基于孔探標準化的發(fā)動機硬件健康管理

■ 張敦煜 何侃/中國南方航空股份有限公司

0 引言

航空公司采用多種方式對飛機發(fā)動機性能及狀態(tài)進行監(jiān)控，如EGT 裕度、振動、滑油、孔探檢查等。孔探檢查是發(fā)動機損傷控制最直觀、最重要的檢查手段之一。

孔探設備學名為工業(yè)內窺鏡，通過孔探設備可對發(fā)動機單元體內部損傷狀態(tài)進行檢查。常見的損傷缺陷包括裂紋、撕裂、燒蝕、積炭、材料丟失、外來物等。這些損傷會在不同程度上影響發(fā)動機性能、可靠性及燃油經(jīng)濟性，甚至導致空停。

飛機及發(fā)動機制造商在AMM 手冊中針對部件的損傷類型及損傷程度給出了詳盡的重復檢查及期限下發(fā)要求。航空公司依據(jù)手冊對發(fā)動機進行孔探，根據(jù)損傷結果制定對應檢查間隔，對發(fā)動機內部損傷持續(xù)監(jiān)控，直至下發(fā)。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 飛機下發(fā)統(tǒng)計

飛機下發(fā)分為計劃下發(fā)（SER）和非計劃下發(fā)（UER）兩大類。據(jù)統(tǒng)計，2018 年全球CFM56-5B、CFM56-7B 機隊非計劃下發(fā)率分別為50.13%和49.55%。非計劃下發(fā)給航空公司航班正常運營、機務保障、成本控制等均造成了沉重負擔。

通過對國內某大型航空公司2013年1 月至2019 年9 月下發(fā)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析（見圖1）發(fā)現(xiàn)，不論是計劃下發(fā)還是非計劃下發(fā)，孔探都是導致下發(fā)的主要影響因素。

1.2 孔探現(xiàn)狀

目前國內普遍采用Word、Excel 或非結構化系統(tǒng)對孔探檢查結果進行記錄，損傷描述不規(guī)范、記錄形式因人而異，且一般采用自然語言形式進行記錄，檢查報告僅作為結果記錄及事后跟蹤調查。由于沒有統(tǒng)一規(guī)范的損傷描述規(guī)則及結構化數(shù)據(jù)存儲方式，報告內容無法直接用于數(shù)據(jù)分析，測量數(shù)據(jù)可信度低，重復檢查項目前后連貫性不強，非計劃下發(fā)比例高。

某航空公司在對某臺CFM56-7B 發(fā)動機AOG停場換發(fā)原因的調查中發(fā)現(xiàn)，下發(fā)原因是由于HPT 葉片損傷測量不準確，誤將檢查間隔放寬，導致?lián)p傷擴展超標。從該臺發(fā)動機HPT 葉片孔探歷史統(tǒng)計圖（見圖2）不難看出，缺乏有效手段對孔探檢查的前后連貫性進行校驗也是該次停場換發(fā)的誘因之一。

圖1 國內某大型航空公司2013～2019年的下發(fā)統(tǒng)計

2 孔探的標準化、結構化

為解決上述問題，某航空公司自2017 年起開始對孔探檢查結果進行標準化、結構化記錄，并對孔探數(shù)據(jù)進行校驗、跟蹤、趨勢分析及可視化展示。

2.1 構建孔探檢查部件層次結構

為統(tǒng)一孔探檢查過程中發(fā)動機部件描述，需首先構建發(fā)動機孔探檢查部件層次結構。將發(fā)動機部件劃分為單元體、子單元體、部件和子部件四個層次，然后對照AMM 手冊中對發(fā)動機孔探檢查的文字說明，構建對應機型發(fā)動機的層次機構。以CFM56-7B 為例，該型發(fā)動機層次結構的大致表示如圖3 所示。

2.2 定義部件損傷描述模板

發(fā)動機部件結構復雜且工作環(huán)境惡劣，不同部位部件可能出現(xiàn)的損傷及同一損傷在不同部位需采集的數(shù)據(jù)及對應的標準不盡相同，因此需建立損傷模板，對不同部位的損傷進行定義及維護。

發(fā)動機損傷描述由定性、定位和定量三部分（簡稱“三定”）組成：定性是指對損傷具體類型、子類進行定義，定位是指對損傷具體位置進行定義，定量是指對損傷尺寸進行定義。

對CFM56-7B HPT 葉片裂紋而言，結合AMM 手冊規(guī)定，其定性、定位及定量模板信息如表1 所示。表1 所列模板內容在孔探報告制作頁面表現(xiàn)為下拉菜單或所需填寫的測量數(shù)據(jù)文本框，其具體表現(xiàn)形式見孔探檢查結果錄入部分。

2.3 孔探檢查結果錄入

部件檢查結果錄入由損傷“三定”信息和部件檢查結論兩部分組成，如圖4 所示。

損傷“三定”下拉菜單數(shù)據(jù)及要求的相關測量數(shù)據(jù)來自損傷模板定義部分。

部件檢查結論分為6 個等級，各等級相關解釋如下。

1）“Accept with No Further Action Required”表示部件上出現(xiàn)了損傷，損傷程度很小，無需采取進一步措施。

2）“Accept with Reduced BSI Interval”表示部件出現(xiàn)了損傷，損傷程度與上一次內窺檢查相比有進一步惡化，根據(jù)維修手冊要求需要縮短內窺重復檢查間隔。

3）“Accept with Continue BSI Interval”表示部件損傷與上一次內窺檢查結果相比沒有明顯惡化，尚未達到手冊要求的縮短內窺檢查的標準，采取和上一次內窺檢查一樣的重復檢查標準。

4）“Accept with CIS Limit”表示損傷比較嚴重，損傷尺寸達到了維護手冊要求的期限換發(fā)標準，需要按照手冊要求在規(guī)定的飛行循環(huán)/小時內完成換發(fā)工作。

5）“Reject”表示損傷嚴重，超出了手冊允許的損傷尺寸范圍，需要立即換發(fā)。

圖2 某臺CFM56-7B發(fā)動機HPT葉片孔探檢查歷史統(tǒng)計

圖3 CFM56-7B發(fā)動機層次結構

表1 HPT葉片裂紋“三定”示例

6）“To be Determined”表示損傷情況復雜，無法依據(jù)手冊標準給出對應結論，檢查結果結論待定，需要進一步與發(fā)動機制造商確定檢查結論。

除此以外，孔探人員還需填寫下次檢查的小時/循環(huán)間隔、對比損傷發(fā)展趨勢、上傳對應部件檢查照片等。

2.4 數(shù)據(jù)校驗

在提交孔探報告后，需對報告關鍵數(shù)據(jù)進行校驗，對損傷測量值和檢查間隔進行校驗。

若檢索發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中已存在該臺發(fā)動機在該部位的損傷描述，則將本份記錄與歷史記錄進行校驗，校驗不通過的損傷描述無法提交，需重新測量或修改上一次孔探檢查結果。校驗公式為：

其中，dn指本次檢查測量的損傷數(shù)據(jù)；dp指上次檢查測量的損傷數(shù)據(jù)；δ指損傷測量允許的誤差閾值，一般取值范圍為-8%～-5%。

同時，對本次孔探檢查結論中建議的重復檢查間隔與上次檢查結果進行對比，若本次孔探輸入的檢查間隔大于上次輸入的檢查間隔，則對工作者進行提醒，建議其對本次檢查間隔結論進行校驗。

通過以上數(shù)據(jù)的校驗，可有效提高孔探人員損傷測量的準確度，并保證重復檢查項目前后連貫，符合損傷發(fā)展一般規(guī)律。

3 發(fā)動機硬件健康管理

3.1 機隊健康狀況概覽

某航空公司機隊規(guī)模龐大，擁有各型發(fā)動機15 種，機隊規(guī)模超1400 臺，分布在全國20 家分子公司運營，因此需要一種有效的方法對各型發(fā)動機健康情況進行總體把控，并對健康狀況較差的發(fā)動機進行重點跟蹤。

根據(jù)部件損傷程度的不同，AMM手冊制定了對應的重復檢查及下發(fā)間隔，可以用檢查間隔來衡量發(fā)動機不同單元體及部件的健康程度。

圖4 部件檢查結果錄入頁面

首先， 根據(jù)AMM 手冊將發(fā)動機健康狀態(tài)分為重復檢查類（Repeat Inspection） 和規(guī)定期限內下發(fā)類（Continue In Service Limit）。重復檢查類是指單元體及部件沒有損傷或損傷并不嚴重，根據(jù)損傷情況及對應的手冊要求，需每隔一段時間對發(fā)動機對應單元體進行重復檢查以確認損傷有無擴展，若損傷進一步惡化，則需對檢查間隔進行縮短或在指定期限內下發(fā)。規(guī)定期限內下發(fā)類是指檢查發(fā)現(xiàn)單元體或部件損傷嚴重，已接近適航容許極限，需按手冊要求在規(guī)定的小時或循環(huán)內將發(fā)動機拆下。

其次，根據(jù)手冊內容對重復檢查類和規(guī)定期限內下發(fā)類進行細分。總體細分原則為按手冊提供的間隔進行定義。需要說明的是，工程師可根據(jù)實際工程管理需求，對間隔進行一定程度的改進，表2 所示為CFM56-7B 發(fā)動機可供參考的分類標準。

最后，基于結構化的孔探檢查結果及硬件健康狀態(tài)間隔標準表，統(tǒng)計當前各間隔標準下對應的發(fā)動機臺數(shù)及各單元體部件對應檢查間隔下的發(fā)動機臺數(shù)，如圖5 所示。

通過圖5 的機隊健康狀態(tài)概覽點擊對應單元格數(shù)字，可顯示出指定部件在對應檢查間隔下的發(fā)動機詳細信息清單列表，點擊列表中對應的發(fā)動機序號，可顯示該臺發(fā)動機損傷“三定”信息、檢查間隔及對應的孔探照片等。

3.2 單機健康管理

當發(fā)動機使用超過一定小時循環(huán)后，各單元體內部會出現(xiàn)不同程度的損傷，需對單臺發(fā)動機各單元體健康狀態(tài)進行有效監(jiān)控，因此有必要對不同型號的發(fā)動機進行建模，并利用孔探標準化數(shù)據(jù)對單元體健康狀態(tài)進行可視化展示。

首先，對AMM 手冊孔探檢查部分涉及的發(fā)動機單元體進行幾何建模，利用幾何模型構建發(fā)動機各單元體示意圖。

其次，利用面積百分比填充的方法表示對應單元體健康狀態(tài)。若單元體檢查正常，沒有損傷，則單元體幾何圖形100%填充；若單元體檢查發(fā)現(xiàn)缺陷，則按一定比例對單元體進行填充。總體填充原則為：損傷越嚴重填充比例越低，反之亦然。

表2 CFM56-7B發(fā)動機孔探硬件健康狀態(tài)間隔標準表

圖5 CFM56-7B發(fā)動機機隊健康狀態(tài)概覽

圖6 CFM56-7B發(fā)動機單機健康狀態(tài)展示

該部分具體實現(xiàn)效果如圖6 所示。根據(jù)手冊可知，CFM56-7B 發(fā)動機孔探涉及的單元體有LPC、HPC、CC、HPT、HPTN 和LPT。通過讀取孔探標準化數(shù)據(jù)庫中對應發(fā)動機的檢查間隔信息，將檢查間隔按面積百分比填充。該方式可直觀顯示對應發(fā)動機的健康狀態(tài)。

4 總結

通過對孔探報告錄入過程的標準化、結構化處理，可有效保證檢查結果的準確性及孔探檢查的前后連貫性。同時，由于實現(xiàn)了孔探檢查的全過程數(shù)字化，可直接從孔探標準化數(shù)據(jù)庫提取各維度數(shù)據(jù)。基于可視化工具，把握機隊總體健康狀態(tài)，重點關注監(jiān)控使用發(fā)動機各單元體檢查間隔及損傷發(fā)展趨勢，預測發(fā)動機下發(fā)時間，動態(tài)調整換發(fā)計劃，從而有效降低非計劃下發(fā)率。