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(jiàn)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(jiàn)圖1。
通過(guò)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(jiàn)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(lái)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(jiàn)。
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(jiàn)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(kāi)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(guò)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(guò)修理防磨帶或打磨轉(zhuǎn)子葉片的方法來(lái)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(jiàn)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(jiàn)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(lái)的相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)老齡化問(wèn)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(méi)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(lái)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)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(guò)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(niǎo)擊或其他外來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)TopCase,進(jìn)行葉片的更換。
航空公司應(yīng)通過(guò)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。
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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。