要求波音公司在新生產的該型飛機中使用新設計的整流罩外，還要求在役的飛機立即更換新設計的整流罩。另外，還要求飛機與發動機研制廠商共同開展研究工作，以確定在各種工作條件下，葉片斷片砸向什么位置會對整流罩結構完整性造成大的影響，從而開發一個適用整流罩結構設計的分析工具。