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ATR-72飞机PW-127F发动机在役过程中的孔探检测(下)

时间:2020-04-30 点击次数:392

 ATR-72飞机PW-127F发动机在役过程中的孔探检测(下)

2   发动机AV0045空中停车的事故调查

 

2009年3月13日,ATR-72/B-3027飞机在执行CZ6674航班时,左发(PW-127F/AV0045)发生空中停车事件。地面检查发现该发动机第1级功率涡轮转子一片叶片断裂,第二级功率涡轮转子叶片全部被打断。经现场和孔探检测,证实该发动机空中停车是由于发动机第1级功率涡轮叶片断裂,并将下游部件打伤所致。

2.1   检查发现的损伤

所有的第二级功率涡轮转子叶片从叶根部位置断裂。

2-3点钟位置的第二级功率涡轮导向器叶片断裂,其它位置的导向器叶片均严重打伤。

有一片第1级功率涡轮转子叶片从根部断裂,其它转子叶片后缘明显打伤,但这些叶片的前缘均状况良好。

低压涡轮转子、导向器叶片状况均正常。

高压涡轮转子、导向器叶片状况均正常。

进气道、低压压气机和燃烧室状况均正常。

左发尾喷管和隔热护套均有损伤现象。

另外从跑道收集到了大量的金属碎屑。

2.2   现场照片

 

 

 

图5  左发2-3点钟位置的第二级            图6  功率涡轮残片

功率涡轮导向器叶片断裂             

2.3   该发动机前期使用状况调查

我们对空中停车发动机(序号:AV0045)近期孔探记录进行了复查:

2008年8月28日,孔探发现燃烧室外环多处烧蚀且其中有两处有裂纹、烧洞,6点钟方向的外环有材料丢失现象;一片高压涡轮导向器叶盆处烧蚀并有裂纹;都在发动机维护手册允许范围内。

 2008年11月8日,在上次发现的损伤基础上发现燃烧室外环7点钟方向有两处材料丢失现象,其它损伤没有扩展,都在发动机维护手册允许范围内。

 2009年1月11日,孔探上次发现的损伤没有扩展

发动机故障:2008年11月1日至今,AV0045发动机没有故障记录。

2.3.1孔探记录

 

表2   孔  探   记   录

左 发

维护类型

检查区域

检查结果

日期

AV0045

吊上

LPC、燃烧室、HPTNGV、HPT、HPT罩环、LPTNGV、 LPT

未见异常损伤

2007-12-30

AV0045

1098

LPC、HPC、燃烧室、HPTNGV、HPT、HPT罩环、LPTNGV、 LPT

未见损伤

2007-01-06

 

AV0045

0248

LPC、燃烧室、HPTNGV、HPT、HPT罩环

未见损伤

2008-04-21

AV0045

0537

LPC、燃烧室、HPTNGV/HPT、HPT罩环

通过左侧电嘴发现:燃烧室外环多处烧蚀且其中有两处有裂纹、烧洞;一片HPTNGV叶盆处烧蚀并有裂纹;

通过右侧电嘴发现:6点钟方向的外环有材料丢失现象(长度为两个小冷却孔的间距)。

2008-08-28

AV0045

0631

燃烧室、HPTNGV

损伤未见扩展,又发现7点钟方向的外环有材料丢失现象两处。

2008-11-08

AV0045

吊下

LPC、燃烧室、HPTNGV、HPT、HPT罩环、LPTNGV、 LPT

一级功率涡轮前缘未见损伤,后缘叶尖均有严重打伤,并且有一叶片缺失。二级功率涡轮导向器严重打伤并有6个叶片缺失。二级功率涡轮全部缺失。

2009-03-15

 

2.4 空中停车后孔探照片

 

     图7  第1级功率涡轮罩环     图8  第2级功率涡轮导向器严重损伤

 

 

图9   第2级功率涡轮叶片严重损伤

 

 

图10    第1级功率涡轮叶片断裂

 

在此之前的2007年04月10日和2007年05月23日,3022飞机的右发AV0033和3025飞机的右发AV0039在飞行停场后,车间维护人员发现其浆叶被卡住不能正常转动,并发现第2级功率涡轮叶片有不同程度的打伤。经孔探检测发动机的热部件,发现这两台发动机的损伤情况相似,其损伤是第1、2级功率涡轮转子叶片严重打伤,导向器上部材料严重脱落,其中AV0039发动机的第1级功率涡轮转子叶片离根部1/3处断裂。因此这两台发动机先后返厂,厂家对损伤的原因正在研究,其结果待定。

  1. 结合具体事例,针对性的提出解决问题的议案

为了避免发动机再次损伤,南航新疆分公司和飞机维修基地领导高度重视,多次召开专题会,要求在厂家未提供相应的检查方法之前,应根据发动机的损伤情况和现有的孔探设备及孔探能力,对装机后的PW-127F发动机进行检查。孔探人员与工程技术人员按照各级领导的要求反复对损伤的情况、部位及检测的图片进行分析,认为造成发动机严重损伤的直接原因是由于第1级功率涡轮转子叶片因扭矩过大使叶片断裂,将其它部位打伤所致。为了提前有效检查到转子叶片的损伤,避免造成二次损伤,最终确定了结合飞机在做周检时,对第1、2级功率涡轮转子叶片及罩环进行孔探检测重点检查第1级功率涡轮转子叶片上的裂纹缺陷。该项工作已完成孔探20台/次,未见损伤。目前在没有得到厂家的检查要求之前孔探工作仍然继续进行。

就此我们孔探部门专门打报告,就目前孔探存在的问题谈了我们的认识:

2.5.1  关于PW127F发动机的孔探培训的报告

PW127F发动机投入使用已十年有余,凡其重大故障的监控和排除都与孔探检测有着密不可分的联系。仅在1998-1999年由孔探发现的发动机内部结构损伤而吊下发动机就有十余台。通过系统的分析和建议,使发动机厂家改进材料和工艺,其性能得到改善。但我们的孔探人员并没有得到专业上的指导与培训,就此我们曾向有关部门反映并写过专门的申请。到目前为止,我们的孔探人员只是通过现有工艺和平时的经验积累逐步形成一套孔探的方法,在日常的孔探检测中始终保持认真负责和严谨的工作态度来完成孔探工作,但这并不能说明孔探人员对发动机内部结构的掌握。今年(2007)4月和5月PW-127F发动机出现两起第1、2级功率涡轮及导向器被严重打伤,至今都没有一个明确的分析报告。这说明孔探人员需要对PW-127F发动机系统的结构进行学习和观摩,以便更好地在检查中发现损伤缺陷,为分析损伤性质,提供可靠的依据。

  1.   造成AV0045发动机空中停车的直接原因

上述事件发生后,以上两台发动机返厂分解,并将相关部件送P&WC公司进行调查,最终调查结果是:由于叶片根部叶背中央部位存在金属晶体间隙,并由这个晶体间隙开始产生疲劳并且扩展,最终造成周围区域拉力过载而断裂〔1〕。(事实证明我们没有很好的掌握对1级功率涡轮及导向器的孔探检测方法)

2.6  调查后采取的措施

2009年3月13日的空中停车,还是第1级功率涡轮转子叶片断裂,造成第二级功率涡轮转子叶片严重损伤引起的。这引起了上级主管部门严重关切(高度重视)为了对此次发动机空中停车事件的原因做进一步调查,同时对AV0045发动机修理范围、维修成本进行必要的控制和对发动机包修厂家的整体质量与技术控制体系进行一次综合评估,我们建议公司结合此次AV0045发动机送修,派遣相关工程技术人员组成监修组进行监修工作。并且对AV0045发动机监修组主要任务提出了要求:

2.6.1  对AVIO公司〔2〕的整体质量控制体系进行核查,确认其整体质量控制体系没有大的疏漏;

2.6.2  对AVIO公司的工程控制体系进行核查,并根据核查情况提出具体的建议和今后的合作意向;

2.6.3  与AVIO公司就此次发动机空中停车事件共同对新疆ATR机队发动机总体风险进行综合评估,并协商安排后续的工程管理控制措施,以最短时间消除机队运行中的安全风险;

2.6.4  在发动机完成分解后,实地检查AV0045发动机内部的具体损伤状况,提供和完善发动机孔探的实施方案,明确AV0045发动机的修理范围,对修理费用进行有效控制。

2.7   B-3027飞机左发(AV0045)空停的相关报告

南航新疆分公司飞机维修基地将断裂的和其它打伤的第1级功率涡轮叶片送往普惠-加拿大实验室,根据普惠公司提供的检查报告〔3〕,目视检查有一片叶片从叶根处断裂,这片断裂叶片(SN=HMB78344)的残余翼型后缘自平台高度约0.175英寸,前缘自平台高度0.250英寸。

根据普惠-加拿大提供的实验室分析、化验数据,导致AV0045发动机第1级功率涡轮转子叶片的断裂原因如下:

这个在平台附近断裂的第1级功率涡轮转子叶片,首先是在叶片后缘尖部内部形成疲劳源,然后朝叶片前缘区域扩展,最后在旋转离心负载的因素下导致断裂。

不能确定机械损伤和材料异常和形成这个疲劳裂纹的原因有关。

这个断裂的第1级功率涡轮叶片,可能和LCF(低循环疲劳)因素有关。

 

 

  图11  断裂的和其它打伤的          图12  序号为HMB78344叶片的断面

           第1级功率涡轮叶片

 

这片断裂叶片靠后缘位置的断层区域显示出了较深的颜色并且断面比较平整,这种较深的颜色表明受到氧化后变色,也就说明这个断面曾经在燃气中暴露了一段时间。前缘断面较浅的颜色说明相对于后缘的断面,是新形成的。

 

图13  断裂叶片靠后缘位置           图14  前缘断面较浅的颜色

 

通过电子显微镜检查发现后缘断裂区域从最后和向前位置有稍微不同的断裂形态,后缘叶尖区域的断面分布形态由没有明显特征的晶状表面构成,符合低循环疲劳裂纹传播特点并能够说明疲劳裂纹的来源。在这个区域没有现象表明有撞击和冶金制造方面的问题。

   图15  发现后缘断裂区域                 图16划圈区域显示出从晶面疲劳

符合低循环疲劳裂纹传播特点        区域向叶片前缘发展的河状线。

 

通过电子显微镜放大的划圈位置,显示出从晶面疲劳区域向叶片前缘发展的河状线。

图17  显示出疲劳向前缘发展的过程  图18  圈1处 金属金相检查在吸力边

 的表面涂层有一条裂纹进入了叶片

 

使用电子显微镜扫描的图15圈区域断层面上,显示出了很多海滩层叠状痕迹,它们能显示出疲劳向前缘发展的过程。

在叶片中部区域的断裂表面,显示出了由于超载导致的涟漪状断层,前缘区域也显示出了因超载导致的树杈状断层。

在叶片后缘断裂的晶体表面有一个交叉的部分,金属金相检查在吸力边的表面涂层有一条裂纹进入了叶片,并且有一个在限制范围内的孔隙(圈2),在压力边的表面涂层还有一些腐蚀(圈3),在断裂区域的表面没有发现制造上的缺陷。

这个断层区域的显微结构显示到微克级别的主要结构没有受到高温影响的证据。使用一个标准的半定量电子显微-能量、光谱色散分析这个功率涡轮叶片,显示叶片的主要合金材料的成份符合要求。通过光学检查其它的功率涡轮叶片靠近平台区域的后缘,显示只有裂纹和打击损伤有关,这些其它叶片应该是在二次损伤的作用下断裂的。

2.8  信息的反馈与孔探人员培训的重要

孔探人员根据金相显微分析从中可以得到哪些方面的信息呢?以上述结论为列:第1级功率涡轮叶片的断裂如果是材料及加工工艺方面的问题,其损伤有可能是以晶界延展的形式展开的,这种损伤形态的变化具有很大的不确定性,孔探很难有效地监控。制造厂家必须从根本上消除损伤的隐患。

如果第1级功率涡轮叶片的断裂是因为材料疲劳产生的裂纹引起的,孔探则是有效的监控手段。但是厂家必须给予必要的指导,以便孔探人员准确的有效的实施监控。在这方面我们孔探人员没有得到有效的指导和培训,致使我们不能熟练地、有效地观察到可变地、有损伤部位的发生和发展。(从热电偶孔看)

自引进该型号的飞机以来,PW-127F发动机孔探检测就没有得到有效的培训,孔探技术人员其责任使得他们通过实践不断的总结经验,而经验的获得需要一个时段的过程,这个过程可以通过培训得到缩短。以至于我们在很长的时段里不能很好的把握孔探检测的技能及损伤部位的界定。

孔探检测而言,同一型号的发动机孔探检测经验的交流是必要的,但就PW-127F发动机来讲,其特殊性使得我们无法在国内通过交流而得到提高,唯有把受损伤的发动机送到修理厂家进行热检和大修时,可相应了解发动机内部结构及损伤的状况并对今后的孔探检测提出相应的针对性规范和要求(送修发动机都会派相应的工程技术人员监察)。多次的要求,多次的打报告,上级主管部门并没有给予明确的答复。当AV0045发动机空中停车,才派了一名孔探人员参与(而这已经是12年以后的事了)。因此可以这样说,上级部门主管的重视是孔探人员提升技术要素的关键,这一问题随后在南航的的几次空停后得到了验证,孔探的培训及技术交流得到了明显的改善,美国波音787飞机、巴西航空工业公司E-190飞机到位的前期,孔探人员就得到了培训。中华人民共和国民用航空行业标准-航空器无损检测-孔探人员资格考核与认证培训也已经在实施中。

3   发动机孔探、视情监控与维修成本控制

发动机各部件:如高压、低压、风扇叶片,热部件(燃烧室、高、中、低压涡轮叶片)是允许有损伤的,并在发动机维修手册中规定了其损伤容限。我们知道损伤的扩展是一个渐进的过程,在不增加维修成本的前提下,提高平均故障工作时间,降低飞机的营运成本,是我们必须注重的环节,因此把握损伤发展的过程确是非常之关键。随着损伤的逐渐扩展,要随时调整监控的时间间隔,预防损伤的突变,以确保飞机发动机的安全有效,孔探检测在这里起着至关重要的作用。

这里我们以PW-127F发动机AV0045为例:此发动机在2003年7月8日送修,(飞行总小时6864h/起落5328架次)送厂大修,2003年8月25日修理返回,同年11月23日吊上3026飞机使用,直至发动机2005年2月4日被吊下。以下是我们的孔探记录。

        

发动机号

维护类型

检查区域

检查结果

日期

 

 

 

 

日期

 

备注

Av0045

吊上发

低压压气机叶轮、燃烧室、HPTNGVHPTHPT罩环。

未见损伤

2003-11-23

 

AV0044

AV0045

0031

你压压气机叶轮、燃烧室、HPTNGVHPTHPT罩环,功率涡轮导向器/转子叶片,LPTNGV/LPT

未见异常损伤

2004-1-19

 

Av0045

0078

低压压气机叶轮、燃烧室、HPTNGVHPTHPT罩环、

未见异常损伤

2004-3-6

 

AV0045

0390

低压压气机叶轮、燃烧室、HPTNGVHPTHPT罩环

详见报告

2004-6-1

 

AV0045

0390

低压压气机叶轮、燃烧室、HPTNGVHPTHPT罩环

未见损伤明显扩展

2004-6-14

 

AV0045

0554

燃烧室、HPTNGVHPTHPT罩环

未见扩展

2004-7-3

 

AV0045

0635

燃烧室、HPTNGVHPTHPT罩环

燃烧室外环上的损伤未见明显扩展

其余未见异常;

2004-8-13

 

AV0045

0748

燃烧室、HPTNGVHPT、罩环

未见扩展其余部位未见异常损伤

2004-8-28

 

AV0045

0750

燃烧室、HPTNGVHPT、罩环

左电阻周围材料烧蚀脱落

2004-9-11

 

AV0045

0817

燃烧室、HPTNGVHPT、罩环

左电阻周围材料烧蚀脱落未见扩展;其余部位未见异常损伤

2004-9-14

 

AV0045

0776

LPC. 燃烧室、HPTNGVHPTHPT罩环

左电阻周围材料烧蚀脱落未见扩展;其余部位未见异常损伤

2004-9-17

 

AV0045

0850

 燃烧室、HPTNGV

左电阻周围材料烧蚀脱落未见扩展;其余部位未见异常损伤

2004-9-22

 

AV0045

0869

 燃烧室、HPTNGV

燃烧室外环损伤稍有扩展;其余部位未见异常损伤。

2004-10-4

 

AV0045

0871

 燃烧室、HPTNGV

燃烧室外环损伤稍有扩展;其余部位未见异常损伤。

2004-10-13

 

AV0045

0949

 燃烧室、HPTNGV

未见扩展

2004-10-19

 

AV0045

0964

燃烧室、HPTNGV

未见扩展

2004-10-22

 

AV0045

0971

燃烧室、HPTNGV

未见明显扩展

2004-10-29

 

AV0045

0990

燃烧室、HPTNGV

未见明显扩展

2004-11-2

 

AV0044

AV0045

1006

燃烧室、HPTNGV

左发燃烧室损伤未见明显扩展;其余未见异常损伤。

右发未见异常损伤

2004-11-13

 

AV0045

1036

燃烧室、HPTNGVHPTHPT罩环

燃烧室损伤未见明显扩展其余未见异常损伤。

2004-11-28

 

Av0044

Av0045

1101

燃烧室、HPTNGVHPTHPT罩环

未见扩展

2004-12-18

 

Av0045

1085

LPC、燃烧室、HPTNGVHPTHPT罩环

未见明显扩展(有照片)

2005-1-7

 

 

2005年2月4日因6、7号轴承腔泄露滑油返厂修理,(总飞行小时:10113:35/总起落8327架次、修理后飞行小时3249:32/飞行起落2999架次)

     从孔探记录中可以看出,随着热部件损伤部位的不同,损伤程度的不同,损伤发展速率的不同,我们随时调整孔探检测监控的时间间隔,以预防损伤的突变。

 

结束语:

 

十四年来ATR 飞机在役营运总算有了圆满,当我们反思十四年维护的过程,有得所思:

专业技能的培训是十分必要的,但这里存在一个误区。这个问题到现在都没有引起主管们的足够认识。现行的孔探培训一般都是在新发动机上教程的,随后就要靠自我的长时间经验积累。这种长时间的自我经验积累极大的延缓了掌握孔探经验及综合技能的时机。从PW-127F发动机维护的过程中就说明了这一点。培训要切合实际,要与相关的单位取经交流,要定期到相关的发动机维修厂家分解实习,以便使得孔探专业技术人员对各个热部件的损伤形态、发展趋势、认识判定有一个全面的结构上的理解。

对于单一多发的损伤,一定要与发动机制造厂家反应,坚持找到解决的方案。PW-127F发动机冷却环损伤的最终解决就是一个典型的范例。

突发故障一定要同专业主管技术人员沟通分析,找出发生故障的原因。从专业的角度阐述对故障的认识和看法,要说明自己的观点。我们在AV0045发动机空中停车前两年就打过该损伤的专题报告,事后证明我们的分析是有道理的。

孔探专业技术人员可以在控制损伤扩展、维修成本控制、预测大修及修理费用等方面做许多的工作。他们也可以参与到发动机热部件损伤机理的分析中来。PW-127F发动机AV0045发动机空中停车过程的全过程参与,使得我们的孔探专业技术人员从更深的层面得到了提高。

 

注1   P&WC公司的事故调查报告

注2  AVIO公司是国外一家PW-127F发动机大修公司   

  1. 普惠公司-加拿大实验室提供的检查报告 

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