民航發動機性能預測和視情維修決策研究

傅岳華

摘要：航空發動機作為整個飛機的核心，發動機發生故障，將會造成重大的安全事故，產生災難性的后果。因此，重視發動機的運行質量，采用多種切實、有效的性能預測與維修手段，確保發動機的安全運行，便也成為航空公司目前所面臨的重點。文章便以民航空客A320系列飛機所安裝的CFM56-5B系統發動機為例，首先闡述民航發動機基本構成及原理，然后探討先進性的發動機性能預測手段與視情維修決策，以期能為促進發動機的安全運行，降低維修成本起到積極的意義。

關鍵詞：民航發動機；空客CFM56-5B；性能預測；視情維修

視情維修這一概念源自美國，其主要是指立足于故障機理的分析，根據不解體測試的結果，一旦維修對象發生“潛在故障”，便對其進行更換、調整與維修，以此來規避“功能故障”發生的一種維修手段。視情維修結合性能預測手段，在民航發動機維修中的應用十分廣泛。該維修方式的優勢在于通過完善與加強監測監控手段，掌握設備發動機設備的工作狀態，及時發現問題并解決問題，使一些故障在發生之前得到預防控制，使嚴重故障在有輕微故障苗頭時得到控制與排除，從而有效降低發動機故障的發生率，節約發動機維修成本。

一、空客CFM56-5B系列發動機

民航空客A320系列飛機所安裝的CFM56-5B系列發動機是由CFM國際公司所生產，屬于渦輪風扇發動機（空客CFM56-5B系列發動機平面示意圖如下所示）。⑴主要特征參數。CFM56-5B系列發動機的主要特征參數為：尺寸：2.94m（長）×2.14m（高）×1.97m（寬）；轉動方向：順時針（ALF前向看過去）；布局方式：雙轉子軸流發動機；渦輪：1級高壓渦輪，4級低壓渦輪；燃燒室：環形燃燒室；壓氣機：1級風扇，4級增壓級，9級高壓壓氣機。⑵工作原理。由風扇進入發動機的空氣被分為兩部分，一部分主氣流經由低壓壓氣機進入高壓壓氣機，在燃燒室內與空氣混合后燃燒，高壓與高溫的燃氣通過高、低壓渦輪來做功；另一部分空氣通過外涵，經過風扇葉片與外部導向葉片排入大氣，這部分空氣為發動機提供了約80%左右的推力。⑶系統組成。CFM56-5B系列發動機系統組成如下：①模塊化設計：采用模塊化設計，共有4個主要模塊，其中又包含17個子模塊；②轉子系統：包含高壓與低壓兩套轉子系統，共計5個軸承；③風扇部件：共有36片鈦合金的mid-span shrouded 葉片；④燃燒室：短環形燃燒室，火焰筒頭部共有20個高壓空氣霧化噴嘴；⑤壓氣機：高壓壓氣機為9級軸流式，所有轉子葉片可單獨進行更換，各極均設有孔探儀檢查口，低壓壓氣機為3級軸流式；⑥控制系統：控制系統采用帶補充模擬電子輸入的伍德沃德機械液壓式燃油控制器；⑦起動系統：空氣起動機安裝在傳動齒輪機匣上；⑧渦輪：高壓渦輪為單級軸流式，低壓渦輪為4級軸流式[1-2]。

二、民航發動機性能預測方式

民航發動機性能預測通常采用排氣溫度裕度EGTM來與外界大氣溫度限制值OATL與衡量，具體如下計算方法：

⑴計算實際風扇轉速。為能正確評估EGT裕度，先要知道實際的風扇轉速，而風扇轉速配平裝置通過調節指示換算風扇轉速來修正，所以在實際風扇轉速計算前先要計算換算指示風扇轉速。

溫度比

指示換算風扇轉速

同時，還要考慮不同轉速下指數要改變，因此，得出指示換算風扇轉速，再考慮到發動機N1配平級的影響，實際控制換算風扇轉速

⑵計算換算EGT裕度。換算EGT裕度，而 為換算排氣溫度，，EGT裕度是指全功率時與取證限制的差值，因此還需充分考慮到NI配平級、引氣、額定推力的影響。

⑶計算熱天EGT裕度。對不同推力的發動機進行修正，計算熱天EGT裕度，同時，EGT峰值還會受到高度的影響，因此還應該根據機場的標高，對發動機EGT裕度進行修正：

⑷計算海平面外界大氣溫度限制值SLOATL。國內很多民航公司是利用外界大氣溫度限制OATL來監控機隊，因此，也可將EGT裕度轉換為OATL。若CFM56-5B系列發動機的EGT裕度屬于正值，那么SLOATL就應該大于拐點溫度，SLOATL與EGT裕度的轉換關系為：。為能保證在其他高度下發動機EGT裕度足夠，SLOATL必須要與等效海平面OATL比較，若其大于等效OATL，則表示該發動機在該機場有EGT裕度。

上述性能預測方法計算出來的EGTM與SLOATL十分準確，可以作為發動機換發的依據，但在換發同時，還需充分考慮到維護手冊、硬件檢查、巡航趨勢等方面的要求。此外，根據國內外航空公司的經驗，若是在孔探檢查高壓渦輪還在能夠修理范圍內時，允許在超溫5～6次再下發送修，促進發動機性能恢復，以此來有效降低單位有效飛行小時的發動機使用成本[2]。

三、民航發動機視情維修決策

（一）發動機維修策略分析

第一，確定發動機各部件是否需要維修或更換。對監控項目設定至少兩個狀態閾值L與M，L屬于故障閾值，M屬于預防性維修閾值。L屬于飛機的持續適航條件，一旦發現狀態值超過L，必須及時進行維修或更換。M值是不可強制執行的，多是由制造商給出建議，民航根據實際使用情況進行調整。完成本次維修工作決策后，便需確定下次檢查時間。第二，確定檢查間隔期。民航發動機的基本維修策略是基于狀態的視情維修，根據當前檢查時刻 和下次檢查間隔期 ，確定下次檢查時間 [4]。

（二）維修策略的單位時間費用率模型

民航發動機的維修工作包括檢查、預防性維修以及故障后修復性維修，確定的目標函數是發動機部件壽命周期內的期望維修費用率最低。假設，在時間間隔 內，修復性維修次數為 ，預防性縱次數為 ，檢查次數為 ，則 時間內維修費用總支出為： [5]。

確定上述各參數之后，便可計算出壽命周期內維修費用率的期望值：

上式， 代表嵌入馬爾可夫鏈的不變測度，通過上式，便可在單半再生周期內求出期望的維修費用率。

（三）維修優化策略的求解方法

民航發動機維修優化的最終目標是壽命周期內維修費用率最低，決策變量是預防性維修變量M和函數g（·）的參數，g（·）是為確定基于狀態的檢查間隔期，結合式1，便可得如下優化方程：

根據上式，在約束范圍內尋優，便可得到優化的決策變量偶序

（四）應用分析

就以空客CFM56-5B系列發動機為例，發動機葉片根據結構可分為葉尖、前緣、后緣、區域。根據維修手岫，明確檢查閾值和檢查周期、檢查費用，然后結合民航公司提供的數據信息，確定參數，便可得到發動機單部件劣化增量服從的分布函數和概率密度函數，然后代入相應的方程式，得到初次優化后的值。最后根據每次檢查得到的裂紋長度，決定葉片新的檢查間隔期，或是決定對葉片進行修理后使用，還是下發更換新葉片。

綜上所述，性能預測與視情維修具有簡明、實用、有效等優勢，為民航發動機保護維修提供了科學的指導作用，值得推廣應用。

參考文獻：

[1]付旭云，等.基于性能狀態的民航發動機送修目標確定方法[J].計算機集成制造系統，2013，19（12）：120-121.

[2]白杰，張聞東，王偉.CFM56-5B型發動機風扇葉片鳥撞有限元仿真[J].航空科學技術，2014，8（8）：48-53.

[3]趙飛.民航發動機預知維修決策研究[D]，載運工具運用工程·南京航空航天大學，2011.

[4]楊坤，等.民用發動機維修數據決策支持系統設計與實現[J].航空維修與工程，2013，2（2）：61-63.

[5]陳橋文.基于狀態監控技術的民航發動機維修與管理[J].中國科技信息，2013，13（13）：118.