民航发动机性能预测和视情维修决策研究

傅岳华

摘要：航空发动机作为整个飞机的核心，发动机发生故障，将会造成重大的安全事故，产生灾难性的后果。因此，重视发动机的运行质量，采用多种切实、有效的性能预测与维修手段，确保发动机的安全运行，便也成为航空公司目前所面临的重点。文章便以民航空客A320系列飞机所安装的CFM56-5B系统发动机为例，首先阐述民航发动机基本构成及原理，然后探讨先进性的发动机性能预测手段与视情维修决策，以期能为促进发动机的安全运行，降低维修成本起到积极的意义。

关键词：民航发动机；空客CFM56-5B；性能预测；视情维修

视情维修这一概念源自美国，其主要是指立足于故障机理的分析，根据不解体测试的结果，一旦维修对象发生“潜在故障”，便对其进行更换、调整与维修，以此来规避“功能故障”发生的一种维修手段。视情维修结合性能预测手段，在民航发动机维修中的应用十分广泛。该维修方式的优势在于通过完善与加强监测监控手段，掌握设备发动机设备的工作状态，及时发现问题并解决问题，使一些故障在发生之前得到预防控制，使严重故障在有轻微故障苗头时得到控制与排除，从而有效降低发动机故障的发生率，节约发动机维修成本。

一、空客CFM56-5B系列发动机

民航空客A320系列飛机所安装的CFM56-5B系列发动机是由CFM国际公司所生产，属于涡轮风扇发动机（空客CFM56-5B系列发动机平面示意图如下所示）。⑴主要特征参数。CFM56-5B系列发动机的主要特征参数为：尺寸：2.94m（长）×2.14m（高）×1.97m（宽）；转动方向：顺时针（ALF前向看过去）；布局方式：双转子轴流发动机；涡轮：1级高压涡轮，4级低压涡轮；燃烧室：环形燃烧室；压气机：1级风扇，4级增压级，9级高压压气机。⑵工作原理。由风扇进入发动机的空气被分为两部分，一部分主气流经由低压压气机进入高压压气机，在燃烧室内与空气混合后燃烧，高压与高温的燃气通过高、低压涡轮来做功；另一部分空气通过外涵，经过风扇叶片与外部导向叶片排入大气，这部分空气为发动机提供了约80%左右的推力。⑶系统组成。CFM56-5B系列发动机系统组成如下：①模块化设计：采用模块化设计，共有4个主要模块，其中又包含17个子模块；②转子系统：包含高压与低压两套转子系统，共计5个轴承；③风扇部件：共有36片钛合金的mid-span shrouded 叶片；④燃烧室：短环形燃烧室，火焰筒头部共有20个高压空气雾化喷嘴；⑤压气机：高压压气机为9级轴流式，所有转子叶片可单独进行更换，各极均设有孔探仪检查口，低压压气机为3级轴流式；⑥控制系统：控制系统采用带补充模拟电子输入的伍德沃德机械液压式燃油控制器；⑦起动系统：空气起动机安装在传动齿轮机匣上；⑧涡轮：高压涡轮为单级轴流式，低压涡轮为4级轴流式[1-2]。

二、民航发动机性能预测方式

民航发动机性能预测通常采用排气温度裕度EGTM来与外界大气温度限制值OATL与衡量，具体如下计算方法：

⑴计算实际风扇转速。为能正确评估EGT裕度，先要知道实际的风扇转速，而风扇转速配平装置通过调节指示换算风扇转速来修正，所以在实际风扇转速计算前先要计算换算指示风扇转速。

温度比

指示换算风扇转速

同时，还要考虑不同转速下指数要改变，因此，得出指示换算风扇转速，再考虑到发动机N1配平级的影响，实际控制换算风扇转速

⑵计算换算EGT裕度。换算EGT裕度，而 为换算排气温度，，EGT裕度是指全功率时与取证限制的差值，因此还需充分考虑到NI配平级、引气、额定推力的影响。

⑶计算热天EGT裕度。对不同推力的发动机进行修正，计算热天EGT裕度，同时，EGT峰值还会受到高度的影响，因此还应该根据机场的标高，对发动机EGT裕度进行修正：

⑷计算海平面外界大气温度限制值SLOATL。国内很多民航公司是利用外界大气温度限制OATL来监控机队，因此，也可将EGT裕度转换为OATL。若CFM56-5B系列发动机的EGT裕度属于正值，那么SLOATL就应该大于拐点温度，SLOATL与EGT裕度的转换关系为：。为能保证在其他高度下发动机EGT裕度足够，SLOATL必须要与等效海平面OATL比较，若其大于等效OATL，则表示该发动机在该机场有EGT裕度。

上述性能预测方法计算出来的EGTM与SLOATL十分准确，可以作为发动机换发的依据，但在换发同时，还需充分考虑到维护手册、硬件检查、巡航趋势等方面的要求。此外，根据国内外航空公司的经验，若是在孔探检查高压涡轮还在能够修理范围内时，允许在超温5～6次再下发送修，促进发动机性能恢复，以此来有效降低单位有效飞行小时的发动机使用成本[2]。

三、民航发动机视情维修决策

（一）发动机维修策略分析

第一，确定发动机各部件是否需要维修或更换。对监控项目设定至少两个状态阈值L与M，L属于故障阈值，M属于预防性维修阈值。L属于飞机的持续适航条件，一旦发现状态值超过L，必须及时进行维修或更换。M值是不可强制执行的，多是由制造商给出建议，民航根据实际使用情况进行调整。完成本次维修工作决策后，便需确定下次检查时间。第二，确定检查间隔期。民航发动机的基本维修策略是基于状态的视情维修，根据当前检查时刻 和下次检查间隔期 ，确定下次检查时间 [4]。

（二）维修策略的单位时间费用率模型

民航发动机的维修工作包括检查、预防性维修以及故障后修复性维修，确定的目标函数是发动机部件寿命周期内的期望维修费用率最低。假设，在时间间隔 内，修复性维修次数为 ，预防性纵次数为 ，检查次数为 ，则 时间内维修费用总支出为： [5]。

确定上述各参数之后，便可计算出寿命周期内维修费用率的期望值：

上式， 代表嵌入马尔可夫链的不变测度，通过上式，便可在单半再生周期内求出期望的维修费用率。

（三）维修优化策略的求解方法

民航发动机维修优化的最终目标是寿命周期内维修费用率最低，决策变量是预防性维修变量M和函数g（·）的参数，g（·）是为确定基于状态的检查间隔期，结合式1，便可得如下优化方程：

根据上式，在约束范围内寻优，便可得到优化的决策变量偶序

（四）应用分析

就以空客CFM56-5B系列发动机为例，发动机叶片根据结构可分为叶尖、前缘、后缘、区域。根据维修手岫，明确检查阈值和检查周期、检查费用，然后结合民航公司提供的数据信息，确定参数，便可得到发动机单部件劣化增量服从的分布函数和概率密度函数，然后代入相应的方程式，得到初次优化后的值。最后根据每次检查得到的裂纹长度，决定叶片新的检查间隔期，或是决定对叶片进行修理后使用，还是下发更换新叶片。

综上所述，性能预测与视情维修具有简明、实用、有效等优势，为民航发动机保护维修提供了科学的指导作用，值得推广应用。

参考文献：

[1]付旭云，等.基于性能状态的民航发动机送修目标确定方法[J].计算机集成制造系统，2013，19（12）：120-121.

[2]白杰，张闻东，王伟.CFM56-5B型发动机风扇叶片鸟撞有限元仿真[J].航空科学技术，2014，8（8）：48-53.

[3]赵飞.民航发动机预知维修决策研究[D]，载运工具运用工程·南京航空航天大学，2011.

[4]杨坤，等.民用发动机维修数据决策支持系统设计与实现[J].航空维修与工程，2013，2（2）：61-63.

[5]陈桥文.基于状态监控技术的民航发动机维修与管理[J].中国科技信息，2013，13（13）：118.