飛行校驗特殊運行環(huán)境下的發(fā)動機監(jiān)控研究

■ 束宇/中國民用航空飛行校驗中心

1 校驗飛機發(fā)動機概況

近年來，通用航空逐漸成為國家戰(zhàn)略新興產業(yè)。隨著通航飛機使用頻次的增加，發(fā)動機故障逐年增多，導致的通航事故率不斷上升。目前國內通航飛機發(fā)動機的使用維護和性能分析水平仍然十分落后。我國空氣污染問題較為嚴重，導致通航飛機發(fā)動機的運行壽命遠遠低于歐美等通用航空發(fā)達國家的飛機發(fā)動機使用壽命。發(fā)動機內部結構發(fā)生損傷后，雖然短期內仍能正常運轉，但是對發(fā)動機性能將產生重大影響，給運營單位帶來巨大安全隱患。

校飛中心飛行性質特殊，各種因素制約著發(fā)動機的安全運行可靠性，發(fā)動機的使用狀況較其他通航單位更為嚴峻。特殊的飛行條件和環(huán)境特點是影響校飛中心發(fā)動機使用的一個重要因素。飛行校驗任務的多數飛行高度處于低空污染物聚集區(qū)域，導致發(fā)動機運行中吸入各種污染物，污染物附著在發(fā)動機各部件上，經過高溫烘烤，造成發(fā)動機內部損傷。

飛行校驗任務屬于邊緣性飛行和極限性飛行，這種飛行狀態(tài)嚴重損傷發(fā)動機的壽命。低推力的通場后接大推力的復飛狀態(tài)，發(fā)動機推力高低來回變化，各熱部件之間的膨脹系數不一樣，造成熱部件長期處于伸縮變形的狀態(tài)。同時，校驗飛行中經常做大機動性動作、大角度轉彎、來回爬升下降高度，這些都會對發(fā)動機造成損傷。

校驗飛行不同于運輸航空，沒有固定的航線安排，一次校驗任務涉及多個機場，每個機場的外界環(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)境因素輪番考驗著發(fā)動機的安全運行。

本文選取校驗飛行中的一段典型飛行作業(yè)時間，對發(fā)動機工作載荷譜進行研究，從而建立第一級高壓渦輪葉片有限元模型，采用帶Morrow 平均應力修正的Manson-Coffin 公式計算高壓渦輪轉子葉片的低周循環(huán)疲勞壽命，同時利用Larson-Miller 方程計算葉片的蠕變持久壽命，并結合壽命－時間分數法預測高壓渦輪轉子葉片的小時壽命。經過計算，單位飛行小時內校驗飛行的發(fā)動機一級高壓渦輪葉片承受的疲勞－蠕變交互損傷大約是公務飛行發(fā)動機的2.12倍；葉根處承受的疲勞－蠕變交互損傷大約是公務飛行發(fā)動機的7.57 倍。可見校驗飛行作業(yè)任務的特殊性是造成發(fā)動機超溫的主要因素，長時間低空飛行、沿海飛行、沙塵和霧霾天氣飛行是造成發(fā)動機超溫的次要因素。

由上述分析的葉片受力情況以及發(fā)動機內部部件腐蝕損傷情況可知，如果只完成廠家維護手冊中發(fā)動機維修計劃所要求的相關檢查條目和檢查時限，是無法完全滿足校驗飛機運行安全要求的，必須補充完善維修方案中發(fā)動機的相關維護工作。必須建立一套適合自身運行條件的發(fā)動機監(jiān)控體系，通過監(jiān)控發(fā)動機氣動、熱力和機械參數的變化，對發(fā)動機狀態(tài)進行識別，尋找潛在故障，并指出故障的原因、部位、程度和趨勢，根據不同的故障采取相應措施，提前發(fā)現潛在的危險源，將危險狀態(tài)消滅在萌芽中。必須建立一套完善的發(fā)動機健康管理系統，從新發(fā)動機出廠，到發(fā)動機運行，再到發(fā)動機返廠修理，形成一個閉環(huán)的發(fā)動機監(jiān)控程序。將發(fā)動機管理從原來的技術文件結合可靠性管理的靜態(tài)管理模式，發(fā)展為以實際狀態(tài)趨勢為中心的動態(tài)管理模式（如圖1 所示），對保障飛行安全、提高排故質量和發(fā)動機使用率、降低維修成本、防止發(fā)動機失效或“空停”等具有重大意義。

圖1 發(fā)動機維修管理模式變革

2 發(fā)動機裕度監(jiān)控

由于部件老化磨損，發(fā)動機性能狀態(tài)會隨使用時間的增加而持續(xù)下降，因此，對發(fā)動機重要參數進行裕度計算和持續(xù)監(jiān)控是發(fā)動機性能監(jiān)控工作的核心。就普惠加拿大發(fā)動機公司生產的小型發(fā)動機來說，主要監(jiān)控渦輪級間溫度（ITT）和發(fā)動機高壓轉子轉速（N2）。ITT 對標大型發(fā)動機排氣溫度（EGT）參數，其重要程度與EGT 相當，是表征發(fā)動機第一級高壓渦輪和第二級高壓渦輪之間的級間溫度。N2 的變化值決定發(fā)動機的做功能力，可以較好地反映發(fā)動機性能衰退情況。

由于發(fā)動機每次運行都處于不同的環(huán)境、溫度、濕度、場壓，環(huán)境因素對發(fā)動機實際運行數據會造成影響，每次得出的ITT 和N2 數值均不相同。為了計算發(fā)動機裕度，需要將每次發(fā)動機的運行狀態(tài)修正到統一標準狀態(tài)下，即將ITT、N2 修正到對應標準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)動機參數修正公式

通過定期對發(fā)動機進行性能測試，將發(fā)動機起飛推力下的參數記錄并代入標準修正值計算公式中，計算得出標準狀態(tài)下發(fā)動機實際ITT 和N2 對應的修正值，通過計算與最大極限值的差值來確定ITT 和N2 的實際剩余裕度值。對每一次發(fā)動機性能測試的結果進行統計匯總，制作裕度的變化曲線（見圖3），形成趨勢圖，就能夠掌握發(fā)動機性能趨勢變化情況，在數值出現階躍變化時進行人工干預或故障隔離，找出變化原因，修正運行異常狀態(tài)，從而保證發(fā)動機始終處于正常運行狀態(tài)。

圖3 發(fā)動機ITT裕度圖

3 發(fā)動機運行狀態(tài)參數監(jiān)控

通航飛機發(fā)動機參數的采集和數據下載都受到設計方式和軟硬件系統的制約。校飛中心根據多年的發(fā)動機維修經驗，借鑒大型飛機發(fā)動機的監(jiān)控要求，形成了一套獨特的監(jiān)控要素，對飛機空中運行時發(fā)動機主要參數N2、ITT、燃油流量（WF）進行監(jiān)控。通過定期下載這些數據，經過對巡航高度發(fā)動機穩(wěn)定運行時相關數據的篩選，應用離散分析軟件進行標準化計算，將不同高度、不同運行條件下的巡航數據統一到一個基準線下，分析作圖形成變化趨勢曲線，如圖4 所示。根據空中巡航狀態(tài)時N2、ITT、WF 參數的不同變化組合，可以綜合判斷出發(fā)動機性能衰退是出現在“冷段”還是在“熱段”。

圖4 發(fā)動機參數趨勢監(jiān)控圖

發(fā)動機性能衰退無法通過故障指示或故障代碼直接獲知，需要結合具體現象并輔助孔探檢查等手段來確定不正常狀態(tài)的位置，進而采取糾正發(fā)動機性能衰退趨勢的措施。如此，原有的故障定檢模式就轉變?yōu)橐环N動態(tài)的、視情的發(fā)動機維修模式，更有利于發(fā)動機運行安全。

4 發(fā)動機滑油消耗量監(jiān)控

發(fā)動機滑油系統通過高溫高壓的循環(huán)滑油為各轉動部件的軸承提供潤滑。軸承作為發(fā)動機高壓轉子和低壓轉子的重要支撐部件，其運轉的好壞直接影響發(fā)動機轉動部件的運行穩(wěn)定性。滑油還為發(fā)動機附件齒輪箱中轉動的齒輪提供潤滑，以保證發(fā)動機各轉動附件的正常工作。

發(fā)動機運轉時一定量的滑油消耗是符合手冊要求的，但是如果短時間內出現滑油消耗量異常突變，預示著發(fā)動機內部出現了滑油滲漏情況，可能是由軸承封嚴破損、軸承損壞、滑油管路滲漏、齒輪箱內漏、附件齒輪箱封嚴損壞等造成的。為了保證發(fā)動機滑油系統穩(wěn)定工作，必須密切監(jiān)控發(fā)動機的滑油消耗。

設立發(fā)動機加注滑油的基準加油值，在下次加注滑油時，記錄新加注滑油量和據上次加注滑油后的發(fā)動機運行時間，代入換算公式，轉換成10h 標準滑油消耗值。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圖，與手冊規(guī)定的滑油消耗量標準上限值進行比較（如圖5 所示），從而實時了解發(fā)動機滑油系統的工作情況。

圖5 發(fā)動機滑油消耗量監(jiān)控圖

5 發(fā)動機滑油油樣分析

發(fā)動機滑油系統中磁堵和滑油濾的檢查工作一直以來都是例行維護工作。當磁堵燈亮或出現滑油濾旁通指示時，往往已經出現了滑油系統重要部件的損傷，甚至到了超標需要換發(fā)的程度。為了了解滑油系統內部部件的實際狀況，需要定期執(zhí)行滑油樣品檢測工作。通過拆下磁堵，按照標準程序放出并收集滑油，將滑油樣品送至普惠加拿大發(fā)動機公司下轄的OAT 部門進行樣品成分分析，分析內容包括檢測油樣成分、確定損傷部位、確定危險等級、提供處理建議等。通過油樣分析報告，可以定期了解發(fā)動機滑油系統內部損傷情況，確定后續(xù)重點監(jiān)控部位，制訂預防措施。

6 輔助完成發(fā)動機監(jiān)控的其他維護工作

對于小型發(fā)動機來說，孔探工作是一項視情工作，并不是強制的定檢項目。為了更好地了解發(fā)動機的內部狀況，檢驗發(fā)動機監(jiān)控工作的效果，校飛中心在維修方案中加入了發(fā)動機定期孔探檢查工作，對發(fā)動機高溫高壓區(qū)域進行定期孔探檢查，包括燃燒室、燃油噴嘴、高壓渦輪導向葉片、高壓渦輪轉子葉片。對發(fā)動機高溫熱部件的定期孔探檢查，可以很好地了解各部件的實際狀況，對于分析ITT、N2、WF 的變化規(guī)律有很大幫助，同時也能找出發(fā)動機裕度減少的相關原因。

孔探檢查還可以發(fā)現發(fā)動機內部的嚴重污染。各級轉動部件上長期積聚的大量污染物，在高溫烘烤下附著在關鍵表面或侵入葉片表面，會造成各級葉片不同程度的損傷，導致葉片間隙擴大、發(fā)動機功率下降、ITT 溫度升高、燃油消耗量增加、發(fā)動機裕度明顯降低。同時，污染物進入軸承封嚴將造成封嚴破裂漏油，進一步降低了轉動部件的使用壽命，不僅嚴重影響發(fā)動機性能，加大耗油量，還對發(fā)動機核心件造成腐蝕，嚴重影響發(fā)動機的安全性。

為了應對低空飛行導致的發(fā)動機嚴重污染情況，校飛中心在維修方案中加入定期清洗發(fā)動機工作，包括壓氣機清洗、渦輪清洗和性能恢復清洗。

7 結束語

對于通用航空小型發(fā)動機安全運行的持續(xù)研究是通航飛機安全執(zhí)行作業(yè)的基礎，也是通航發(fā)展壯大的安全保證。加強對發(fā)動機性能趨勢的監(jiān)控，結合安全管理體系（SMS），將安全關口前移，可有效防止發(fā)動機失效或空停，充分體現了“預防維修為主、防范在先”的維修理念，是保證校飛中心持續(xù)安全運營的重要手段。發(fā)動機監(jiān)控和健康管理可提前檢測到發(fā)動機的異常狀態(tài)，由被動式維修轉變?yōu)轭A防性維修，在保證發(fā)動機可靠性的同時，有效降低發(fā)動機的維修成本。通過發(fā)動機監(jiān)控尋找校飛中心發(fā)動機使用的典型特征，制訂客戶化的發(fā)動機維護方案，達到整體提升綜合維修能力、提高飛機出場使用率的目的，可以按時按量保障全國各機場、導航、通信等設施設備安全正常使用的需求，對保障民航產業(yè)的發(fā)展有著重大的戰(zhàn)略意義。