傅岳華

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為整個(gè)飛機(jī)的核心，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，將會(huì)造成重大的安全事故，產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此，重視發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量，采用多種切實(shí)、有效的性能預(yù)測(cè)與維修手段，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行，便也成為航空公司目前所面臨的重點(diǎn)。文章便以民航空客A320系列飛機(jī)所安裝的CFM56-5B系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)為例，首先闡述民航發(fā)動(dòng)機(jī)基本構(gòu)成及原理，然后探討先進(jìn)性的發(fā)動(dòng)機(jī)性能預(yù)測(cè)手段與視情維修決策，以期能為促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行，降低維修成本起到積極的意義。

關(guān)鍵詞：民航發(fā)動(dòng)機(jī)；空客CFM56-5B；性能預(yù)測(cè)；視情維修

視情維修這一概念源自美國(guó)，其主要是指立足于故障機(jī)理的分析，根據(jù)不解體測(cè)試的結(jié)果，一旦維修對(duì)象發(fā)生“潛在故障”，便對(duì)其進(jìn)行更換、調(diào)整與維修，以此來(lái)規(guī)避“功能故障”發(fā)生的一種維修手段。視情維修結(jié)合性能預(yù)測(cè)手段，在民航發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的應(yīng)用十分廣泛。該維修方式的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)完善與加強(qiáng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控手段，掌握設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，使一些故障在發(fā)生之前得到預(yù)防控制，使嚴(yán)重故障在有輕微故障苗頭時(shí)得到控制與排除，從而有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)故障的發(fā)生率，節(jié)約發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本。

一、空客CFM56-5B系列發(fā)動(dòng)機(jī)

民航空客A320系列飛機(jī)所安裝的CFM56-5B系列發(fā)動(dòng)機(jī)是由CFM國(guó)際公司所生產(chǎn)，屬于渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（空客CFM56-5B系列發(fā)動(dòng)機(jī)平面示意圖如下所示）。⑴主要特征參數(shù)。CFM56-5B系列發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特征參數(shù)為：尺寸：2.94m（長(zhǎng)）×2.14m（高）×1.97m（寬）；轉(zhuǎn)動(dòng)方向：順時(shí)針（ALF前向看過(guò)去）；布局方式：雙轉(zhuǎn)子軸流發(fā)動(dòng)機(jī)；渦輪：1級(jí)高壓渦輪，4級(jí)低壓渦輪；燃燒室：環(huán)形燃燒室；壓氣機(jī)：1級(jí)風(fēng)扇，4級(jí)增壓級(jí)，9級(jí)高壓壓氣機(jī)。⑵工作原理。由風(fēng)扇進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣被分為兩部分，一部分主氣流經(jīng)由低壓壓氣機(jī)進(jìn)入高壓壓氣機(jī)，在燃燒室內(nèi)與空氣混合后燃燒，高壓與高溫的燃?xì)馔ㄟ^(guò)高、低壓渦輪來(lái)做功；另一部分空氣通過(guò)外涵，經(jīng)過(guò)風(fēng)扇葉片與外部導(dǎo)向葉片排入大氣，這部分空氣為發(fā)動(dòng)機(jī)提供了約80%左右的推力。⑶系統(tǒng)組成。CFM56-5B系列發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成如下：①模塊化設(shè)計(jì)：采用模塊化設(shè)計(jì)，共有4個(gè)主要模塊，其中又包含17個(gè)子模塊；②轉(zhuǎn)子系統(tǒng)：包含高壓與低壓兩套轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，共計(jì)5個(gè)軸承；③風(fēng)扇部件：共有36片鈦合金的mid-span shrouded 葉片；④燃燒室：短環(huán)形燃燒室，火焰筒頭部共有20個(gè)高壓空氣霧化噴嘴；⑤壓氣機(jī)：高壓壓氣機(jī)為9級(jí)軸流式，所有轉(zhuǎn)子葉片可單獨(dú)進(jìn)行更換，各極均設(shè)有孔探儀檢查口，低壓壓氣機(jī)為3級(jí)軸流式；⑥控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)采用帶補(bǔ)充模擬電子輸入的伍德沃德機(jī)械液壓式燃油控制器；⑦起動(dòng)系統(tǒng)：空氣起動(dòng)機(jī)安裝在傳動(dòng)齒輪機(jī)匣上；⑧渦輪：高壓渦輪為單級(jí)軸流式，低壓渦輪為4級(jí)軸流式[1-2]。

二、民航發(fā)動(dòng)機(jī)性能預(yù)測(cè)方式

民航發(fā)動(dòng)機(jī)性能預(yù)測(cè)通常采用排氣溫度裕度EGTM來(lái)與外界大氣溫度限制值OATL與衡量，具體如下計(jì)算方法：

⑴計(jì)算實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。為能正確評(píng)估EGT裕度，先要知道實(shí)際的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，而風(fēng)扇轉(zhuǎn)速配平裝置通過(guò)調(diào)節(jié)指示換算風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來(lái)修正，所以在實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計(jì)算前先要計(jì)算換算指示風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

溫度比

指示換算風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

同時(shí)，還要考慮不同轉(zhuǎn)速下指數(shù)要改變，因此，得出指示換算風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，再考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)N1配平級(jí)的影響，實(shí)際控制換算風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

⑵計(jì)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(shí)與取證限制的差值，因此還需充分考慮到NI配平級(jí)、引氣、額定推力的影響。

⑶計(jì)算熱天EGT裕度。對(duì)不同推力的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行修正，計(jì)算熱天EGT裕度，同時(shí)，EGT峰值還會(huì)受到高度的影響，因此還應(yīng)該根據(jù)機(jī)場(chǎng)的標(biāo)高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)EGT裕度進(jìn)行修正：

⑷計(jì)算海平面外界大氣溫度限制值SLOATL。國(guó)內(nèi)很多民航公司是利用外界大氣溫度限制OATL來(lái)監(jiān)控機(jī)隊(duì)，因此，也可將EGT裕度轉(zhuǎn)換為OATL。若CFM56-5B系列發(fā)動(dòng)機(jī)的EGT裕度屬于正值，那么SLOATL就應(yīng)該大于拐點(diǎn)溫度，SLOATL與EGT裕度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：。為能保證在其他高度下發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)在該機(jī)場(chǎng)有EGT裕度。

上述性能預(yù)測(cè)方法計(jì)算出來(lái)的EGTM與SLOATL十分準(zhǔn)確，可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)換發(fā)的依據(jù)，但在換發(fā)同時(shí)，還需充分考慮到維護(hù)手冊(cè)、硬件檢查、巡航趨勢(shì)等方面的要求。此外，根據(jù)國(guó)內(nèi)外航空公司的經(jīng)驗(yàn)，若是在孔探檢查高壓渦輪還在能夠修理范圍內(nèi)時(shí)，允許在超溫5～6次再下發(fā)送修，促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能恢復(fù)，以此來(lái)有效降低單位有效飛行小時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)使用成本[2]。

三、民航發(fā)動(dòng)機(jī)視情維修決策

（一）發(fā)動(dòng)機(jī)維修策略分析

第一，確定發(fā)動(dòng)機(jī)各部件是否需要維修或更換。對(duì)監(jiān)控項(xiàng)目設(shè)定至少兩個(gè)狀態(tài)閾值L與M，L屬于故障閾值，M屬于預(yù)防性維修閾值。L屬于飛機(jī)的持續(xù)適航條件，一旦發(fā)現(xiàn)狀態(tài)值超過(guò)L，必須及時(shí)進(jìn)行維修或更換。M值是不可強(qiáng)制執(zhí)行的，多是由制造商給出建議，民航根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行調(diào)整。完成本次維修工作決策后，便需確定下次檢查時(shí)間。第二，確定檢查間隔期。民航發(fā)動(dòng)機(jī)的基本維修策略是基于狀態(tài)的視情維修，根據(jù)當(dāng)前檢查時(shí)刻 和下次檢查間隔期 ，確定下次檢查時(shí)間 [4]。

（二）維修策略的單位時(shí)間費(fèi)用率模型

民航發(fā)動(dòng)機(jī)的維修工作包括檢查、預(yù)防性維修以及故障后修復(fù)性維修，確定的目標(biāo)函數(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)部件壽命周期內(nèi)的期望維修費(fèi)用率最低。假設(shè)，在時(shí)間間隔 內(nèi)，修復(fù)性維修次數(shù)為 ，預(yù)防性縱次數(shù)為 ，檢查次數(shù)為 ，則 時(shí)間內(nèi)維修費(fèi)用總支出為： [5]。

確定上述各參數(shù)之后，便可計(jì)算出壽命周期內(nèi)維修費(fèi)用率的期望值：

上式， 代表嵌入馬爾可夫鏈的不變測(cè)度，通過(guò)上式，便可在單半再生周期內(nèi)求出期望的維修費(fèi)用率。

（三）維修優(yōu)化策略的求解方法

民航發(fā)動(dòng)機(jī)維修優(yōu)化的最終目標(biāo)是壽命周期內(nèi)維修費(fèi)用率最低，決策變量是預(yù)防性維修變量M和函數(shù)g（·）的參數(shù)，g（·）是為確定基于狀態(tài)的檢查間隔期，結(jié)合式1，便可得如下優(yōu)化方程：

根據(jù)上式，在約束范圍內(nèi)尋優(yōu)，便可得到優(yōu)化的決策變量偶序

（四）應(yīng)用分析

就以空客CFM56-5B系列發(fā)動(dòng)機(jī)為例，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為葉尖、前緣、后緣、區(qū)域。根據(jù)維修手岫，明確檢查閾值和檢查周期、檢查費(fèi)用，然后結(jié)合民航公司提供的數(shù)據(jù)信息，確定參數(shù)，便可得到發(fā)動(dòng)機(jī)單部件劣化增量服從的分布函數(shù)和概率密度函數(shù)，然后代入相應(yīng)的方程式，得到初次優(yōu)化后的值。最后根據(jù)每次檢查得到的裂紋長(zhǎng)度，決定葉片新的檢查間隔期，或是決定對(duì)葉片進(jìn)行修理后使用，還是下發(fā)更換新葉片。

綜上所述，性能預(yù)測(cè)與視情維修具有簡(jiǎn)明、實(shí)用、有效等優(yōu)勢(shì)，為民航發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)維修提供了科學(xué)的指導(dǎo)作用，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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