基于大數據的RB211-535E4發動機飛行計劃研究

劉正強

摘要：RB211-535E4發動機LLP件的壽命受限于減推力水平，減推力直接影響到起飛和爬升階段各轉子的轉速。本文通過連續五年的大數據統計，結合飛行、機務及運控等專業知識，深度分析RB211-535E4發動機高轉速原因，提前采取預防措施，降低發動機轉速，使發動機運行在高壽命限制的飛行計劃里。

關鍵詞：發動機；壽命；飛行計劃

Keywords：engine；life limit；flight profile

0 引言

國內A航空公司自2017年1月1日起，波音757飛機RB211-535E4（下文簡稱RB211）發動機飛行計劃由Flight Profile ’G’（簡稱G計劃）變為Flight Profile ’A’（簡稱A計劃），按照飛行計劃變更后的發動機LLP控制清單計算，波音757全機隊接機狀態下的RB211發動機總共能夠延長使用12450循環。但連續五年監控機隊發動機數據發現，起飛和爬升階段各級轉子轉速呈上升趨勢，各參數統計結果接近A計劃轉速限制。國內另一家航空公司因波音757飛機RB211發動機監控指標超過A計劃限制而被動按照B計劃控制發動機壽命，發動機在翼時間大幅縮短，全機隊損失6000多個循環，造成該公司機隊運力受到嚴重影響，維修成本顯著增加。

本文的研究目的是在保障飛機安全運行的基礎上，通過各專業的共同努力，提前采取預防措施，降低發動機的轉速，使波音757飛機發動機運行在A計劃里，以延長發動機在翼時間，為運營人顯著節約維修成本，實現安全性和經濟性。需要注意的是，運營人可以不統計飛行計劃數據，直接運行在G計劃，且不論運行在A計劃還是G計劃，發動機轉速限制都在手冊允許范圍內，進行大數據統計分析是為了更加經濟運行。

1 發動機飛行計劃的定義和背景

1.1 定義

發動機飛行計劃（Flight Profile）是波音757飛機RB211發動機壽命件（Life Limited Parts）運行種類的簡稱，決定了發動機壽命件的使用限制。發動機廠家羅羅公司發布的TLM手冊中將RB211發動機LLP的壽命限制分為A計劃、B計劃和G計劃三類。

1.2 制定背景

RB211發動機使用EPR（發動機增壓比）作為推力的參考，油門桿前移時加大發動機燃油供給，使發動機各級轉子轉速增大，達到所需要的EPR。在實際運行大氣條件完全相同的情況下，使用的EPR越大，發動機的各級轉子轉速也越大。當發動機的轉速過高時，發動機的各LLP部件承受的熱應力和機械應力會大幅增加。為此，針對運行在不同轉速的發動機，廠家制定了不同的計劃，不同計劃下的LLP壽命極限相差甚遠。低轉速下的計劃可使發動機LLP有更高的壽命極限，延長發動機在翼使用壽命；在低轉速下運行還能夠減少發動機進廠修理次數，為航空公司節省巨大的發動機修理費用。在此背景下，羅羅公司推出了飛行計劃A、B和G，目的是在滿足安全運行需求的基礎上節約維修成本。

一臺RB211發動機有14個LLP和22片風扇葉片，A計劃下低壓壓氣機軸的壽命比G計劃多13020個循環，每片風扇葉片的壽命比G計劃多6980個循環。一臺性能狀態一般且剩余壽命不多的二手發動機的價格約4000萬元人民幣，昂貴的價格使得運營人不會輕易購買備發。一臺發動機平均大修費用為8000萬元人民幣左右（該費用大約以10%的速率逐年遞增），預計能在翼使用7000循環，發動機每個循環的價值約12000元人民幣。此外，RB211發動機送修周期較長，即使是在國內某大修廠修理，平均每臺發動機送修周期也達300天，經常造成飛機機身可用但無發動機可飛的局面。由于缺少足夠的備發，以及發動機修理周期長，飛機多次被迫停場，有的飛機甚至停場數百天，導致運營人運力極其不足，嚴重影響了航班運行保障。

因此，從發動機在翼時間長短、發動機大修費用、大修周期以及昂貴的備發儲備等方面綜合考慮，在缺少可用發動機且運營人維修成本壓力大、運力緊缺的情況下，可對大量的發動機飛行計劃數據進行統計，根據數據趨勢提前采取有效的預防措施，從而使RB211發動機運行在A計劃里。該方法行之有效，能最大限度延長發動機在翼時間，解決運營人的困難局面。

2 發動機飛行計劃的制定

根據運營人波音757飛機機隊規模，依據發動機廠家手冊規定，從一整年的所有航班中篩選出符合要求的航班，航班覆蓋運營人波音757全機隊、各運行季節、全部運行航線、白天/晚上起飛的情況。根據統計規則，對選中航班的QAR/WQAR飛行數據逐一譯碼整理，獲取飛機在起飛和En-Route（下文簡稱爬升）階段狀態下的雙發最大N1、N2、N3轉速，將數據的平均結果與手冊中各飛行計劃的轉速限制進行對比，選擇符合的飛行計劃類別，并將評估結果向當地民航安全監督管理局報備。

3 發動機高轉速問題

查詢波音公司的譯碼資料（波音757飛機ICD文件）發現，所有構型的波音757飛機飛行數據采集組件都未記錄推力方式選擇面板（TMSP）上的CLB參數，無法獲知機組在飛行中具體的爬升推力選擇模式，而采取航班落地后再詢問機組的方式繁瑣且不精準。

通過對大數據的反復研究，空中測試了多架飛機、多個航線，反推驗證得出以下關鍵結論：

● 全爬升時TLA=116；

● CLB1時TLA=113；

● CLB2時TLA=110；

利用該結論，可在不進行飛機駕駛艙線路改裝和機載ACMS軟件改裝的基礎上，僅通過現有QAR數據，實現發動機爬升推力使用數據分析，同時節約維修成本。

在分析發動機數據過程中，發現個別飛機起飛和爬升階段數據超過A計劃限制，且整個機隊的爬升階段各級轉子轉速呈上升趨勢，整體數據結果接近A計劃限制。所選取的數據在符合統計規則的前提下已避開昆明、廣州、深圳和烏魯木齊等總重較大航線，但整個機隊仍有38%的航班超過A計劃限制，若加上起飛階段則占比更多。

通過對大量數據的統計分析（見圖1），得出以下結論：

1）20%的航班使用了全爬升推力，其中12%未超過A計劃限制，超過的數據主要為昆明—南京、南京—烏魯木齊等總重較大航線；

2）25%的航班使用了CLB1，其中55%未超過A計劃限制，超過的數據主要為高高度（如30000ft高度）仍使用全爬升推力；

3）55%的航班使用了CLB2，其中82%未超過A計劃限制，超過的數據主要為階段爬升（平飛—爬升—平飛），VNAV（垂直導航）多次切換，導致轉速不穩定，且多數航班只超過A計劃限制一兩秒，但數據表明選擇CLB2爬升時基本上不會超過A計劃限制。

上述現象存在于不同飛機、不同航線（長短航程、平原或者一般高原機場），即使是雙發剛大修過的飛機在總重不大的平原機場起飛也存在高轉速問題。

4 高轉速預防措施

高轉速影響到飛行計劃的結果，導致發動機高轉速的最大原因是大推力的使用，其次是發動機的性能，圍繞這兩個方面入手才能降低發動機轉速。

絕大多數航空公司都鼓勵減推力使用，包括起飛減推力和爬升減推力。國內RB211發動機大多數只有一種額定功率，無法通過降額定功率進行減推力，只能通過ATM（假設溫度法）進行起飛減推力（Takeoff Thrust Reduce）。

爬升減推力在TMSP上有三種爬升推力，即CLB（全爬升推力），CLB1（爬升1）和CLB2（爬升2）。CLB1大約為94%的全爬升推力，CLB2大約為88%的全爬升推力，假設溫度起飛推力限制為起飛推力的25%減量和選擇的爬升推力二者中較大的推力值。通過數據驗證，在正常情況下（航路無越障要求、管制不要求快速爬升以及不躲避雷雨天氣等），CLB2能夠產生足夠的正上升率以滿足飛機的爬升性能要求。

影響起飛減推力大小的因素包括飛機總重以及外界大氣溫度，外界大氣溫度無法控制，只能從總重方面入手。統計A公司波音757飛機5700個航班的總重數據，如圖2所示。

統計A公司波音757飛機全機隊發動機減推力使用水平，與B公司對比，如圖3所示。

通過對全年的航班總重以及減推力使用水平的對比統計可見，A公司減推力水平有很大的提升空間。

因此，針對波音757飛機發動機高轉速問題，航空公司應統籌分析，通過運營人各部門、各專業如飛行、機務、運控等共同努力，在綜合運營人整體利益的前提下，找到運營人利益最大化的平衡點。

根據以上分析，目前可采取如下對策及思路。

4.1 航線設置

波音757飛機性能優越，推重比大，最大航程為7250km。表1為全球波音757飛機發動機小時循環比數據，從中可以看出，大修三次（含）以上的發動機，當小時循環比達3.5后發動機平均大修間隔趨于穩定，雖然小時循環比在6.0時的平均大修間隔時間更長，但相應的維修費用大幅增加，小時費率高。因此，波音757飛機小時循環比在3.5附近是最佳選擇。

A公司波音757機隊2020年的小時循環比為1.6，低于波音757貨機世界機隊均值（1.65），也遠低于最佳的小時循環比（3.5）。對比國內其他公司波音757飛機小時循環比，少部分為2.01，多數為3.16。因此，波音757飛機航線選擇應更加優化，在滿足其他需求的前提下，盡量選擇長航線飛行，增加小時循環比，使發動機保持在最佳的性能狀態運行。

4.2 機務方面

1）調整RB211發動機水洗間隔

A公司波音757發動機水洗間隔為2000FH，按照飛機進行控制。國內其他公司波音757飛機大都為1000FH水洗一次發動機，也有公司每個季度水洗一次。經驗證，一次有效的發動機水洗能將發動機裕度提高10℃～15℃，因此需重新評估并調整A公司RB211發動機的水洗間隔。另外，該工作不應結合C檢執行，因C檢停場時間較長，出場后的發動機裕度會普遍下降，這時進行水洗無法得知水洗效果。

2）加強發動機大修質量

波音757飛機發動機普遍經歷過三次以上的大修，雖然大修可以最大程度地恢復發動機的性能和效率，但隨著大修次數的增加，發動機性能恢復的上限在逐漸降低。

因此，在現有機隊發動機總時間較長的情況下，加強送修管理中的關鍵環節管控非常重要。例如，對大修發動機例行中壓壓氣機和高壓壓氣機的葉片長度恢復以及機匣涂層的翻新，可以有效恢復發動機增壓效率。把握好發動機的關鍵技術點，并在送修合同中對修理廠家的出廠標準給出限制，能保證發動機在出廠時獲得較好的性能，進而保證發動機有較長的在翼時間。

4.3 運控方面

1）利用最先進軟件。計算飛機起飛性能數據的軟件經歷了STAS、BPS、PET、OPT的發展過程。A公司波音757飛機的《起飛限重手冊》依據波音提供的STAS軟件制作，該軟件最早用于波音707飛機，波音早已停止其技術更新；BPS也在2015年停止了技術更新；PET是單機版軟件；當前最新軟件是波音公司的OPT（根據運營人機隊使用規模收費），優點是方便快捷、精度高。據了解，國內目前只有一家波音757飛機用戶付費使用波音提供的OPT軟件。

利用A公司的STAS軟件與某公司的OPT軟件，對下述相同條件進行測算：波音757-200飛機，成都雙流機場，總重97.5t，外界溫度21℃，靜風，不使用改善爬升。STAS軟件測算的允許最大假設溫度是47℃，OPT測算的允許最大假設溫度是55℃，相同起飛條件下使用OPT能使發動機減推力水平再提高約5.5%，進一步降低了發動機排氣溫度和轉速。

因此，需要升級相關性能軟件，采用最先進的軟件計算飛機的起飛性能數據，增加飛機起飛允許的最大假設溫度，使假設溫度精確到每一度，從而提高減推力水平。

2）優化運控放行計劃。通過大數據分析，減少波音757飛機落地后剩余油量，從而控制起飛前的飛機總重。使飛機落地剩余油量保持在7t左右（至少30min落地剩余油量+正常備降機場60min油量≈6t）的合理范圍內，因此需要制定更加精細化的飛機運行計劃，綜合考慮天氣、備降機場選擇、航路及燃油價格等情況，機組不私自增加額外的燃油，以降低起飛前飛機的總重，提高減推力水平。

4.4 飛行方面

1）加強對機組飛行計劃的宣貫力度，充分理解G計劃轉A計劃的重要性，轉變機組操作觀念。

2）如無特殊要求（管制要求、越障及雷雨區等）應以較小的爬升推力爬升，減少在高高度使用全爬升推力的頻率，禁止無發動機失效情況下使用連續爬升推力。

3）小高度層爬升時，優先采用FLCH（高度層改變）或V/S（垂直速率）方式，減少使用VNAV方式。選取昆明出港航班進行飛行數據驗證，顯示即使在一般高原機場起飛、總重在98t左右時，若使用連續爬升，選擇CLB1也不會超過A計劃限制。并且，在上述條件下，如果因管制空域原因使用階段爬升，機組可選擇小速度爬升，在平飛時增速，在得到管制下一步高度指令前飛機保持爬升推力不變。如果推力收回保持平飛后再次上升高度時，可以用高度層改變方式，待推力柔和增加到最大后再用VNAV，或持續使用高度層改變方式直至高度改平，這樣能最大限度地使用小爬升推力達到管制要求。

此外，通過數據研究還發現，爬升過程中若采用連續爬升而不是階段爬升，可避免頻繁平飛改爬升操作導致的轉速不穩定。

4.5 QAR數據事件監控

通過三種不同爬升推力與油門桿角度的對應關系，可從QAR數據中油門桿的數值得知機組選擇的爬升推力模式，利用運營人QAR數據部門的相關專業軟件，建立日常的減推力監控系統，對起飛減推力、超全爬升推力以及高高度全爬升推力進行監控，持續優化機組操作。

5 結束語

某公司波音757飛機發動機飛行計劃從A計劃改成B計劃，對各運營人敲響了警鐘。A公司積極提高管控意識，通過對大數據的研究分析，在飛行、機務及運控等部門的共同努力下，采取了上述幾條預防措施。經驗證，波音757飛機發動機高轉速現象有了明顯改觀，起飛減推力水平得到提高，使用CLB2推力爬升的航班量大幅增加，超A計劃的航班量明顯減少。預計OPT軟件上線后，將進一步提高減推力水平，持續保證RB211發動機運行在A計劃里，增加發動機在翼時間，為運營人節約大量維修成本，保障運力穩定。

參考文獻

[1] Boeing. B757-200 AMM Flight Profile Assessment and Monitoring [Z].

[2] Boeing. B757-200飛機FCOM手冊[Z].