商用航空發動機分解檢查工作研究

■ 杜玉潔 張仕東 李敏/ 中國航發商發

適航取證是商用航空發動機進入市場取得商業化成功的前提條件?；诤娇瞻l動機適航規定中的分解檢查要求以及試驗、運營、維修等工作場景，開展發動機分解檢查工作研究，可以確保發動機運行后的實物狀態滿足繼續使用的要求。

根據《航空發動機適航規定》（CCAR-33）中開展持久、超溫等適航驗證試驗的要求，以及發動機處于在翼狀態或翻修時進行分解檢查工作的規定，為滿足發動機的實物狀態符合型號設計要求、處于安全工作狀態，以及仍在持續適航文件和型號合格數據單（TCDS）規定的使用條件以內，需對發動機進行分解，檢查各層級零部件。分解檢查工作包括確定檢查項目、可繼續使用限制值以及操作規程等內容。難點在于確定各層級零部件的損傷容限檢測要求和尺寸檢測要求中的可繼續使用限制值?？衫^續使用限制值是在各使用場景下用于判斷發動機繼續運營或維修的依據。

需求來源

商用航空發動機分解檢查需求的主要來源是適航要求、維修性和可靠性要求，如表1所示。

表1 商用航空發動機分解檢查需求

應用場景

分解檢查工作的重點和難點在于確定發動機在不同使用場景下的檢查項目、檢查時間間隔、檢查零部件、零部件損傷模式，以及零部件可用限制值等，最終落實于CCAR-33.4持續適航文件中。

目前，民機持續適航文件中的檢查類手冊主要有《飛機維修手冊》（AMM）、《發動機翻修手冊》（ESM）和《部件維修手冊》（CMM）。主要用戶分別是航空公司的工程維修部門、發動機修理廠等。每份手冊對應不同的使用場景，發動機層級、單元體層級、零部件層級在各使用場景下規定了可用限制值要求，判斷零部件是否需要修理或者更換是發動機是否可以持續適航的重要判斷依據。表2總結了各類手冊的使用場景和用途。

表2 民機持續適航文件中的主要使用手冊

策劃思路

綜合需求來源、應用場景等要求，按正向設計方法開展分解檢查研究工作，具體包括以下內容：首先，分析和策劃發動機適航試驗、在翼狀態或維修狀態等各應用場景的分解層級；其次，確定參與分解檢查維護的零部件清單；再次，針對每個零部件開展功能和故障模式分析工作，確定損傷模式；然后，分析損傷演化機理，判斷是否可以通過數值仿真的方法完成計算驗證，或通過核心機、整機臺架/飛行試驗完成試驗驗證；最終，形成可用限制值報告，用以完善和指導分解檢查工作。圖1為分解檢查工作流程。

圖1 分解檢查工作流程

可用限制值確定

目前，分解檢查工作主要的研究內容是可用限制值確定。按CCAR-33.93要求，在各層級的檢查過程中，判斷發動機狀態是否允許繼續運行的依據是整機/單元體/零部件是否超出了可用限制值。發動機在進行持久試驗之前須制定整機/單元體/零部件的可用限制值；各部件系統設計部門在制定這些可用限制值時，根據零部件的功能和故障模式分析確定損傷模式，采取數值仿真初步確定可用限制值；而后在部件級試驗、整機級試驗、發動機掛飛試驗中驗證和迭代這些可用限制值。

故障/損傷模式

通過參考多型發動機的整機、單元體/系統、零件/附件已經出現的故障/損傷模式，結合歷次試車后分解檢查情況，盡可能全面地收集零部件實物的故障/損傷模式，目前已知裂紋、蠕變、燒蝕、腐蝕、彎曲等共計66種零部件故障/損傷的表現形式，部分示例如表3所示。

初始值確定

各種故障/損傷模式下零部件可用限制值的初步來源有兩類，包括已有經驗借鑒和計算分析驗證。

根據CCAR-33.93要求，“如果有計劃保證在交付第一架裝有該發動機的航空器之前或者在為裝有該發動機的航空器頒發適航證之前完成這些文件，則這些文件在型號合格審定時可以是不完備的”。發動機在進行持久試驗乃至適航取證試驗時，往往不具備完整的持續適航文件以及試驗分解檢查所需的可用限制值。發動機各層級的零部件設計，參考行業內發動機設計規范和設計經驗、部件級性能、強度試驗以及整機強度考核試驗后零部件分解檢查結果、成熟機型可用限制值要求，可以初步確定可用限制值，作為持續適航文件的輸入，并在后續試驗過程（材料試驗、典型件試驗、部件試驗、整機試驗）中持續迭代。

根據實物初始故障/損傷模式，基于零部件工作環境，借助金相、射線、電鏡、理化測試等分析手段，以及工程經驗和排故經驗，確定損傷演化機理，運用數值仿真、正向設計的方法評估和計算零部件損傷的限制值、剩余壽命、定期檢查間隔、整機翻修時間間隔；并在探索計算限制值的過程中，形成針對損傷模式的數值仿真計算方法、可用限制值設計規范。

以裂紋損傷擴展演化研究為例，分析流程如圖2所示。通過計算分析，考慮溫度、載荷等因素后，得到帶裂紋損傷的零部件的裂紋尺寸、裂紋擴展壽命，以此評估結果作為發動機零部件的檢查間隔要求。

圖2 裂紋損傷演化計算分析流程

落實驗證

根據設計部門給出的檢查要求、檢查項目故障/損傷模式與可用限制值要求等，裝配部門完成分解與故障檢查工藝文件編制和工藝驗證，建立數據庫，提升檢測能力，記錄分解與故障檢查結果（含故障/損傷測量結果）并反饋給設計部門確認用于可用值迭代。須嚴格而仔細地發現零部件損傷，記錄每次試車/飛行后損傷擴展情況。

結束語

分解檢查工作需要設計、制造、裝配多部門多專業協作完成。整機/單元體/零部件可用限制值的制定需要開展大量理論計算工作，結合發動機試驗驗證及在翼服役數據完成持續迭代，工作量大、周期長。開展商用航空發動機分解檢查工作的系統性研究，可以為商用航空發動機的研制和適航取證工作提供有力支撐。