GEnx-2B 發動機空氣信號管路斷裂問題淺析

■ 楊杰/北京飛機維修工程有限公司

1 GEnx-2B 發動機空氣信號管路斷裂事件統計

經統計世界機隊GEnx-2B 發動機運行可靠性數據，歷史上GEnx-2B 發動機機隊共發生9 起空氣信號管路斷裂事件，其中5 起為P3B 管路斷裂，3 起為PI 管路斷裂，1 起為PS3 管路斷裂。空氣信號管路斷裂的案例照片如圖1 所示。

圖1 發動機信號管路斷裂案例

2 GEnx-2B 發動機空氣信號管路構型和功能介紹

2.1 GEnx-2B 發動機空氣信號管路構型

GEnx-2B 發動機出現斷裂問題的空氣信號管路是PS3、P3B 和PI，三根信號管路之間和鋼制卡子焊接連在一起并通過8 個支架安裝在發動機上，如圖2所示。

圖2 發動機PS3、P3B和PI空氣信號管路、卡子和支架位置

2.2 PS3、P3B 和PI 信號管路的功能

PS3 信號管路探測高壓壓氣機出口的靜壓，將壓力信號提供給EEC，該信號是發動機推力控制和燃油控制的主要參數之一。

P3B 信號管路探測由飛機引氣流量傳感器（BBFS）測量的發動機高壓壓氣機（HPC）10 級出口的飛機引氣壓力，BBFS 將P3B 壓力信號提供給發動機的EEC，EEC 使用PS3 和P3B 來計算飛機的引氣流量。當飛機引氣時，EEC 會增加發動機計劃燃油以保持發動機的加速能力。

PI 信號管路探測發動機引氣（4 級和10 級）混合后的壓力，直接將信號發送給飛機系統，用于調節飛機客艙引氣。

3 GEnx-2B 發動機空氣信號管路斷裂對運行的影響

世界機隊出現的9 起發動機空氣信號管斷裂事件均對飛機的正常運行產生了較大影響。其中，P3B 信號管路和PI信號管路斷裂的8 起事件導致了飛機非計劃換發、外站換發和飛機AOG 等情況，1 起PS3 信號管路斷裂直接導致飛機發動機空中停車事件。

P3B 信號管路斷裂將造成EEC 無法準確獲取高壓壓氣機10 級出口的引氣壓力和用于計算飛機引氣的空氣流量，從而無法制定準確的燃油計劃。P3B 信號管路斷裂后，飛機系統將觸發發動機控制信息，該信息為不能放行類故障，需要在飛機放行前予以排除，即需要更換發動機或更換信號管路。

PI 信號管路斷裂將造成發動機引氣（4 級和10 級）混合后的壓力無法正確傳輸給飛機系統，導致飛機引氣系統無法正常工作。

PS3 信號管路斷裂對飛機發動機運行使用的影響將在本文第4 節進行分析說明。

4 GEnx-2B 發動機空氣信號管路斷裂問題的原因分析

PS3、P3B 和PI 三根信號管路是與鋼制卡子焊接連在一起，為焊接一體式設計，經分析，三根信號管路斷裂損傷的失效模式相同。下文以PS3 信號管路斷裂導致飛機發動機空中停車事件為例分析說明空氣信號管路斷裂的根本原因。

4.1 PS3 信號管路斷裂事件

2020 年8 月，世界機隊一架波音747-8 飛機在下降過程中發動機出現非指令停車，飛機成功降落。地面檢查發現PS3 信號管路斷裂（見圖3）。航班機組反饋在發動機自動停車前飛機發動機各項指示參數正常。經調查，PS3 信號管路斷裂是此次發動機空停的主要原因。

圖3 世界機隊PS3信號管路斷裂案例

4.2 發動機空中停車原因分析

GEnx-2B 發動機PS3 信號參數是指HPC 出口的靜壓，PS3 信號管路將HPC出口的靜壓信號提供給EEC，用于參與發動機控制。PS3 壓力是發動機燃油計劃、推力控制和發動機喘振監控的主要參數。

由于GEnx-2B 發動機初始設計時并未像某些機型一樣對PS3 壓力信號缺失的情況設置備份模式的PS3 信號模擬值，因此，當PS3 信號管路發生斷裂后，信號管路探測的PS3 壓力值會從高壓壓氣機出口的靜壓快速下降至外界環境大氣壓力，而外界環境大氣壓力遠遠低于可維持發動機慢車穩態工作的PS3壓力。當發動機的EEC 監控到PS3 壓力出現不明原因的快速下降時，會隨之減少燃油供給，燃油供給減少導致發動機N2 轉速持續下降，最終無法維持慢車轉速，發動機停車熄火（見圖4）。因此，發動機運行過程中PS3 信號管路斷裂將導致發動機停車熄火。

圖4 發動機數據譯碼

4.3 發動機PS3 信號管路斷裂原因分析

通過對斷裂的PS3 信號管路的斷口進行分析，確定信號管路斷裂的原因為高周疲勞斷裂，疲勞裂紋起始于信號管路和支架焊接區域（見圖5）。

圖5 高周疲勞裂紋初始形成位置

高振疲勞裂紋形成的主要原因為PS3、P3B 和PI 三根信號管路和卡子為焊接一體式設計，信號管路和卡子通過支架一起安裝到發動機上。發動機運轉過程中，信號管路在一定激振頻率下會出現共振。因信號管路和卡子焊接相連，焊接區域出現高應力集中情況，因此，在熱應力和振動應力的共同作用下，在高應力區形成高周疲勞裂紋，裂紋進一步發展，最終導致信號管路斷裂。

因此，信號管路和卡子焊接一體式的設計方式是焊接區域形成高應力區的主要原因，高周疲勞裂紋是導致信號管路斷裂的根本原因。PS3、P3B 和PI 三根信號管的斷裂失效模式相同。

5 解決措施

5.1 OEM 廠家措施

針對信號管路和卡子焊接一體式的設計導致高應力集中的問題，發動機OEM 廠家GE 公司于2020 年發布了服務信函（SB），推出了新構型的信號管路和支架，三根信號管路各自使用單獨的P 型夾子安裝到支架上，從根本上解決了舊構型信號管路焊接區應力集中的問題（見圖6）。

圖6 新舊構型發動機信號管路構型對比

由于改裝工序復雜，拆裝的發動機部件較多且發動機需要拆發放置在地面才能充分接近以完成改裝工作，GE 公司建議航空公司結合發動機車間修理時執行此項改裝，更換新構型的管路和支架。但GE 公司SB 中的改裝方案僅適用于不帶有OBV 系統構型的GEnx-2B 發動機，而對帶有OBV 系統構型的GEnx-2B 發動機的信號管路斷裂暫無針對性的解決措施。

5.2 國航機隊措施

雖然GE 公司發布了SB，但一直未能推出有效的監控方法對信號管路的高周疲勞裂紋和斷裂問題進行預警，從而無法提早發現信號管路的裂紋并采取有效措施以避免信號管路斷裂問題影響飛機正常運行。

同時，由于高周疲勞裂紋的特點是從裂紋形成、擴展到管路斷裂的時間一般較短，在無法進行有效監控預警的前提下，如果按照GE 公司的建議，待發動機進行車間修理時再執行改裝，更換為新構型的信號管路和卡子，將無法確保在翼發動機運行的可靠性和安全性。

國航GEnx-2B 發動機機隊共有33臺發動機受該問題影響，其中帶OBV系統構型的發動機7 臺，不帶OBV 系統構型的發動機26 臺。

經過評估，國航頒發工程文件，對國航機隊發動機信號管路斷裂問題采取了如下控制措施：

1）針對機隊所有受影響的發動機，以A 檢為間隔，對全部8 個支架上的信號管路和卡子焊接區域進行全面詳細的檢查；

2）對于機隊不帶有OBV 系統構型的發動機，主動執行改裝工作。在發動機修理廠的發動機由修理廠執行改裝工作，在翼的發動機由航線部門執行改裝工作；

3）對于機隊帶有OBV 系統構型的發動機，主動將發動機送修，去除OBV系統后再執行SB 中的改裝工作。

截至2022 年4 月，國航GEnx-2B發動機機隊不帶OBV 構型的26 臺發動機已全部完成改裝工作，帶OBV 構型的7 臺發動機中的4 臺通過主動送修去除OBV 系統后也完成了改裝，剩余3臺發動機計劃將在2023 年全部完成改裝。

6 總結

1）GEnx-2B 發動機世界機隊出現的9 起發動機信號管路斷裂事件均對飛機發動機的正常運行產生了影響，其中1 起PS3 信號管路斷裂事件直接導致發動機空中停車。

2）GEnx-2B 發動機信號管路斷裂的根本原因是信號管路和卡子焊接一體式設計造成焊接區域出現高應力集中，在熱應力和振動應力的共同作用下，在高應力區形成高周疲勞裂紋，疲勞裂紋進一步發展最終導致信號管路斷裂。

3）在無法對高周疲勞裂紋問題建立有效監控模型及時預警的情況下，為了快速有效地解決信號管路斷裂問題，避免信號管路斷裂事件影響飛機發動機的正常運行，國航機隊采取主動執行改裝的方式，從根本上解決問題。國航在主動執行改裝期間，就改裝中遇到的技術問題與GE 公司深入探討，推動GE公司完成工程文件和手冊內容的勘誤與修訂，為后續執行改裝工作的航空公司積累了寶貴的經驗。