淺談CFM56-3老齡發(fā)動(dòng)機(jī)孔探檢查及其工程管理

韓世進(jìn) 常城

摘要：相較于新發(fā)動(dòng)機(jī)，老齡發(fā)動(dòng)機(jī)的工程管理工作應(yīng)該受到更多的重視，對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)成本、提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性有更加明顯的效果。本文主要從CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)的孔探檢查入手，分析老齡發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的常見裂紋損傷及其成因，并進(jìn)一步探討發(fā)動(dòng)機(jī)的工程管理措施。

關(guān)鍵詞：高壓壓氣機(jī)；孔探檢查；工程管理

Keywords：high pressure compressor；borescope inspection；engineering management

0 引言

CFM56-3系列發(fā)動(dòng)機(jī)是CFMI公司研發(fā)的一款高涵道比、雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，專門為波音737設(shè)計(jì)，推力介于18500～23500磅之間。

隨著波音737CL系列飛機(jī)逐漸退出客運(yùn)市場(chǎng)，現(xiàn)國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)的都是比較老舊的貨機(jī)。作為該型飛機(jī)的動(dòng)力，CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)也已經(jīng)步入老齡化。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)日益老舊，其維護(hù)和運(yùn)行成本也逐漸升高。因此，制定合理的發(fā)動(dòng)機(jī)工程管理策略顯得尤為重要。

1 2020年發(fā)動(dòng)機(jī)孔探檢查狀況

2020年飛機(jī)定檢維護(hù)中，CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)在孔探檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)損傷的比例有明顯上升趨勢(shì)。截止到12月份，我公司2020年共完成例行的發(fā)動(dòng)機(jī)孔探檢查工作44臺(tái)，其中損傷超標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)有15臺(tái)，約占總數(shù)的34%。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，損傷的15臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)全部為高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片損傷，有的只有一級(jí)葉片有損傷，有的多級(jí)葉片都有損傷。如果僅統(tǒng)計(jì)包含壓氣機(jī)檢查的發(fā)動(dòng)機(jī)（36臺(tái)），不考慮燃燒室和渦輪，則葉片損傷超標(biāo)的比例高達(dá)42%。

發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)檢查結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)詳見圖1。

通過對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，超標(biāo)的損傷多見于前四級(jí)的葉片（該型發(fā)動(dòng)機(jī)共九級(jí)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片），損傷的前四級(jí)葉片中又以第一級(jí)葉片居多，約占總損傷的2/3上。第一級(jí)葉片除裂紋損傷外，還有部分是外來物導(dǎo)致的凹坑、撕裂等損傷；其后各級(jí)轉(zhuǎn)子葉片則主要為裂紋損傷，其他損傷很少見。

轉(zhuǎn)子葉片的裂紋損傷一般位于葉尖部分，并沿著發(fā)動(dòng)機(jī)徑向向葉片的根部延伸。通常，裂紋可以從葉片的葉盆和葉背兩個(gè)方向觀察到。個(gè)別擴(kuò)展較小的裂紋僅可以從單面觀察到，另一面則非常微小，不易觀察。

典型的裂紋損傷詳見圖2和圖3。

個(gè)別發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行葉片修理或更換時(shí)發(fā)現(xiàn)了更多的超標(biāo)裂紋（與孔探發(fā)現(xiàn)的數(shù)量相比）。一方面是因?yàn)槿~片表面積聚的灰塵較多，孔探時(shí)遮蔽了裂紋，但更主要的是，相比于發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)打開時(shí)的狀態(tài)，孔探檢查時(shí)的光線不夠充分。另外，這也與孔探設(shè)備的型號(hào)以及孔探人員的經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系。

2 孔探檢查的結(jié)果分析

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片裂紋損傷，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)手冊(cè)及發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的技術(shù)咨詢答復(fù)，主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1 葉片裂紋損傷的成因

從葉片裂紋的損傷狀態(tài)判斷，裂紋多是因?yàn)檗D(zhuǎn)子葉片與靜子機(jī)匣間隙過小，兩者相互摩擦、刮碰造成的。

為保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能，減少其功率損失，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片與靜子機(jī)匣的理論間隙是越小越好，但如果間隙太小，發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)就有相互刮碰的風(fēng)險(xiǎn)，因此需對(duì)間隙嚴(yán)格控制。發(fā)動(dòng)機(jī)維修廠主要通過修理防磨帶或打磨轉(zhuǎn)子葉片的方法來控制此間隙。

雖然每次發(fā)動(dòng)機(jī)大修后，葉片與靜子機(jī)匣的間隙會(huì)控制在正常范圍內(nèi)，但是因發(fā)動(dòng)機(jī)老舊，運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)動(dòng)機(jī)的性能衰退較快，需要更高的轉(zhuǎn)速才能達(dá)到相同的推力要求，高轉(zhuǎn)速的同時(shí)就伴隨著更高的核心機(jī)溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片長(zhǎng)期處于高熱和高轉(zhuǎn)速環(huán)境下，會(huì)產(chǎn)生更大的蠕變，導(dǎo)致葉片與靜子機(jī)匣的間隙縮小，發(fā)生刮碰。

機(jī)械蠕變和熱蠕變只是可能導(dǎo)致葉片刮碰的因素中較常見的一種，還有其他諸多因素可能導(dǎo)致發(fā)生刮碰，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子/靜子葉片的打磨尺寸、葉片的偏心狀態(tài)，飛機(jī)的硬著陸、機(jī)動(dòng)載荷等因素。葉片如果發(fā)生刮碰，通常只需要1～2次就可造成可見的裂紋，并不一定是長(zhǎng)期積累的結(jié)果。

另外，裂紋的出現(xiàn)還與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的可靠性相關(guān)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分葉片在裝機(jī)時(shí)并不是新葉片，而是翻修件。航空公司出于成本考慮會(huì)在飛機(jī)上使用一些翻修件，雖然可滿足適航性要求，但其性能和可靠性與新部件有一定差距。如果使用了此類部件，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，必要時(shí)應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)控，評(píng)估翻修葉片的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

2.2 葉片裂紋損傷與使用時(shí)間的關(guān)聯(lián)

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)裂紋損傷的發(fā)動(dòng)機(jī)總飛行小時(shí)基本都在45000FH以上，這是由波音737CL飛機(jī)老齡化帶來的相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)老齡化問題。發(fā)現(xiàn)缺陷的發(fā)動(dòng)機(jī)距上次大修出廠的飛行小時(shí)數(shù)沒有明顯規(guī)律可循，廣泛分布于4000～10000FH區(qū)間范圍內(nèi)。

可以看出，裂紋出現(xiàn)的時(shí)間與發(fā)動(dòng)機(jī)總循環(huán)呈高度相關(guān)性，但與發(fā)動(dòng)機(jī)翻修后的使用循環(huán)的相關(guān)性較低。發(fā)動(dòng)機(jī)上有很多壽命件，到達(dá)固定時(shí)限后必須報(bào)廢。但轉(zhuǎn)子葉片并不是具有硬時(shí)限的壽命件，因此并不會(huì)在特定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行整套更換。一個(gè)葉片如果檢查正常，就會(huì)一直處于服役狀態(tài)。但長(zhǎng)時(shí)間工作在惡劣條件下的葉片，其材料性能將有所衰退，易出現(xiàn)裂紋。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)工程管理

良好的工程管理可以為發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的平衡帶來巨大收益，老齡發(fā)動(dòng)機(jī)尤甚。除應(yīng)特別關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)的孔探檢查外，發(fā)動(dòng)機(jī)的工程管理還應(yīng)該重點(diǎn)從以下幾方面入手。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)大修記錄的管理

發(fā)動(dòng)機(jī)大修記錄的管理主要是指對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型記錄、AD執(zhí)行記錄、重要部件更換記錄等一系列的維修文件的管理。老齡發(fā)動(dòng)機(jī)在維修上的主要特點(diǎn)是維修次數(shù)多，而且部件構(gòu)型相對(duì)比較復(fù)雜，維修過程中對(duì)重要部件的構(gòu)型控制難度較大。

老齡發(fā)動(dòng)機(jī)維修記錄的管理，需要根據(jù)老齡發(fā)動(dòng)機(jī)自身零部件構(gòu)型復(fù)雜的特點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)修理報(bào)告中重要零件構(gòu)型清單的管理，以方便發(fā)動(dòng)機(jī)工程師掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)型以及后期的有效控制。

發(fā)動(dòng)機(jī)工程師在必要時(shí)應(yīng)該全程跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)大修情況，掌握重要零部件維修的全過程。對(duì)于因?yàn)槌杀驹蜻x擇安裝的舊部件，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)評(píng)估，使用中應(yīng)加強(qiáng)管控，確保其能穩(wěn)定、有效地運(yùn)行。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的裕度恢復(fù)時(shí)，應(yīng)同時(shí)兼顧葉片與機(jī)匣的間隙問題。若間隙較小，則發(fā)動(dòng)機(jī)裕度會(huì)較大，但葉片易與機(jī)匣刮擦，使維修成本上升；若間隙較大，則發(fā)動(dòng)機(jī)裕度會(huì)較小，使油耗增加，造成運(yùn)營(yíng)成本上升。航空公司應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)維修廠家和制造商加強(qiáng)溝通，制定更加精準(zhǔn)的針對(duì)老齡發(fā)動(dòng)機(jī)葉片間隙的控制方案。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控

發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控主要是指對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的熱力學(xué)參數(shù)、機(jī)械參數(shù)的監(jiān)控，包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、EGT裕度、滑油消耗、振動(dòng)狀態(tài)和磁屑信息等。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的監(jiān)控，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析。這是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工程管理的基礎(chǔ)，通過直接檢查或間接分析的方法可及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的異常。

除對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控外，孔探檢查也是一種比較有效的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控手段。孔探檢查本質(zhì)上是一種目視檢查方法，可以直接發(fā)現(xiàn)缺陷。許多根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)異常分析得出的可能損傷都需要通過孔探檢查進(jìn)行確認(rèn)，然后再采取進(jìn)一步的糾正措施。發(fā)動(dòng)機(jī)不僅需要例行的孔探檢查，在遇鳥擊或其他外來物損傷等突發(fā)事件中借助孔探手段可以較為準(zhǔn)確地判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的適航狀態(tài)。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的維護(hù)與檢查，波音公司在其維修計(jì)劃文件（MPD）中給出了一系列的孔探檢查任務(wù)，包括高壓渦輪和燃燒室，但缺少高壓壓氣機(jī)的檢查任務(wù)。根據(jù)各航空公司和維修廠的經(jīng)驗(yàn)，建議將高壓壓氣機(jī)孔探檢查任務(wù)加入維修方案中，檢查間隔可暫定為4000FH。后續(xù)，應(yīng)通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用狀態(tài)的監(jiān)控與分析，合理增加或減少維護(hù)任務(wù)或者改變維護(hù)任務(wù)的間隔。

3.3 拓展發(fā)動(dòng)機(jī)的在翼修理手段

相比于車間修理，發(fā)動(dòng)機(jī)的在翼修理的主要優(yōu)勢(shì)是維修費(fèi)用低、周期短，可最大限度地保證飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)需求。因此，航空公司應(yīng)盡可能拓展發(fā)動(dòng)機(jī)的在翼修理能力，減少車間修理次數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在翼修理的主要方式是在翼打磨修理和TopCase修理。對(duì)于較小的裂紋損傷，可以通過孔探檢查的口蓋接近，對(duì)葉片進(jìn)行在翼打磨，延長(zhǎng)其使用時(shí)間。針對(duì)葉片打磨修理過的發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)加強(qiáng)管控，可適當(dāng)縮短孔探檢查間隔并擇機(jī)進(jìn)行葉片更換。對(duì)于超出打磨修理限制的葉片，則需要拆除大量的發(fā)動(dòng)機(jī)外圍附件，打開TopCase，進(jìn)行葉片的更換。

航空公司應(yīng)通過合理的工程管理，盡量在葉片裂紋擴(kuò)展的早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋，這樣就可以用最簡(jiǎn)單、成本最低的方式進(jìn)行葉片的在翼打磨修理。裂紋的早期發(fā)現(xiàn)主要依賴于合理的維護(hù)計(jì)劃的制定。航空公司應(yīng)以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，合理優(yōu)化并固定發(fā)動(dòng)機(jī)孔探檢查的間隔，盡量減少發(fā)動(dòng)機(jī)的非計(jì)劃換發(fā)，降低對(duì)飛機(jī)運(yùn)營(yíng)的影響。

4 總結(jié)

發(fā)動(dòng)機(jī)維修價(jià)格昂貴，在整個(gè)飛機(jī)維修中占比很大，尤其是老齡發(fā)動(dòng)機(jī)，營(yíng)運(yùn)人應(yīng)投入更多的精力對(duì)其進(jìn)行工程管理。這是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，需要發(fā)動(dòng)機(jī)營(yíng)運(yùn)人、生產(chǎn)商和修理廠等多方面的共同努力、協(xié)作，不斷優(yōu)化工程管理策略。良好的發(fā)動(dòng)機(jī)工程管理應(yīng)以保證發(fā)動(dòng)機(jī)適航性為基礎(chǔ)，在其維修成本和運(yùn)營(yíng)成本之間找到合理的平衡，使總成本趨于最低。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

韓世進(jìn)，工程師，主要負(fù)責(zé)CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)的工程管理及技術(shù)支援工作。

常城，高級(jí)工程師，主要負(fù)責(zé)CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)的工程管理及技術(shù)支援管理工作。