GEnx-2B 发动机空气信号管路断裂问题浅析

■ 杨杰/北京飞机维修工程有限公司

1 GEnx-2B 发动机空气信号管路断裂事件统计

经统计世界机队GEnx-2B 发动机运行可靠性数据，历史上GEnx-2B 发动机机队共发生9 起空气信号管路断裂事件，其中5 起为P3B 管路断裂，3 起为PI 管路断裂，1 起为PS3 管路断裂。空气信号管路断裂的案例照片如图1 所示。

图1 发动机信号管路断裂案例

2 GEnx-2B 发动机空气信号管路构型和功能介绍

2.1 GEnx-2B 发动机空气信号管路构型

GEnx-2B 发动机出现断裂问题的空气信号管路是PS3、P3B 和PI，三根信号管路之间和钢制卡子焊接连在一起并通过8 个支架安装在发动机上，如图2所示。

图2 发动机PS3、P3B和PI空气信号管路、卡子和支架位置

2.2 PS3、P3B 和PI 信号管路的功能

PS3 信号管路探测高压压气机出口的静压，将压力信号提供给EEC，该信号是发动机推力控制和燃油控制的主要参数之一。

P3B 信号管路探测由飞机引气流量传感器（BBFS）测量的发动机高压压气机（HPC）10 级出口的飞机引气压力，BBFS 将P3B 压力信号提供给发动机的EEC，EEC 使用PS3 和P3B 来计算飞机的引气流量。当飞机引气时，EEC 会增加发动机计划燃油以保持发动机的加速能力。

PI 信号管路探测发动机引气（4 级和10 级）混合后的压力，直接将信号发送给飞机系统，用于调节飞机客舱引气。

3 GEnx-2B 发动机空气信号管路断裂对运行的影响

世界机队出现的9 起发动机空气信号管断裂事件均对飞机的正常运行产生了较大影响。其中，P3B 信号管路和PI信号管路断裂的8 起事件导致了飞机非计划换发、外站换发和飞机AOG 等情况，1 起PS3 信号管路断裂直接导致飞机发动机空中停车事件。

P3B 信号管路断裂将造成EEC 无法准确获取高压压气机10 级出口的引气压力和用于计算飞机引气的空气流量，从而无法制定准确的燃油计划。P3B 信号管路断裂后，飞机系统将触发发动机控制信息，该信息为不能放行类故障，需要在飞机放行前予以排除，即需要更换发动机或更换信号管路。

PI 信号管路断裂将造成发动机引气（4 级和10 级）混合后的压力无法正确传输给飞机系统，导致飞机引气系统无法正常工作。

PS3 信号管路断裂对飞机发动机运行使用的影响将在本文第4 节进行分析说明。

4 GEnx-2B 发动机空气信号管路断裂问题的原因分析

PS3、P3B 和PI 三根信号管路是与钢制卡子焊接连在一起，为焊接一体式设计，经分析，三根信号管路断裂损伤的失效模式相同。下文以PS3 信号管路断裂导致飞机发动机空中停车事件为例分析说明空气信号管路断裂的根本原因。

4.1 PS3 信号管路断裂事件

2020 年8 月，世界机队一架波音747-8 飞机在下降过程中发动机出现非指令停车，飞机成功降落。地面检查发现PS3 信号管路断裂（见图3）。航班机组反馈在发动机自动停车前飞机发动机各项指示参数正常。经调查，PS3 信号管路断裂是此次发动机空停的主要原因。

图3 世界机队PS3信号管路断裂案例

4.2 发动机空中停车原因分析

GEnx-2B 发动机PS3 信号参数是指HPC 出口的静压，PS3 信号管路将HPC出口的静压信号提供给EEC，用于参与发动机控制。PS3 压力是发动机燃油计划、推力控制和发动机喘振监控的主要参数。

由于GEnx-2B 发动机初始设计时并未像某些机型一样对PS3 压力信号缺失的情况设置备份模式的PS3 信号模拟值，因此，当PS3 信号管路发生断裂后，信号管路探测的PS3 压力值会从高压压气机出口的静压快速下降至外界环境大气压力，而外界环境大气压力远远低于可维持发动机慢车稳态工作的PS3压力。当发动机的EEC 监控到PS3 压力出现不明原因的快速下降时，会随之减少燃油供给，燃油供给减少导致发动机N2 转速持续下降，最终无法维持慢车转速，发动机停车熄火（见图4）。因此，发动机运行过程中PS3 信号管路断裂将导致发动机停车熄火。

图4 发动机数据译码

4.3 发动机PS3 信号管路断裂原因分析

通过对断裂的PS3 信号管路的断口进行分析，确定信号管路断裂的原因为高周疲劳断裂，疲劳裂纹起始于信号管路和支架焊接区域（见图5）。

图5 高周疲劳裂纹初始形成位置

高振疲劳裂纹形成的主要原因为PS3、P3B 和PI 三根信号管路和卡子为焊接一体式设计，信号管路和卡子通过支架一起安装到发动机上。发动机运转过程中，信号管路在一定激振频率下会出现共振。因信号管路和卡子焊接相连，焊接区域出现高应力集中情况，因此，在热应力和振动应力的共同作用下，在高应力区形成高周疲劳裂纹，裂纹进一步发展，最终导致信号管路断裂。

因此，信号管路和卡子焊接一体式的设计方式是焊接区域形成高应力区的主要原因，高周疲劳裂纹是导致信号管路断裂的根本原因。PS3、P3B 和PI 三根信号管的断裂失效模式相同。

5 解决措施

5.1 OEM 厂家措施

针对信号管路和卡子焊接一体式的设计导致高应力集中的问题，发动机OEM 厂家GE 公司于2020 年发布了服务信函（SB），推出了新构型的信号管路和支架，三根信号管路各自使用单独的P 型夹子安装到支架上，从根本上解决了旧构型信号管路焊接区应力集中的问题（见图6）。

图6 新旧构型发动机信号管路构型对比

由于改装工序复杂，拆装的发动机部件较多且发动机需要拆发放置在地面才能充分接近以完成改装工作，GE 公司建议航空公司结合发动机车间修理时执行此项改装，更换新构型的管路和支架。但GE 公司SB 中的改装方案仅适用于不带有OBV 系统构型的GEnx-2B 发动机，而对带有OBV 系统构型的GEnx-2B 发动机的信号管路断裂暂无针对性的解决措施。

5.2 国航机队措施

虽然GE 公司发布了SB，但一直未能推出有效的监控方法对信号管路的高周疲劳裂纹和断裂问题进行预警，从而无法提早发现信号管路的裂纹并采取有效措施以避免信号管路断裂问题影响飞机正常运行。

同时，由于高周疲劳裂纹的特点是从裂纹形成、扩展到管路断裂的时间一般较短，在无法进行有效监控预警的前提下，如果按照GE 公司的建议，待发动机进行车间修理时再执行改装，更换为新构型的信号管路和卡子，将无法确保在翼发动机运行的可靠性和安全性。

国航GEnx-2B 发动机机队共有33台发动机受该问题影响，其中带OBV系统构型的发动机7 台，不带OBV 系统构型的发动机26 台。

经过评估，国航颁发工程文件，对国航机队发动机信号管路断裂问题采取了如下控制措施：

1）针对机队所有受影响的发动机，以A 检为间隔，对全部8 个支架上的信号管路和卡子焊接区域进行全面详细的检查；

2）对于机队不带有OBV 系统构型的发动机，主动执行改装工作。在发动机修理厂的发动机由修理厂执行改装工作，在翼的发动机由航线部门执行改装工作；

3）对于机队带有OBV 系统构型的发动机，主动将发动机送修，去除OBV系统后再执行SB 中的改装工作。

截至2022 年4 月，国航GEnx-2B发动机机队不带OBV 构型的26 台发动机已全部完成改装工作，带OBV 构型的7 台发动机中的4 台通过主动送修去除OBV 系统后也完成了改装，剩余3台发动机计划将在2023 年全部完成改装。

6 总结

1）GEnx-2B 发动机世界机队出现的9 起发动机信号管路断裂事件均对飞机发动机的正常运行产生了影响，其中1 起PS3 信号管路断裂事件直接导致发动机空中停车。

2）GEnx-2B 发动机信号管路断裂的根本原因是信号管路和卡子焊接一体式设计造成焊接区域出现高应力集中，在热应力和振动应力的共同作用下，在高应力区形成高周疲劳裂纹，疲劳裂纹进一步发展最终导致信号管路断裂。

3）在无法对高周疲劳裂纹问题建立有效监控模型及时预警的情况下，为了快速有效地解决信号管路断裂问题，避免信号管路断裂事件影响飞机发动机的正常运行，国航机队采取主动执行改装的方式，从根本上解决问题。国航在主动执行改装期间，就改装中遇到的技术问题与GE 公司深入探讨，推动GE公司完成工程文件和手册内容的勘误与修订，为后续执行改装工作的航空公司积累了宝贵的经验。