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上一版3  4下一版 2018年4月25日 星期 放大 缩小 默认
美国西南航空737飞机CFM56-7B发动机失效源于叶片金属疲劳
FAA适航指令:相关发动机须紧急检测
□ 昌中宏

图为破损舷窗。

图为NTSB现场小组检查受损发动机。

图为飞机刚刚降落费城机场的情景。

当地时间4月17日, 美国西南航空一架波音737-7H4(WL)飞机在巡航阶段左侧发动机失效,导致进气道和部分整流罩脱落。发动机内飞出碎片甚至击碎舷窗,造成1名乘客遇难。美国国家运输安全委员会(NTSB)的初步调查报告指出,发动机的13号风扇叶片由于金属疲劳,自发动机轴心分离,使得发动机一片叶片脱离,这是导致发动机故障的原因。

近些年来,民航界发动机非包容性失效事故发生率在逐年递减,然而随着飞机航班次数的增加,每年发生非包容性事故的次数仍然在上升。

1 事件回放

女性旅客几乎被吸出舷窗外

据多家媒体报道,当地时间4月17日,美国西南航空一架波音737-7H4(WL)飞机(注册号:N772SW)在巡航阶段发生发动机失效事故。机上共148人,其中机组5人,旅客143人。事故导致1名旅客遇难,飞机损坏。

事故飞机航班号为WN1380,执行从美国纽约拉瓜迪亚机场到达拉斯拉夫菲尔德机场的国内定期客运航班。飞机于当地时间9时43分从拉瓜迪亚机场起飞。大约起飞后20分钟,当飞机爬升至32500英尺时,左侧发动机(CFM56-7B24)突然失效,导致进气道和部分整流罩脱落。驾驶舱里多个告警响起,机组佩戴氧气面罩,并报告空管1号发动机失火,目前单发运行,需要立即下降高度。

机长驾驶飞机前往就近的费城国际机场。飞机在短五边上时,塔台通知机场应急部门飞机左侧机体损伤。飞机于10时19分降落在27L跑道,脱离跑道后停在相邻滑行道上,机组告知机场应急救援人员飞机一侧破损,客舱内有受伤人员。机场消防向左发喷洒泡沫,旅客通过客梯下机,1名旅客送医不治,另有7名旅客受轻伤在机场接受治疗。

据机上旅客回忆,事发时飞机左翼发出一声巨响,继而一扇舷窗被击破,客舱内急速失压。窗口附近的一名女性旅客几乎被气流吸出机舱,“几名勇敢的男士把她从窗口拉了回来”。但最终这名女性旅客被确认死亡。

2 民航当局

这种不安全状况可能存在于其他产品

针对这起事故,美国国家运输安全委员会(NTSB)已派出现场小组开启调查。

NTSB主席罗伯特·桑沃特的新闻发布会上表示,调查组于事发当日16时30分到达现场,此次赴现场小组包括动力装置、适航、生存因素和运行专业的调查员。目前现场勘查到的事实信息是,发动机的 13号叶片在与轮毂连接处断裂遗失,13号叶片脱落位置有金属疲劳痕迹,相关图片已传至NTSB实验室做进一步判断。部分飞机发动机整流罩脱落部件在费城机场西北70英里处被发现。飞机的FDR和CVR已被运回NTSB华盛顿总部实验室进行下载和译码,记录器小组目前在准备正式的CVR报告。

美西南航空将立刻对机队发动机进行包括超声检查在内的高级检查。

此次事故飞机装有两台CFM56-7B24发动机,机龄17年零10个月。这是美西南航空737飞机两年内发生的第二起类似事故。2016年8月27日,西南航空波音737-700飞机(N766SW)执行美国新奥尔良到奥兰多的国内航班任务时,飞机在巡航阶段爬升穿越FL310过程中同样型号的发动机左发失效,碎片击穿机身,造成客舱失压。机组安全备降美国彭萨克拉机场,无人员伤亡,飞机损坏。

北京时间4月21日,美国联邦航空局(FAA)发布了关于CFM56-7B发动机的紧急适航指令(EAD)2018-09-51。紧急适航指令要求在20天以内对所有飞行循环为30000或以上的CFM56-7B发动机的全部24个风扇叶片燕尾凹凸面进行超声波检测,检测是否存在裂纹。如果发现任何不可用的风扇叶片,则应在下次飞行前被更换。

此前,FAA于2018年4月20日发布针对S/B 72-1033的服务通告(SB),针对飞行循环为30000以下的CFM56-7B发动机提供了处理方案。

服务通告(SB)和紧急适航指令(EAD)区别在于,SB要求报告检查结果,EAD不需要报告。

据估计,在全球范围内有681台受影响的发动机,其中美国有352台。据悉,此次发生事故的发动机已经运转了大约4万个起降周期。

3 案 例

事故发生概率大为降低但频率在上升

据公开资料记载,仅1976年到1983年期间,世界民用航空业界发生315次发动机非包容性失效事故,断裂的碎片造成飞机严重损坏,给航空公司造成经济上的巨大损失。1981年美国东方航空公司一架“三星”式宽体客机,在飞行中竟然出现了三次风扇叶片断裂的事故,最严重的一次是风扇碎片甩入“S”型进气道,并打断了3根液压管路,同时还有一些碎片击穿了飞机增压座舱,造成了飞机机体的较大损伤。1987年5月,波兰民航发生一次183人死亡的重大空难,经事故调查组调查,发现发动机发生非包容性失效事故,转子碎片将飞机机身击坏导致灾难的发生。1988年5月,一架图-154飞机从广州起飞,在爬升到 9800 英尺时飞机发动机发生非包容性失效事故,经事故调查组调查发现发动机第四级涡轮发生断裂,断裂的碎片瞬间击穿发动机的涡轮机匣并将飞机机身打成一个环形的缺口。1989年7月19日,美联航一架DC-10客机因二号发动机扇叶片脱落损坏了机上所有液压系统,导致飞机无法正常控制,在依阿华州苏城紧急降落时发生翻覆,285名乘客中有111人死亡。1996年,美国达美航空一架MD-88飞机的发动机由普惠公司制造的JT8D-219发动机出现发动机发生非包容性失效,叶片击穿客舱造成2人死亡。

近年来,有关事故的发生概率大为降低,但随着飞机航班班次的增加,事故发生的频率仍在上升。

2006 年 6 月,美国航空公司的一架 波音767 飞机在地面停机坪发生非包容性事故,飞出的碎片击中机身油管并且引起飞机发生火灾,事故没有造成人员伤害,但飞机机身损坏严重。2010年11月4日,澳航的空客A380从新加坡起飞不久后一侧由罗罗Trent 900发动机发生发动机非包容性失效故障,碎片击穿飞机左翼,左翼中部燃料箱被击穿漏油。靠近尾部的燃料供应系统受损,部分刹车和近地扰流器失灵,两套液压系统中的一套严重受损,一台发电机及其相关系统停止工作,防滑制动系统失灵。客机急降新加坡樟宜国际机场,所幸机上459人无一受伤。

2017年6月12日东航MU736悉尼飞上海飞机发生非包容性转子失效风扇机匣没有把断裂的风扇叶片包容住,幸运的是没有对飞机造成进一步损伤,机组驾驶飞机安全返航悉尼。该航班机长为东航副总飞行师,机长和全体机组为飞机安全返航立下大功。

4 技 术

发动机非包容性失效会有多危险

随着科学技术的不断进步,飞机发动机的加工工艺和加工技术有了突飞猛进的发展。为了满足飞机发动机的推力和性能要求,飞机发动机的转速在不断提高。由于转速的不断提高,飞机发动机的转子零件发生意外断裂和脱落的概率就在不断的增加,断裂的转子碎片飞出时所带有的能量也在随之增大。飞机发动机转子断裂的碎片更容易击穿机匣(非包容转子爆破),飞出机匣的碎片将给飞机增压舱带来巨大的威胁。所谓的民航飞机发动机非包容性失效是指由于环境(鸟撞、腐蚀、外来物破坏)、制造和材料缺陷、机械、人为等因素(维修、检查、运行程序不当),导致发动机转子碎片从发动机甩出而可能对飞机造成危害的任何损坏。尽管涡轮发动机和APU制造商正竭力减小非包容性转子损坏的可能性,但是事实表明非包容性压气机和涡轮转子损坏仍然在不断发生。

飞机发动机由于是高速旋转,一旦非包容事故发生,非包容碎片将对飞机造成巨大的破坏。造成巨大破坏的碎片一般可分为两类:一类是碎片质量大、速度低,但此类碎片由于几何形状较大,所以具有较大的能量;另一类是小碎片、小轮盘碎片,此类碎片虽然质量小,但产生的数量比较多且速度大。民用航空器出现发动机非包容转子爆破时,碎片的击穿发动机机匣后会对飞机机身、机翼以及一些关键部件会产生危害,如:燃油泄漏、油箱内部件损伤、燃油失火和爆炸、燃油失火对飞机增压舱的损伤,推进系统的失效,飞控系统线路、液压、飞行参数传感器、舵面铰链失效或受损,人员受伤,机载电子失效,飞机结构失效等等。

飞机一旦发生非包容转子爆破事故,将对飞机带来重大的安全威胁,甚至会导致飞机不可控的安全事故。

5 安 全

各位旅客,飞行途中请全程系好安全带

飞机增压舱是受非包容转子爆破事故威胁最大的区域之一。飞出带有高能量的非包容转子碎片将会击穿增压舱,飞机增压舱会发生释压问题,这将会给飞行人员和飞机本身带来巨大的危险,同时也对飞机的安全飞行带来巨大的隐患。飞机增压舱破损后释压速率的分析是飞机前期设计的重要环节,也是实现飞机安全飞行的重要保证。非包容转子爆破事故发生后,碎片撞击增压座舱的概率极高。

从目前的技术水平看,模拟飞机在高空发生非包容转子爆破事故的试验很难实现,并且相关的数据也十分有限。涡轮发动机的损坏会导致高速碎片穿透邻近结构、燃油箱、机身、系统元器件和飞机上的其他发动机,对飞机以及机上人员的安全造成严重威胁。

航空管理部门在适航标准和咨询通告(AC)等法规文件中对发动机非包容性失效作出了具体明确的要求。中国民航局颁布的运输类飞机适航标准(CCAR25部)和美国联邦航空管理局发布的咨询通告 AC20-128A 和 AC25-20,对非包容转子爆破对增压舱结构防护、增压舱系统安全和增压舱释压的做出了严格的适航要求。

在飞机的设计过程中,对要防护的部件和系统,首先要对小碎片能够影响的区域要进行安全性分析,根据分析的结果进行相应的防护。AC20-128A 中对增压舱的要求:对于申请需要在 41000 英尺以上高空飞行的飞机,发动机应布置在增压舱不会受到非包容性碎片影响的位置。或者能够表明,由碎片造成最大洞口尺寸所造成的快速泄压率和相关舱的压力泄漏率能够满足紧急降落,其间不能让机组人员和乘客失去工作能力,机组人员启动紧急降落系统的反应时间为 17 秒。咨询通告 AC25-20 中要求:发动机转子爆破、发动机风扇失效爆裂、非包容发动机叶片失效等离散源对压力容器(增压座舱)的损伤,应通过分析证明对增压的影响。基于使用经验,应考虑发动机在巡航高度推力完全丧失下,飞机的释压相关情况。咨询通告 AC25-20 在释压后应急下降中指出:飞机增压客舱开始释压和飞机开始应急下降之间有一段机组人员的反应时间,该反应时间主要分为机组人员意识到释压时间和氧气面罩插管的时间。根据飞机机组人员在应急状态下的模拟时间的平均值为 17秒,这 17 秒时间代表了 75%的机组人员反应时间;而飞机在飞行元戴上面罩的 5 秒内开始应急下降。也就是说,飞机从释压起到飞机开始应急下降的时间需要 22 秒。

减少发动机非包容性转子损坏危害的部分设计防护措施,给出发动机转子非包容性损坏的风险分析方法,可以最大程度地减小非包容转子对飞机结构及系统的影响。从设计上考虑,在1989年7月19日的“苏城空难”中,由于发生故障的二号发动机是DC-10垂尾上的发动机,重达160kg的涡轮在飞行途中突然断裂,损坏了垂尾发动机罩,碎片同时破坏了尾翼的3套液压系统,导致飞机无法正常操纵,结果酿成悲剧。如果在飞机设计之初就考虑好关键系统的布置,悲剧也许可以避免。

对于普通旅客,在整个飞行过程中坐在座椅上都要系好安全带,以防止事故发生后,造成客舱失压时被吸出机舱。另外,旅客遇到事故时一定要听从机组的指挥。当然,从事故发生的概率来说,飞机依然是世界上最安全的交通工具。

(作者为中国商飞北京民用飞机技术研究中心总体论证研究部工程师)

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