PW4077風扇葉片斷裂引發的重大故障簡析

■ 陳光

近年來，以PW4077為動力的波音777-200飛機連續發生風扇葉片斷裂的安全事故，引發美國聯邦航空局（FAA）的關注，要求對進氣道與風扇整流罩重新進行設計與評估，縮短風扇葉片裂紋檢查周期并加強人員培訓。

美國聯合航空公司的一架波音777-200客機于2021年2月20日執行由丹佛飛往夏威夷的UA328航班任務，在起飛約4min爬升到3800m高度時，機上人員聽到一聲巨響，隨后飛機出現極大的振動。機上乘客從舷窗向外看時，發現右側發動進氣道與風扇整流罩全部脫落，暴露在外的發動機后部燃起大火，如圖1所示。飛行員隨即打開滅火系統，將火撲滅，并用左側發動機將客機平安降落在起飛機場。該飛機從起飛到著陸歷時24min，所幸沒有人員傷亡，此次事故稱為UA328事件。

圖1 燃燒著的發動機

機場人員對著陸后的飛機進行檢查，發現發動機的進氣道、風扇整流罩全部脫落。一個風扇葉片的近葉根處發生斷裂，緊鄰的一個葉片在中部產生斷裂。風扇所有葉片的葉尖及前緣均有傷痕，一個風扇葉片斷片卡在包容環中。包容環布滿傷痕，但仍保持著圓形。發動機側面顯示有燃燒過的痕跡，如圖2所示。飛機機身也有多處外物打傷的痕跡。

圖2 發動機后部被火燒過

脫落的部件基本都在地面被發現。碩大的進氣道（外徑近3.5m）墜落于一處居民小院中，除一個斷口外基本完整，如圖3（a）所示；整流罩的十幾個斷片在多處被發現，如圖3（b）所示。

圖3 丟失的部件

發動機簡介及故障調查

PW4077發動機是美國普惠公司研制的PW4000發動機中的第三個系列，其風扇直徑為2.84m，裝有22個由鈦合金制成的空心寬弦風扇葉片，是普惠公司第一次采用空心風扇葉片的發動機。風扇葉片長103cm, 葉尖處的寬度為56.5cm，葉根處的寬度為31.75cm，每片葉片的質量為15.81kg。飛機的動力裝置由進氣道、風扇整流罩、發動機與反推裝置組成，如圖4所示。

圖4 PW4077發動機

事故調查人員對葉根處折斷的風扇葉片的斷口做了金相分析，發現斷口處存在低循環疲勞條帶，而葉身中部斷裂葉片斷口的金相分析則未發現疲勞條帶，確定該處屬于大負荷作用下的斷裂。因此，可以推測這次重大故障的根源是由風扇葉片靠近葉根處的低循環疲勞造成的。

由以上情況可以大致分析出故障發展過程：在飛機爬升過程中，發動機處于最大轉速下，突然一個葉片在靠近葉根處斷裂，斷片在極大的離心力作用下甩向包容環，被包容環包住，并斷成幾塊，其中一塊卡在包容環中；發動機隨即發生喘振，喘振引起的氣流回流將另一塊斷片沖出發動機，對飛機的某些地方造成損傷，同時對進氣道與發動機包容環的連接處產生了極大的沖擊載荷；當葉片甩離輪盤時，風扇轉子的平衡遭到破壞，引起發動機極大的振動，除對所有風扇葉片與包容環接觸產生刮蹭外，還對進氣道與風扇整流罩作用了過大的載荷；最終造成進氣道脫離發動機，風扇整流罩斷裂成多塊甩出發動機，其中有些斷塊還對飛機造成一定的損傷；同時，過大的振動還造成發動機外部一些導管破裂，使部分燃油與液壓油外泄，引起燃燒。

另兩起類似故障

在此事故發生前，還發生過兩起類似的故障，如圖5所示。2020年12月4日，日本航空公司的一架波音777-200客機執行由沖繩飛往東京的JL904航班任務，當飛機由沖繩起飛爬升至5000m高度時，發生了風扇葉片斷裂引發的重大故障（一側的風扇整流罩丟失），即JL904事件。2018年2月13日，一架美國聯合航空公司的波音777-200客機，執行由舊金山飛往夏威夷的UA1175航班任務時，當飛機還在太平洋上空距夏威夷還有223km時，發生了風扇葉片斷裂引發的重大故障，飛機進氣道大部分脫落，風扇整流罩全部脫落，即UA1175事件。

圖5 兩起風扇葉片斷裂引發的重大故障

在這兩起事件中，風扇葉片斷裂情況與斷口疲勞裂紋所處位置與UA328事件基本一致，如圖6所示，表明3起事件均由風扇葉片疲勞斷裂引起的。

圖6 風扇葉片斷裂情況與斷口疲勞裂紋所處位置

發生故障的飛機與發動機，累計的工作時間均較長。以UA1175事件為例，其飛機生產于1995年，至事發時已累計工作89723h/16339循環；其發動機從裝機開始，已累計工作77593h/13921循環，從最后一次翻修到事發，已工作8579 h/1464循環。

故障原因簡析

由于風扇葉片屬無壽命限制的零件，為了探測使用時間較長的空心葉片的芯部結構是否出現初始裂紋，普惠公司于2005年發展了一種熱聲成像檢測（TAI）技術，以檢測葉片內部結構是否出現裂紋，據稱該技術的檢查效果大致可以滿足需求。但普惠公司并沒有對此制定一套規范的培訓流程和技術驗證規范，導致部分機務人員無法正確判斷風扇葉片裂紋的情況，最終導致這3起風扇葉片的空中斷裂事故。

此外，發動機取證時通過了嚴苛的風扇葉片包容試驗，即使在使用中出現風扇葉片斷裂故障，這3起事故中的嚴重情形也不應發生。究其原因，在于取證試驗中有兩點與實際情況嚴重不符：一是取證時所用的進氣道后加強筋環采用了鋁合金，而在飛機上實際使用的卻是復合材料，兩種材料的力學性能差異較大，在極大的振動條件下，加之風扇葉片斷片在向前沖擊過程中對加強筋環的沖擊載荷，使其斷裂破損，導致進氣道整體或局部脫離發動機；二是取證試驗時，由波音公司設計制造的風扇整流罩沒有裝到發動機上，因此整流罩沒有經過嚴苛條件下的考驗。除此之外，據波音公司稱，由復合材料蜂窩結構制成的整流罩在長期使用中吸收了空氣中的水，材質性能變差，在發動機過大振動作用下易于受損，這也是發生如此嚴重故障的誘因之一。

結束語

在發生這3起事故后，美國聯邦航空局（FAA）要求波音公司對發動機的進氣道與風扇整流罩進行重新設計、評估，并采取相應措施。對于普惠公司，FAA對其要求縮短TAI檢查的間隔，并加強對維修人員有關TAI操作的培訓。