大涵道比發(fā)動機(jī)可靠性特征及國產(chǎn)新機(jī)研制需關(guān)注的重點(diǎn)問題研究

邵傳金 盧婷婷 單行健 王鵬

摘要：根據(jù)某大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)運(yùn)營可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析總結(jié)了商用發(fā)動機(jī)可靠性特征，梳理了典型故障及可靠性影響因素，提出了國產(chǎn)發(fā)動機(jī)研制需要關(guān)注的可靠性重點(diǎn)問題。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)可靠性；空停率；送修率；簽派可靠度

Keywords：engine reliability；in-flight shut down rate；shop visit rate；dispatch reliability

0 引言

可靠性是航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的重要指標(biāo)之一。國外發(fā)動機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)表明，研制階段必須開展面向可靠性的設(shè)計(jì)，以可靠性需求為牽引，將可靠性理念貫穿于設(shè)計(jì)、制造、使用、維修保障的全壽命周期[1]。

國外大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)經(jīng)過近五十年的發(fā)展和積累，可靠性水平已達(dá)到平均送修間隔2～3萬小時(shí)、空停率0.002次每千小時(shí)。市場用戶對新型發(fā)動機(jī)的可靠性期望極高，國產(chǎn)發(fā)動機(jī)研制面臨著巨大的可靠性挑戰(zhàn)。

本文分析總結(jié)了某型大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的可靠性特征、典型故障模式及可靠性影響因素，從可靠性角度梳理國產(chǎn)發(fā)動機(jī)研制中需要關(guān)注的重點(diǎn)問題。

1 整機(jī)可靠性及故障原因統(tǒng)計(jì)

1.1 整機(jī)級可靠性統(tǒng)計(jì)

民用航空發(fā)動機(jī)常用的可靠性指標(biāo)主要包括空停率、送修率、派遣率。表1為某型大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的運(yùn)營可靠性統(tǒng)計(jì)。

表1的數(shù)據(jù)源自該型發(fā)動機(jī)5年期間的積累數(shù)據(jù)，機(jī)隊(duì)總小時(shí)數(shù)為 74265253，總循環(huán)數(shù)為43029436。

空停率為每1000發(fā)動機(jī)飛行小時(shí)的空中停車次數(shù)；送修率為每1000發(fā)動機(jī)飛行小時(shí)的返廠修理次數(shù)；派遣率為每100次定期航班中正點(diǎn)離港的航班次數(shù)，也稱簽派可靠度；與派遣率相對應(yīng)的是延誤/取消率，指每100次定期航班中因發(fā)動機(jī)原因造成的航班延誤或取消的次數(shù)[2，3]。根據(jù)延誤取消次數(shù)及總循環(huán)數(shù)計(jì)算的派遣率約為99.98%。

下文進(jìn)一步分析導(dǎo)致空停、送修、延誤/取消的發(fā)動機(jī)故障原因。

1.2 空停原因統(tǒng)計(jì)

空停率是最受關(guān)注的發(fā)動機(jī)可靠性指標(biāo)。如圖1所示，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)空停的原因包括：控制系統(tǒng)故障，軸承失效，硬件損傷，F(xiàn)OD（外來物損傷），監(jiān)控參數(shù)超限，非發(fā)動機(jī)原因（虛警、維修差錯(cuò)、操作不當(dāng)、飛機(jī)原因、其他人為因素、外界因素等）。

由圖1可見，該型發(fā)動機(jī)空停原因呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

1）發(fā)動機(jī)空停原因中38%由控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致?？刂葡到y(tǒng)通過傳感器監(jiān)控發(fā)動機(jī)性能、溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)，不可避免地會出現(xiàn)虛警或表征為控制系統(tǒng)故障的警告信息，進(jìn)而導(dǎo)致飛行員根據(jù)事態(tài)嚴(yán)重程度按程序做出拉至慢車乃至關(guān)停發(fā)動機(jī)的操作。

2）非發(fā)動機(jī)原因是導(dǎo)致空停的主要原因之一。其中，約一半是因?yàn)榫S修差錯(cuò)，包括在人為因素、操作規(guī)范、操作程序、維修水平的影響下，維修操作中發(fā)生諸如連接件擰緊力矩不正確、安裝差錯(cuò)、更換或安裝過程中產(chǎn)生不平衡量引起振動等問題，導(dǎo)致部件系統(tǒng)失效，最終引起發(fā)動機(jī)空停。

3）軸承故障，特別是3號和4號軸承故障，也是導(dǎo)致空停的主要原因之一。

1.3 送修原因統(tǒng)計(jì)

送修指發(fā)動機(jī)本體因某種原因返廠修理，包括計(jì)劃性返廠（如因發(fā)動機(jī)限壽件的壽命限制導(dǎo)致）和非計(jì)劃性返廠（如發(fā)動機(jī)故障）。如圖2所示，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)送修的原因包括限壽件的到壽、高壓渦輪部件失效、高壓壓氣機(jī)部件失效以及低壓渦輪部件失效等。

由圖2可見，該型發(fā)動機(jī)送修原因呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

1）限壽件是送修首要原因，占比達(dá)30%以上。該型發(fā)動機(jī)限壽件的壽命限制值為17500循環(huán)以上，表明30%以上的發(fā)動機(jī)可在翼使用至17500循環(huán)，再以計(jì)劃換發(fā)方式返廠修理。

2）限壽件在送修原因中占比越高，表明發(fā)動機(jī)本體的可靠性、耐久性越高。

3）本體部件（渦輪、壓氣機(jī)、燃燒室等）發(fā)生故障時(shí)無法在翼修理，將導(dǎo)致非計(jì)劃送修，設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注本體部件的可靠性對發(fā)動機(jī)送修率的影響。

4）本體部件故障導(dǎo)致的送修遠(yuǎn)高于控制、燃油、滑油、起動、點(diǎn)火系統(tǒng)等，因?yàn)楹笳咧饕蒐RU（航線可更換單元）組成，發(fā)生故障時(shí)可在翼修理、更換，一般不會導(dǎo)致?lián)Q發(fā)。

1.4 延誤取消原因統(tǒng)計(jì)

延誤的判別依據(jù)是航班離港時(shí)間比計(jì)劃時(shí)間延遲15min以上。成熟機(jī)型數(shù)據(jù)表明，航班延誤取消主要由LRU故障引起。如圖3所示，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)延誤取消的原因包括：控制系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)等系統(tǒng)組件的失效。FOD也是導(dǎo)致發(fā)動機(jī)延誤取消的原因之一。

由圖3可見，該型發(fā)動機(jī)延誤取消原因呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

1）控制、燃油、起動、滑油、點(diǎn)火、排氣與反推、附件傳動系統(tǒng)故障是導(dǎo)致延誤取消的主要原因，這些子系統(tǒng)中包含絕大部分的LRU。

2）LRU發(fā)生故障時(shí)，如不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成在翼修理，將導(dǎo)致航班延誤或取消。

3）子系統(tǒng)故障在延誤取消原因中占比很高，新機(jī)研制時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注子系統(tǒng)故障對延誤取消率的影響。

4）風(fēng)扇部件故障也會導(dǎo)致延誤取消，因?yàn)轱L(fēng)扇葉片、風(fēng)扇葉片墊板、風(fēng)扇葉片鎖緊塊等均為LRU。

2 整機(jī)及部件系統(tǒng)可靠性特征

2.1 整機(jī)可靠性統(tǒng)計(jì)特征

為研究發(fā)動機(jī)整機(jī)可靠性統(tǒng)計(jì)特征，收集5800臺某型發(fā)動機(jī)在翼時(shí)間數(shù)據(jù)，包括1600臺發(fā)動機(jī)首次送修時(shí)間頻數(shù)統(tǒng)計(jì)（見圖4）和4200臺自新裝機(jī)后始終在翼工作的發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)。采用威布爾分析[4]，建立一個(gè)雙參數(shù)威布爾模型，形狀參數(shù)β的估計(jì)值為2.23，尺度參數(shù)η（特征壽命）的估計(jì)值為36730h，表明在此壽命值（即發(fā)動機(jī)工作時(shí)間）前首次送修的發(fā)動機(jī)比例為63.2%。概率密度函數(shù)如圖5所示。

結(jié)果表明，形狀參數(shù)大于1，發(fā)動機(jī)送修時(shí)間不服從指數(shù)分布（指數(shù)分布的特征是形狀參數(shù)β=1）。據(jù)此可推斷發(fā)動機(jī)非計(jì)劃送修時(shí)間和使用壽命均不服從指數(shù)分布，即失效率非常數(shù)。此結(jié)論對發(fā)動機(jī)可靠性建模及失效概率預(yù)測的準(zhǔn)確性有關(guān)鍵影響。

2.2 部件可靠性統(tǒng)計(jì)特征

根據(jù)機(jī)隊(duì)運(yùn)行可靠性數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對發(fā)動機(jī)部件可靠性特征進(jìn)行分析。首先分析對發(fā)動機(jī)可靠性有重要影響的高壓渦輪和高壓壓氣機(jī)兩大部件（單元體）。如圖6、圖7所示，在高壓壓氣機(jī)（HPC）故障導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)送修原因中，51%為轉(zhuǎn)靜子碰摩，32%為壓氣機(jī)葉片損傷；在高壓渦輪（HPT）故障導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)送修原因中，78%為渦輪葉片損傷、斷裂，16%為高壓渦輪導(dǎo)向器損傷。

2.3 燃油及控制系統(tǒng)可靠性統(tǒng)計(jì)特征

圖3表明發(fā)動機(jī)燃油及控制系統(tǒng)對延誤/取消率影響顯著。根據(jù)機(jī)隊(duì)延誤/取消統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析燃油及控制系統(tǒng)的故障原因，結(jié)果如圖8、圖9所示。FADEC/ECU、HPTACC活門、HMU、VBV是導(dǎo)致控制系統(tǒng)故障的主要原因，燃油滲漏、燃油濾堵塞、燃油泵、燃油管路、燃油閥是導(dǎo)致燃油系統(tǒng)故障的主要原因。

3 國產(chǎn)發(fā)動機(jī)研制需關(guān)注的重點(diǎn)問題

民用航空發(fā)動機(jī)主要采用空停率、送修率、派遣率三項(xiàng)指標(biāo)評估發(fā)動機(jī)的可靠性，因此國產(chǎn)發(fā)動機(jī)研制應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這三大指標(biāo)及其影響因素。

成熟機(jī)型可靠性統(tǒng)計(jì)特征表明：

1）控制系統(tǒng)故障是發(fā)動機(jī)空停的首要原因（見圖1）；

2）本體零部件故障是影響發(fā)送機(jī)送修率的主要原因（見圖2）；

3）LRU故障是影響派遣率的主要原因（見圖3）；

4）大多數(shù)的發(fā)動機(jī)故障是由少部分零組件導(dǎo)致的；

5）發(fā)動機(jī)本體在翼使用壽命不服從指數(shù)分布，而是服從形狀參數(shù)大于2的威布爾分布（見圖4、圖5）。

為進(jìn)一步分析發(fā)動機(jī)可靠性影響因素，將發(fā)動機(jī)送修原因及延誤/取消原因細(xì)分至零組件級，如圖10、圖11和表2所示，印證了前述結(jié)論，同時(shí)提供了故障率高的發(fā)動機(jī)本體零組件、LRU及主要故障模式清單。

根據(jù)成熟機(jī)型運(yùn)營可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，梳理總結(jié)出發(fā)動機(jī)易故障件/主要故障模式清單如下：

1）高壓渦輪：葉片、導(dǎo)向器、罩環(huán)；

2）低壓渦輪：葉片、導(dǎo)向器、罩環(huán)；

3）高壓壓氣機(jī)：轉(zhuǎn)靜子碰摩、葉片損傷、葉片侵蝕；

4）風(fēng)扇：葉片F(xiàn)OD；

5）控制系統(tǒng)：HPTACC活門、ECU、HMU、VSV機(jī)構(gòu)、VBV機(jī)構(gòu)；

6）燃油系統(tǒng)：燃油泄漏、燃油濾堵塞、燃油泵、燃油閥、燃滑油熱交換器；

7）滑油系統(tǒng)：滑油泄漏、滑油濾堵塞；

8）起動系統(tǒng)：起動機(jī)活門、起動機(jī)；

9）點(diǎn)火系統(tǒng)：點(diǎn)火器燒蝕。

成熟機(jī)型經(jīng)驗(yàn)及可靠性數(shù)據(jù)表明，發(fā)動機(jī)故障主要由少部分零件引起?？煽啃怨ぷ鲬?yīng)聚焦以上所述重點(diǎn)問題，關(guān)注典型故障模式及故障率高的零組件。

4 結(jié)束語

通過對某成熟機(jī)型運(yùn)營可靠性特征進(jìn)行分析，歸納總結(jié)了民用發(fā)動機(jī)可靠性指標(biāo)及影響因素，目的是為國產(chǎn)發(fā)動機(jī)定義可靠性要求，合理分配可靠性指標(biāo)，并對需重點(diǎn)關(guān)注的可靠性問題提供指導(dǎo)。本文所討論的發(fā)動機(jī)可靠性特征、典型故障及統(tǒng)計(jì)規(guī)律等對國產(chǎn)新機(jī)的可靠性工作有重要參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

邵傳金，工程師，主要研究方向：發(fā)動機(jī)可靠性與維修性設(shè)計(jì)。

盧婷婷，主管工程師，主要研究方向：發(fā)動機(jī)可靠性與維修性設(shè)計(jì)。

單行健，主管工程師，主要研究方向：發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計(jì)。

王鵬，研究員級高級工程師，主要研究方向：發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計(jì)。