航空发动机内窥镜检测技术与无损检测

董务江，郭 平，胡 诚

（1.南航新疆分公司 飞机维修基地，乌鲁木齐 830016；2.珠海摩天宇航空发动机修理有限公司，珠海 519030）

1 典型案例

1.1 某航空公司广西分公司高压涡轮叶片断裂

某航空公司广西分公司2011年12月报告，B－5193飞机左发CFM56－7／894710发动机高压压气机振动值偏大，即对该发进行针对性内窥镜检测，结果发现一片高压涡轮叶片从1／3处断裂，如图1所示，其余有多处打伤，低压涡轮叶片也有多处打伤。

1.2 某航空公司贵阳分公司高压涡轮叶片断裂

某航空公司贵阳分公司2012年4月B－5120飞机起飞后不久空中停车。安全落地后内窥镜检测发现CFM56－7／890503发动机高压涡轮叶片从根部断裂，如图2所示。对同类型高压涡轮叶片在大修时进行的荧光检验及涡流检验中，在叶根榫头压力面上曾发现荧光显示，涡流检验时发现超标信号。其典型显示如图3（a）所示，由于叶片未断裂，得到了完整的裂纹显示形貌，在100倍放大镜下如图3（b）所示，此为典型的疲劳裂纹，而且已经过了疲劳初期阶段，处于扩展初期。因此由于这种裂纹无法通过内窥镜检查出来，只能在大修时检查，这就要求叶片在大修时必须严格执行检验程序。

1.3 某航空公司新疆分公司高压涡轮叶片断裂

2007年4月和5月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被打伤现象。经内窥镜检测发动机的热部件，发现这两台发动机的损伤情况相似，第1、2级功率涡轮转子叶片被严重打伤，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。

图1 发动机894710涡轮叶片损伤图片

图2 发动机890503高压涡轮叶片断裂图片

2009年8月，ATR72／B－3027飞机从起飞后右发空中停车（PW127／AV0023，总飞行小时19734：34、飞行小时4631：34），飞机随即返航。根据现场情况初步判断是高压涡轮转子叶片断裂导致下游部件不同程度的损伤，如图4所示 。高压涡轮转子叶片的断面观察，能看到中空的叶片内部有明显的沙尘堆积现象（在残余高压涡轮转子叶片的叶盆位置上，附着有黑色的坚硬沉积物。

图3 某高压涡轮疲劳裂纹荧光显示和放大显示

对比修理厂家（AVIO）对其它用户的发动机修理经验以及上述AV0023的发现，该分公司送修的发动机内部存在沙尘堆积比较严重的现象。存在高压涡轮转子叶片内部冷却通道被严重堵塞后，高压涡轮转子叶片因局部散热不良，导致断裂的可能性。

2 案例分析

2009年3月，ATR－72／B－3027飞机在执行航班时，左发（PW127／AV0045，总飞行小时17597：54，修理后飞行小时2769：55）发生空中停车事件，现场照片见图5。地面内窥镜检测发现该发第一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。经现场和内窥镜检测，证实该发空停是由于发动机第一级功率涡轮叶片断裂，并将下游部件打伤所致。对其采用内窥镜检测发现损伤，如图6所示：① 所有的第二级功率涡轮转子叶片从叶根部位置断裂。②2～3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。③有一片第一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。④ 低压涡轮转子、导向器叶片状况均正常。⑤ 高压涡轮转子、导向器叶片状况均正常。⑥进气道、低压压气机和燃烧室状况均正常。⑦ 左发尾喷管和隔热护套均有损伤现象。⑧ 从跑道收集到了大量的金属碎屑。

图4 发动机PW127／AV0023损伤照片

随后对该型号的20台发动机进行针对性内窥镜检测，未见该部位损伤。

将断裂的和其它被打伤的第一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，目视检查有一片叶片从叶根处断裂（图7），这片断裂叶片的残余翼型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，出现较深的颜色是由于其受到氧化后变色，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8）。

图5 发动机PW127／AV0045损伤现场照片

图6 发动机PW127／AV0045涡轮叶片检测结果

图7 发动机PW127／AV0045断裂叶片

图8 发动机PW127／AV0045前缘断面

通过这些典型的案例可以说明，在先进的内窥镜检测技术条件下，虽然针对性地对可能产生损伤的部件部位进行了检测（在发生这类损伤的第一时间，各航空公司的内窥镜检测人员都做了大量的具体工作），但同类型的损伤及造成的空中停车并没有得到有效的控制，分析原因主要有：① 由于运行环境的原因造成叶片未达到大修周期，过早出现疲劳裂纹而断裂，这就要求必须进行内窥镜检测，但对于有些裂纹内窥镜检测也无法发现。② 运行中出现了疲劳裂纹，在大修时未被及时发现，造成漏检，从而导致叶片断裂。③其它意外原因造成叶片断裂，这种情况无法避免。

3 叶片修理与无损检测

出现此类损伤只是表象的反映，技术落实（检查的部位、方法、记录的方式等等）只是反映表象或者说是把表象更形象具体展示出来，进而用标准对其进行评价。而内在的更深层次的是管理，即发动机热部件修理与内窥镜检测相互间那种隐性的关联。

发动机热部件损伤的原因是多方面的，当分析评价后发现，这些原因绝大多数是无法解决的，变量和影响参数太多。因此要发现并抓住可以解决的问题来探讨才有实际的意义。

叶片的质量问题或者更进一步说是叶片大修后的质量问题。当把叶片修理所牵扯到的修理工艺都定格后，发现叶片的修理质量问题集中的反映在叶片的损伤检测包括叶片修理前后的无损检测上（因为在裂纹的形成初期，或者说在叶片的疲劳源形成的过程中，无损检测是很难检测到的）。这是修理叶片过程中漏检几率最大的地方。

发动机修理工艺流程如图9所示。

图9 发动机部件修理流程示意图

叶片的修理（包括高压涡轮、中压涡轮、低压涡轮的导向器叶片和转子叶片）在分解清洗后检查，检查一般分为目视检查和无损检测。检查后的叶片分类：报废件、可修理件（对那些可通过修理手段得以恢复的损伤）、可修复件（未发现损伤，只需要通过表面处理恢复其功能的叶片）。修理后的叶片经无损检测后与修复后的叶片一起进行表面处理，最后送库房验收保管，经装配、试车并最终提交给用户。

以CFM56－7高压涡轮叶片为例：该叶片在进行大修时，需要进行：① 喷水试验：以便检查冷却孔是否有堵塞情况。② 叶身进行目视检验：以便检查带涂层的叶深是否有裂纹存在。③ 叶根部位：进行荧光检验及涡流检验，以便检查是否有疲劳裂纹。并且，在进行荧光检验前，叶根部位要进行局部腐蚀，以便使疲劳裂纹充分暴露。④ 修理后的叶片需要进行荧光检验，以保证其符合验收标准。

在使用的叶片中，新叶片与修复后的叶片、修理后的叶片之间其材料属性必定有差异（叶片本身就存在疲劳现象），这些叶片在同等使用条件下的损伤几率和速率是不一样的。

4 叶片修理与内窥镜检测

在发动机单元体的修理过程中，新叶片与修复后叶片、修理后叶片混装是直接或间接地导致发动机在使用过程中其内部损伤发展不均衡的重要原因，这就如同一位60岁的健康老人与一位20岁的健康青年在同一条件下摔倒，其同一部位的损伤必然是老人要重，恢复的周期也要更长。

笔者了解到，在中国虽有多家发动机修理厂家，但由于多方面的原因，其热部件的修理都是外包的。在试车中会发现大修后的叶片就有损伤出现（这些损伤叶片主要出现在修理和修复过的那些叶片上，或者说形成在那些疲劳过度的叶片上），而那些损伤又都在大修标准合理的范围内。所以采用内窥镜检测和监控新发动机，相对比检测和监控大修后的发动机，要容易把握。经常遇到大修后的发动机没有用数个小时就发现这样或那样的损伤，这其中的原因与不可见损伤在大修过程中的不可检出性有一定的关系（漏检和误判），与叶片在修理过程中的焊接、机械加工、热处理、表面处理等等有一定的关系。内窥镜检测人员要把握各种影响因素与叶片的关联，正确判断叶片的损伤形态和发展速率是相当的困难。所以说叶片的断裂如果是材料及加工工艺方面的问题，或者是修理厂家的问题，其损伤形态的变化具有很大的不确定性，内窥镜很难有效地监控，因此叶片断裂造成的事故依然还会发生。制造厂家或修理厂家必须尽可能地消除损伤的隐患。

而从内窥镜检测技术方面来讲，对于经过多次修理后的发动机，在内窥镜检测中常常无法判定叶片的损伤存在于哪种类型的叶片中（新的、修复或修理的），无法判定是哪种类型的叶片最终导致发动机重大故障的发生，也不能排除叶片在大修中出现漏检的可能性，所以应该找到一种可控的方法或方式，来尽可能地消除叶片损伤带来的隐患。为了做到这一点，笔者建议给修理和修复过的叶片做明显的标记，以方便内窥镜检测人员把握和判别叶片的类别（即新的、修理的、修复的），这有以下好处：① 明确内窥镜检测范围，控制叶片损伤的发展速率。② 确定或者判明哪些修理和修复后表现出的叶片损伤是叶片修理前已产生却在修理时未检出而造成发动机故障的。③确定或者是判明修理和修复后的叶片损伤是造成重大故障的主要来源，并且通过详细的记录指出大修质量存在问题的可能性。④ 从另一个角度讲，这种方式的采纳可以观察和监控发动机热部件大修的质量，以便引起发动机修理厂家的足够重视。

一般来讲，发动机在大修时对于不可修理件直接报废；对于可修理件，按照修理规范修理，检验合格后装回原发动机；对于可恢复件，在清洗、检验合格后装回原发动机。从理论上讲，每一台发动机的高压涡轮叶片安装时都有一个起始位置，从该位置算起顺时针转动，即可知道某一叶片所在的位置。虽然在大修后的发动机档案中记载了更换的热部件，记录了修理件和修复件的修理深度，可这并不方便内窥镜检测人员在现场工作中的确认。涡轮叶片作为寿命件，在新出厂或修理后出厂的叶片上，服役周期是一样的，但在使用过程中，会出现一些意外情况，例如：叶片的冷却孔在运行中被堵而出现叶片被烧熔现象。尤其在大修后的叶片与新装上的叶片性能有很大差异。尽管叶片有自己的编号，但内窥镜人员无法知道每一个叶片的具体情况，因此笔者认为在叶片上做不同的标记可方便内窥镜检测人员在工作中的确认，以便于做定向的针对性检测。这是一个简便易行的方法，在大修后的发动机内窥镜监控中显得尤为重要。

笔者希望立一个课题，来探讨无损检测、发动机热部件修理、内窥镜检查之间某种潜在的因果关系。如果在发动机大修时提出这个课题，观察和记录分析发动机热部件修理对其使用时限的影响，就有可能对修理后的质量监控来判断；分析更新件、修理件、修复件在一定运行时间下部件材质损伤的变化以及其对发动机整体结构与寿命的影响。相信一定会有一个结果，或者还会得到一个求证，正是那些修复、修理的部件是造成发动机重大故障时有发生的潜在因素。那些修复、修理的部件是造成二次损伤超标的主体，这对于发动机维修成本的控制是有益的。

5 结语

主要讨论了内窥镜检测技术与民用航空发动机热部件大修中无损检测间的隐形的相互关系。在现代工业设备的维护中，内窥镜涡流、内窥镜荧光、内窥镜超声、内窥镜维修已在实际中得到了应用。随着科技的进步与发展，相信内窥镜检测技术与无损检测技术相互的结合会在近几年中更广泛地应用于实际检测工程中。