飛行校驗(yàn)特殊運(yùn)行環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控研究

■ 束宇/中國民用航空飛行校驗(yàn)中心

1 校驗(yàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)概況

近年來，通用航空逐漸成為國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。隨著通航飛機(jī)使用頻次的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)故障逐年增多，導(dǎo)致的通航事故率不斷上升。目前國內(nèi)通航飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用維護(hù)和性能分析水平仍然十分落后。我國空氣污染問題較為嚴(yán)重，導(dǎo)致通航飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美等通用航空發(fā)達(dá)國家的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷后，雖然短期內(nèi)仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能將產(chǎn)生重大影響，給運(yùn)營單位帶來巨大安全隱患。

校飛中心飛行性質(zhì)特殊，各種因素制約著發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行可靠性，發(fā)動(dòng)機(jī)的使用狀況較其他通航單位更為嚴(yán)峻。特殊的飛行條件和環(huán)境特點(diǎn)是影響校飛中心發(fā)動(dòng)機(jī)使用的一個(gè)重要因素。飛行校驗(yàn)任務(wù)的多數(shù)飛行高度處于低空污染物聚集區(qū)域，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中吸入各種污染物，污染物附著在發(fā)動(dòng)機(jī)各部件上，經(jīng)過高溫烘烤，造成發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部損傷。

飛行校驗(yàn)任務(wù)屬于邊緣性飛行和極限性飛行，這種飛行狀態(tài)嚴(yán)重?fù)p傷發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。低推力的通場(chǎng)后接大推力的復(fù)飛狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力高低來回變化，各熱部件之間的膨脹系數(shù)不一樣，造成熱部件長期處于伸縮變形的狀態(tài)。同時(shí)，校驗(yàn)飛行中經(jīng)常做大機(jī)動(dòng)性動(dòng)作、大角度轉(zhuǎn)彎、來回爬升下降高度，這些都會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損傷。

校驗(yàn)飛行不同于運(yùn)輸航空，沒有固定的航線安排，一次校驗(yàn)任務(wù)涉及多個(gè)機(jī)場(chǎng)，每個(gè)機(jī)場(chǎng)的外界環(huán)境不盡相同，沿海高鹽腐蝕、西北高沙塵、西南高海拔、南方高溫、北方極寒天氣等，各種環(huán)境因素輪番考驗(yàn)著發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。

本文選取校驗(yàn)飛行中的一段典型飛行作業(yè)時(shí)間，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作載荷譜進(jìn)行研究，從而建立第一級(jí)高壓渦輪葉片有限元模型，采用帶Morrow 平均應(yīng)力修正的Manson-Coffin 公式計(jì)算高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的低周循環(huán)疲勞壽命，同時(shí)利用Larson-Miller 方程計(jì)算葉片的蠕變持久壽命，并結(jié)合壽命－時(shí)間分?jǐn)?shù)法預(yù)測(cè)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的小時(shí)壽命。經(jīng)過計(jì)算，單位飛行小時(shí)內(nèi)校驗(yàn)飛行的發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)高壓渦輪葉片承受的疲勞－蠕變交互損傷大約是公務(wù)飛行發(fā)動(dòng)機(jī)的2.12倍；葉根處承受的疲勞－蠕變交互損傷大約是公務(wù)飛行發(fā)動(dòng)機(jī)的7.57 倍?？梢娦ｒ?yàn)飛行作業(yè)任務(wù)的特殊性是造成發(fā)動(dòng)機(jī)超溫的主要因素，長時(shí)間低空飛行、沿海飛行、沙塵和霧霾天氣飛行是造成發(fā)動(dòng)機(jī)超溫的次要因素。

由上述分析的葉片受力情況以及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部部件腐蝕損傷情況可知，如果只完成廠家維護(hù)手冊(cè)中發(fā)動(dòng)機(jī)維修計(jì)劃所要求的相關(guān)檢查條目和檢查時(shí)限，是無法完全滿足校驗(yàn)飛機(jī)運(yùn)行安全要求的，必須補(bǔ)充完善維修方案中發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)維護(hù)工作。必須建立一套適合自身運(yùn)行條件的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控體系，通過監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)、熱力和機(jī)械參數(shù)的變化，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，尋找潛在故障，并指出故障的原因、部位、程度和趨勢(shì)，根據(jù)不同的故障采取相應(yīng)措施，提前發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)源，將危險(xiǎn)狀態(tài)消滅在萌芽中。必須建立一套完善的發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)，從新發(fā)動(dòng)機(jī)出廠，到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，再到發(fā)動(dòng)機(jī)返廠修理，形成一個(gè)閉環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控程序。將發(fā)動(dòng)機(jī)管理從原來的技術(shù)文件結(jié)合可靠性管理的靜態(tài)管理模式，發(fā)展為以實(shí)際狀態(tài)趨勢(shì)為中心的動(dòng)態(tài)管理模式（如圖1 所示），對(duì)保障飛行安全、提高排故質(zhì)量和發(fā)動(dòng)機(jī)使用率、降低維修成本、防止發(fā)動(dòng)機(jī)失效或“空?！钡染哂兄卮笠饬x。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)維修管理模式變革

2 發(fā)動(dòng)機(jī)裕度監(jiān)控

由于部件老化磨損，發(fā)動(dòng)機(jī)性能狀態(tài)會(huì)隨使用時(shí)間的增加而持續(xù)下降，因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)重要參數(shù)進(jìn)行裕度計(jì)算和持續(xù)監(jiān)控是發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)控工作的核心。就普惠加拿大發(fā)動(dòng)機(jī)公司生產(chǎn)的小型發(fā)動(dòng)機(jī)來說，主要監(jiān)控渦輪級(jí)間溫度（ITT）和發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（N2）。ITT 對(duì)標(biāo)大型發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度（EGT）參數(shù)，其重要程度與EGT 相當(dāng)，是表征發(fā)動(dòng)機(jī)第一級(jí)高壓渦輪和第二級(jí)高壓渦輪之間的級(jí)間溫度。N2 的變化值決定發(fā)動(dòng)機(jī)的做功能力，可以較好地反映發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退情況。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)每次運(yùn)行都處于不同的環(huán)境、溫度、濕度、場(chǎng)壓，環(huán)境因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)會(huì)造成影響，每次得出的ITT 和N2 數(shù)值均不相同。為了計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)裕度，需要將每次發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)修正到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，即將ITT、N2 修正到對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)N1 推力的理想狀態(tài)下（公式如圖2 所示），形成ITT-N1 和N2-N1 的矩陣圖。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)修正公式

通過定期對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，將發(fā)動(dòng)機(jī)起飛推力下的參數(shù)記錄并代入標(biāo)準(zhǔn)修正值計(jì)算公式中，計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際ITT 和N2 對(duì)應(yīng)的修正值，通過計(jì)算與最大極限值的差值來確定ITT 和N2 的實(shí)際剩余裕度值。對(duì)每一次發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，制作裕度的變化曲線（見圖3），形成趨勢(shì)圖，就能夠掌握發(fā)動(dòng)機(jī)性能趨勢(shì)變化情況，在數(shù)值出現(xiàn)階躍變化時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)或故障隔離，找出變化原因，修正運(yùn)行異常狀態(tài)，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)ITT裕度圖

3 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控

通航飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的采集和數(shù)據(jù)下載都受到設(shè)計(jì)方式和軟硬件系統(tǒng)的制約。校飛中心根據(jù)多年的發(fā)動(dòng)機(jī)維修經(jīng)驗(yàn)，借鑒大型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)控要求，形成了一套獨(dú)特的監(jiān)控要素，對(duì)飛機(jī)空中運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)N2、ITT、燃油流量（WF）進(jìn)行監(jiān)控。通過定期下載這些數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)巡航高度發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)的篩選，應(yīng)用離散分析軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，將不同高度、不同運(yùn)行條件下的巡航數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)基準(zhǔn)線下，分析作圖形成變化趨勢(shì)曲線，如圖4 所示。根據(jù)空中巡航狀態(tài)時(shí)N2、ITT、WF 參數(shù)的不同變化組合，可以綜合判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退是出現(xiàn)在“冷段”還是在“熱段”。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)趨勢(shì)監(jiān)控圖

發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退無法通過故障指示或故障代碼直接獲知，需要結(jié)合具體現(xiàn)象并輔助孔探檢查等手段來確定不正常狀態(tài)的位置，進(jìn)而采取糾正發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退趨勢(shì)的措施。如此，原有的故障定檢模式就轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N動(dòng)態(tài)的、視情的發(fā)動(dòng)機(jī)維修模式，更有利于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)滑油消耗量監(jiān)控

發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)通過高溫高壓的循環(huán)滑油為各轉(zhuǎn)動(dòng)部件的軸承提供潤滑。軸承作為發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子的重要支撐部件，其運(yùn)轉(zhuǎn)的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的運(yùn)行穩(wěn)定性?；瓦€為發(fā)動(dòng)機(jī)附件齒輪箱中轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪提供潤滑，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)動(dòng)附件的正常工作。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一定量的滑油消耗是符合手冊(cè)要求的，但是如果短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)滑油消耗量異常突變，預(yù)示著發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)了滑油滲漏情況，可能是由軸承封嚴(yán)破損、軸承損壞、滑油管路滲漏、齒輪箱內(nèi)漏、附件齒輪箱封嚴(yán)損壞等造成的。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)穩(wěn)定工作，必須密切監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油消耗。

設(shè)立發(fā)動(dòng)機(jī)加注滑油的基準(zhǔn)加油值，在下次加注滑油時(shí)，記錄新加注滑油量和據(jù)上次加注滑油后的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間，代入換算公式，轉(zhuǎn)換成10h 標(biāo)準(zhǔn)滑油消耗值。將算出的每次加注滑油后的滑油消耗量匯總制作曲線圖，形成滑油消耗量變化趨勢(shì)圖，與手冊(cè)規(guī)定的滑油消耗量標(biāo)準(zhǔn)上限值進(jìn)行比較（如圖5 所示），從而實(shí)時(shí)了解發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的工作情況。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)滑油消耗量監(jiān)控圖

5 發(fā)動(dòng)機(jī)滑油油樣分析

發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)中磁堵和滑油濾的檢查工作一直以來都是例行維護(hù)工作。當(dāng)磁堵燈亮或出現(xiàn)滑油濾旁通指示時(shí)，往往已經(jīng)出現(xiàn)了滑油系統(tǒng)重要部件的損傷，甚至到了超標(biāo)需要換發(fā)的程度。為了了解滑油系統(tǒng)內(nèi)部部件的實(shí)際狀況，需要定期執(zhí)行滑油樣品檢測(cè)工作。通過拆下磁堵，按照標(biāo)準(zhǔn)程序放出并收集滑油，將滑油樣品送至普惠加拿大發(fā)動(dòng)機(jī)公司下轄的OAT 部門進(jìn)行樣品成分分析，分析內(nèi)容包括檢測(cè)油樣成分、確定損傷部位、確定危險(xiǎn)等級(jí)、提供處理建議等。通過油樣分析報(bào)告，可以定期了解發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)內(nèi)部損傷情況，確定后續(xù)重點(diǎn)監(jiān)控部位，制訂預(yù)防措施。

6 輔助完成發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控的其他維護(hù)工作

對(duì)于小型發(fā)動(dòng)機(jī)來說，孔探工作是一項(xiàng)視情工作，并不是強(qiáng)制的定檢項(xiàng)目。為了更好地了解發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部狀況，檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控工作的效果，校飛中心在維修方案中加入了發(fā)動(dòng)機(jī)定期孔探檢查工作，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高壓區(qū)域進(jìn)行定期孔探檢查，包括燃燒室、燃油噴嘴、高壓渦輪導(dǎo)向葉片、高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫?zé)岵考亩ㄆ诳滋綑z查，可以很好地了解各部件的實(shí)際狀況，對(duì)于分析ITT、N2、WF 的變化規(guī)律有很大幫助，同時(shí)也能找出發(fā)動(dòng)機(jī)裕度減少的相關(guān)原因。

孔探檢查還可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的嚴(yán)重污染。各級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)部件上長期積聚的大量污染物，在高溫烘烤下附著在關(guān)鍵表面或侵入葉片表面，會(huì)造成各級(jí)葉片不同程度的損傷，導(dǎo)致葉片間隙擴(kuò)大、發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、ITT 溫度升高、燃油消耗量增加、發(fā)動(dòng)機(jī)裕度明顯降低。同時(shí)，污染物進(jìn)入軸承封嚴(yán)將造成封嚴(yán)破裂漏油，進(jìn)一步降低了轉(zhuǎn)動(dòng)部件的使用壽命，不僅嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，加大耗油量，還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)核心件造成腐蝕，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性。

為了應(yīng)對(duì)低空飛行導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重污染情況，校飛中心在維修方案中加入定期清洗發(fā)動(dòng)機(jī)工作，包括壓氣機(jī)清洗、渦輪清洗和性能恢復(fù)清洗。

7 結(jié)束語

對(duì)于通用航空小型發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行的持續(xù)研究是通航飛機(jī)安全執(zhí)行作業(yè)的基礎(chǔ)，也是通航發(fā)展壯大的安全保證。加強(qiáng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能趨勢(shì)的監(jiān)控，結(jié)合安全管理體系（SMS），將安全關(guān)口前移，可有效防止發(fā)動(dòng)機(jī)失效或空停，充分體現(xiàn)了“預(yù)防維修為主、防范在先”的維修理念，是保證校飛中心持續(xù)安全運(yùn)營的重要手段。發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控和健康管理可提前檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)的異常狀態(tài)，由被動(dòng)式維修轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)防性維修，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的同時(shí)，有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的維修成本。通過發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控尋找校飛中心發(fā)動(dòng)機(jī)使用的典型特征，制訂客戶化的發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)方案，達(dá)到整體提升綜合維修能力、提高飛機(jī)出場(chǎng)使用率的目的，可以按時(shí)按量保障全國各機(jī)場(chǎng)、導(dǎo)航、通信等設(shè)施設(shè)備安全正常使用的需求，對(duì)保障民航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重大的戰(zhàn)略意義。