基于孔探标准化的发动机硬件健康管理

■ 张敦煜 何侃/中国南方航空股份有限公司

0 引言

航空公司采用多种方式对飞机发动机性能及状态进行监控，如EGT 裕度、振动、滑油、孔探检查等。孔探检查是发动机损伤控制最直观、最重要的检查手段之一。

孔探设备学名为工业内窥镜，通过孔探设备可对发动机单元体内部损伤状态进行检查。常见的损伤缺陷包括裂纹、撕裂、烧蚀、积炭、材料丢失、外来物等。这些损伤会在不同程度上影响发动机性能、可靠性及燃油经济性，甚至导致空停。

飞机及发动机制造商在AMM 手册中针对部件的损伤类型及损伤程度给出了详尽的重复检查及期限下发要求。航空公司依据手册对发动机进行孔探，根据损伤结果制定对应检查间隔，对发动机内部损伤持续监控，直至下发。

1 现状分析

1.1 飞机下发统计

飞机下发分为计划下发（SER）和非计划下发（UER）两大类。据统计，2018 年全球CFM56-5B、CFM56-7B 机队非计划下发率分别为50.13%和49.55%。非计划下发给航空公司航班正常运营、机务保障、成本控制等均造成了沉重负担。

通过对国内某大型航空公司2013年1 月至2019 年9 月下发数据的统计分析（见图1）发现，不论是计划下发还是非计划下发，孔探都是导致下发的主要影响因素。

1.2 孔探现状

目前国内普遍采用Word、Excel 或非结构化系统对孔探检查结果进行记录，损伤描述不规范、记录形式因人而异，且一般采用自然语言形式进行记录，检查报告仅作为结果记录及事后跟踪调查。由于没有统一规范的损伤描述规则及结构化数据存储方式，报告内容无法直接用于数据分析，测量数据可信度低，重复检查项目前后连贯性不强，非计划下发比例高。

某航空公司在对某台CFM56-7B 发动机AOG停场换发原因的调查中发现，下发原因是由于HPT 叶片损伤测量不准确，误将检查间隔放宽，导致损伤扩展超标。从该台发动机HPT 叶片孔探历史统计图（见图2）不难看出，缺乏有效手段对孔探检查的前后连贯性进行校验也是该次停场换发的诱因之一。

图1 国内某大型航空公司2013～2019年的下发统计

2 孔探的标准化、结构化

为解决上述问题，某航空公司自2017 年起开始对孔探检查结果进行标准化、结构化记录，并对孔探数据进行校验、跟踪、趋势分析及可视化展示。

2.1 构建孔探检查部件层次结构

为统一孔探检查过程中发动机部件描述，需首先构建发动机孔探检查部件层次结构。将发动机部件划分为单元体、子单元体、部件和子部件四个层次，然后对照AMM 手册中对发动机孔探检查的文字说明，构建对应机型发动机的层次机构。以CFM56-7B 为例，该型发动机层次结构的大致表示如图3 所示。

2.2 定义部件损伤描述模板

发动机部件结构复杂且工作环境恶劣，不同部位部件可能出现的损伤及同一损伤在不同部位需采集的数据及对应的标准不尽相同，因此需建立损伤模板，对不同部位的损伤进行定义及维护。

发动机损伤描述由定性、定位和定量三部分（简称“三定”）组成：定性是指对损伤具体类型、子类进行定义，定位是指对损伤具体位置进行定义，定量是指对损伤尺寸进行定义。

对CFM56-7B HPT 叶片裂纹而言，结合AMM 手册规定，其定性、定位及定量模板信息如表1 所示。表1 所列模板内容在孔探报告制作页面表现为下拉菜单或所需填写的测量数据文本框，其具体表现形式见孔探检查结果录入部分。

2.3 孔探检查结果录入

部件检查结果录入由损伤“三定”信息和部件检查结论两部分组成，如图4 所示。

损伤“三定”下拉菜单数据及要求的相关测量数据来自损伤模板定义部分。

部件检查结论分为6 个等级，各等级相关解释如下。

1）“Accept with No Further Action Required”表示部件上出现了损伤，损伤程度很小，无需采取进一步措施。

2）“Accept with Reduced BSI Interval”表示部件出现了损伤，损伤程度与上一次内窥检查相比有进一步恶化，根据维修手册要求需要缩短内窥重复检查间隔。

3）“Accept with Continue BSI Interval”表示部件损伤与上一次内窥检查结果相比没有明显恶化，尚未达到手册要求的缩短内窥检查的标准，采取和上一次内窥检查一样的重复检查标准。

4）“Accept with CIS Limit”表示损伤比较严重，损伤尺寸达到了维护手册要求的期限换发标准，需要按照手册要求在规定的飞行循环/小时内完成换发工作。

5）“Reject”表示损伤严重，超出了手册允许的损伤尺寸范围，需要立即换发。

图2 某台CFM56-7B发动机HPT叶片孔探检查历史统计

图3 CFM56-7B发动机层次结构

表1 HPT叶片裂纹“三定”示例

6）“To be Determined”表示损伤情况复杂，无法依据手册标准给出对应结论，检查结果结论待定，需要进一步与发动机制造商确定检查结论。

除此以外，孔探人员还需填写下次检查的小时/循环间隔、对比损伤发展趋势、上传对应部件检查照片等。

2.4 数据校验

在提交孔探报告后，需对报告关键数据进行校验，对损伤测量值和检查间隔进行校验。

若检索发现数据库中已存在该台发动机在该部位的损伤描述，则将本份记录与历史记录进行校验，校验不通过的损伤描述无法提交，需重新测量或修改上一次孔探检查结果。校验公式为：

其中，dn指本次检查测量的损伤数据；dp指上次检查测量的损伤数据；δ指损伤测量允许的误差阈值，一般取值范围为-8%～-5%。

同时，对本次孔探检查结论中建议的重复检查间隔与上次检查结果进行对比，若本次孔探输入的检查间隔大于上次输入的检查间隔，则对工作者进行提醒，建议其对本次检查间隔结论进行校验。

通过以上数据的校验，可有效提高孔探人员损伤测量的准确度，并保证重复检查项目前后连贯，符合损伤发展一般规律。

3 发动机硬件健康管理

3.1 机队健康状况概览

某航空公司机队规模庞大，拥有各型发动机15 种，机队规模超1400 台，分布在全国20 家分子公司运营，因此需要一种有效的方法对各型发动机健康情况进行总体把控，并对健康状况较差的发动机进行重点跟踪。

根据部件损伤程度的不同，AMM手册制定了对应的重复检查及下发间隔，可以用检查间隔来衡量发动机不同单元体及部件的健康程度。

图4 部件检查结果录入页面

首先， 根据AMM 手册将发动机健康状态分为重复检查类（Repeat Inspection） 和规定期限内下发类（Continue In Service Limit）。重复检查类是指单元体及部件没有损伤或损伤并不严重，根据损伤情况及对应的手册要求，需每隔一段时间对发动机对应单元体进行重复检查以确认损伤有无扩展，若损伤进一步恶化，则需对检查间隔进行缩短或在指定期限内下发。规定期限内下发类是指检查发现单元体或部件损伤严重，已接近适航容许极限，需按手册要求在规定的小时或循环内将发动机拆下。

其次，根据手册内容对重复检查类和规定期限内下发类进行细分。总体细分原则为按手册提供的间隔进行定义。需要说明的是，工程师可根据实际工程管理需求，对间隔进行一定程度的改进，表2 所示为CFM56-7B 发动机可供参考的分类标准。

最后，基于结构化的孔探检查结果及硬件健康状态间隔标准表，统计当前各间隔标准下对应的发动机台数及各单元体部件对应检查间隔下的发动机台数，如图5 所示。

通过图5 的机队健康状态概览点击对应单元格数字，可显示出指定部件在对应检查间隔下的发动机详细信息清单列表，点击列表中对应的发动机序号，可显示该台发动机损伤“三定”信息、检查间隔及对应的孔探照片等。

3.2 单机健康管理

当发动机使用超过一定小时循环后，各单元体内部会出现不同程度的损伤，需对单台发动机各单元体健康状态进行有效监控，因此有必要对不同型号的发动机进行建模，并利用孔探标准化数据对单元体健康状态进行可视化展示。

首先，对AMM 手册孔探检查部分涉及的发动机单元体进行几何建模，利用几何模型构建发动机各单元体示意图。

其次，利用面积百分比填充的方法表示对应单元体健康状态。若单元体检查正常，没有损伤，则单元体几何图形100%填充；若单元体检查发现缺陷，则按一定比例对单元体进行填充。总体填充原则为：损伤越严重填充比例越低，反之亦然。

表2 CFM56-7B发动机孔探硬件健康状态间隔标准表

图5 CFM56-7B发动机机队健康状态概览

图6 CFM56-7B发动机单机健康状态展示

该部分具体实现效果如图6 所示。根据手册可知，CFM56-7B 发动机孔探涉及的单元体有LPC、HPC、CC、HPT、HPTN 和LPT。通过读取孔探标准化数据库中对应发动机的检查间隔信息，将检查间隔按面积百分比填充。该方式可直观显示对应发动机的健康状态。

4 总结

通过对孔探报告录入过程的标准化、结构化处理，可有效保证检查结果的准确性及孔探检查的前后连贯性。同时，由于实现了孔探检查的全过程数字化，可直接从孔探标准化数据库提取各维度数据。基于可视化工具，把握机队总体健康状态，重点关注监控使用发动机各单元体检查间隔及损伤发展趋势，预测发动机下发时间，动态调整换发计划，从而有效降低非计划下发率。