PW1100发动机低压涡轮三级叶片断裂技术分析

王锦申 夏奥汉

引言

普惠公司研发的PW1100型号发动机于2016年投入使用，装备于空客A320neo系列飞机。作为全新一代发动机，PW1100采用了许多全新的设计，如齿轮驱动涡轮风扇技术（GTF）、悬浮式碳封严技术、12：1的超高涵道比等等。与传统发动机相比，PW1100发动机在燃油经济性、噪声控制以及有害气体排放控制等方面有着巨大提升。截至2020年，全球已交付600余架搭载PW1100发动机的A320neo系列飞机。

然而经过一段时间的运行，全新的发动机设计所带来的新问题逐渐凸显，3号轴承碳封严磨损、燃烧室烧蚀、N2瞬时高振动等问题层出不穷。PW1100发动机的低压涡轮单元体是其众多创新设计中的一个，设计之初，普惠公司使用了高温钛合金材料的低压涡轮（LPT）3级叶片，取代了传统发动机的镍基合金涡轮叶片，并且将低压涡轮减少到只有3级，这样的设计极大地减轻了发动机自身重量，提高了燃油经济性。但这样的创新设计为之后发生的LPT3级叶片频繁断裂埋下了伏笔。根据2020年普惠公司披露的数据显示，2017年至今全球共发生59起LPT3级叶片断裂事件，其中造成18起发动机“空停”事件，单一故障空停率为30.5%。LPT3级叶片断裂已然成为影响PW1100发动机运行安全的首要因素。

故障分析

普惠公司对于LPT3级叶片断裂事件的调查始于2017年，国内的很多航空公司也积极参与到事件调查之中，最初的调查发现造成LPT3级叶片断裂的直接原因是异物打伤，即发动机气流通道上游的部件脱落，如燃烧室衬板、铆钉、封严材料等可能打伤下游的LPT叶片，从而导致LPT3级叶片断裂。直至2019年LPT3级叶片断裂事件发生频率急剧增加，普惠公司也加大了调查力度，加快了调查进度。2019年10月下旬普惠公司披露的调查结果显示，LPT3级叶片断裂的众多可能原因中，涡轮中介机匣（TIC）后外封严环（简称“TIC封严”）断裂，导致掉落的封严材料打伤LPT3级叶片的占比较高，成为LPT3级叶片断裂的主要成因。

针对这一调查结果，国内某航空公司立即进行了整个机队范围内的TIC封严的孔探检查，并向普惠公司提供了大量的孔探数据支持，在积累了一定的孔探数据之后，2020年1月普惠公司发布通告，告知全球PW1100客户全面检查TIC封严状态。孔探数据表明，PW1100发动机TIC封严的磨损是普遍存在的，而非个案，这主要是源于TIC封严的设计所致。TIC封严位于涡轮中介机匣后部、低压涡轮单元体的前端，与LPT1级叶片相邻。封严环为带状结构，装配时，带状封严两端搭接在一起，形成一个圆环形封严。搭接部分轴向尺寸约为整体尺寸的二分之一。从发动机设计的角度来说，TIC封严环为静止部件，不会随发动机的运转而发生位移。但是封严环与其保持架的受热膨胀系数不同，且封严环并没有周向定位装置，在实际发动机运转过程中，封严环受到来自压气机的高压气流以及发动机振动的共同作用，导致封严环与周围的保持架产生了相对位移，进而产生了封严环轴向和径向的磨损。

其次，在孔探检查过程中发现TIC封严的失效形式为渐变磨损，而非突然失效。随着发动机使用时间的增加，磨损速率不断加快，TIC封严搭接部分的尺寸逐渐缩小，最终造成封严环在搭接处断裂。

除此之外，在对LPT3级叶片断裂的发动机的孔探检查过程中还发现，在LPT3级叶片断裂的同时，有些发动机的LPT1级和LPT2级叶片也有不同程度的损傷，但损伤程度远远低于LPT3级叶片，并未造成叶片的断裂。这样的孔探结果与前面提到的PW1100发动机LPT3级叶片采用了高温钛合金材料有着密不可分的关系。PW1100发动机的LPT1级叶片和LPT2级叶片使用了在高温下具有较高强度与较强抗氧化腐蚀能力的镍基合金材料；与镍基合金材料相比，钛合金材料重量更轻，但在高温下抗冲击性差，容易断裂。普惠最终的调查结论也印证了这一分析，即异物打伤为直接原因，而采用钛合金材料的LPT3级叶片设计为叶片断裂的根本原因。

解决方案

随着LPT3级叶片断裂事件的不断增多、研究的不断深入，普惠公司意识到钛合金LPT3级叶片的设计可能存在问题，在2019年5月发布了LPT3级叶片改装的服务通告——将部分进场修理发动机的钛合金LPT3级叶片更换为新构型的镍基合金叶片。然而在翼发动机的运行状态仍不容乐观，针对LPT3级叶片断裂给飞行安全带来的极大隐患，美国联邦航空局（FAA）、欧洲航空安全局（EASA）、中国民用航空局（CAAC）先后在2019年底至2020年初颁布适航指令，要求限期更换LPT3级叶片为新构型的镍基合金叶片；对于未完成改装的在翼发动机，要求同一架飞机不允许同时挂载两台装有钛合金LPT3级叶片的PW1100发动机、对于TIC封严环执行重复性的发动机孔探检查。一系列适航指令的颁布也意味着PW1100发动机LPT3级叶片的创新设计彻底宣告失败。

具体措施

据不完全统计，全球PW1100机队有近1000台发动机需要做LPT3级叶片的改装，改装工作需要在发动机进场修理时，将发动机分解后完成，一般来说正常的发动机修理周期为45天左右。所以这样庞大的改装数量，对普惠公司和各家航空公司来说都是巨大的挑战。一方面需要执行LPT3级叶片改装的发动机会占用大量的修理厂工位，打乱了普惠公司原有的发动机交付计划；另一方面，45天的平均修理周期会让航空公司的机队运行捉襟见肘。为解决这一难题，普惠再次做出大胆尝试，首次将发动机“快速修理”（ Quick turn）应用到PW1100发动机的修理上，简单来说即只分解低压涡轮单元体，完成LPT3级叶片的更换。这样的修理方案将发动机的修理周期由原来的45天缩减到14天。修理周期的大幅缩减，加快了LPT3级叶片的改装进度，缓解了航空公司的运行压力。

尽管如此，各家航空公司对于在翼发动机的状态监控仍然不敢掉以轻心，尤其对于TIC封严的孔探检查项目。数据显示，自2019年底各家航空公司开始执行TIC封严孔探检查，TIC封严磨损导致换发的数量大幅增加，LPT3级叶片断裂事件数量随之明显减少。2020年2月至今，无LPT3级叶片断裂事件的发生。TIC封严磨损的提前发现有效遏制了LPT3级叶片断裂事件的发生，降低了发动机的运行风险，使得飞行安全得到有效的保障。

结束语

LPT3级叶片断裂事件能够被有效遏制，要归功于全球各地区民航管理局的正确领导和判断，归功于普惠公司对于事件的深入研究和果断决策，归功于航空公司提供的大量数据支持。这种通力合作对于PW1100发动机的良性发展是必不可少的。虽然就目前来说，PW1100发动机仍存在诸多由于技术创新而带来的问题，但从长远来说，笔者相信经过各方不懈地努力，这些问题终将被逐个击破，PW1100发动机先进的设计理念会在不久的将来体现其真正的价值。

作者简介

王锦申，南航机务工程部副总经理，主要从事机务工程技术管理工作。

夏奥汉，资深工程师，主要从事航空发动机工程技术管理工作。