大涵道比发动机可靠性特征及国产新机研制需关注的重点问题研究

邵传金 卢婷婷 单行健 王鹏

摘要：根据某大涵道比涡扇发动机运营可靠性统计数据，分析总结了商用发动机可靠性特征，梳理了典型故障及可靠性影响因素，提出了国产发动机研制需要关注的可靠性重点问题。

关键词：发动机可靠性；空停率；送修率；签派可靠度

Keywords：engine reliability；in-flight shut down rate；shop visit rate；dispatch reliability

0 引言

可靠性是航空发动机产品的重要指标之一。国外发动机的成功经验表明，研制阶段必须开展面向可靠性的设计，以可靠性需求为牵引，将可靠性理念贯穿于设计、制造、使用、维修保障的全壽命周期[1]。

国外大涵道比涡扇发动机经过近五十年的发展和积累，可靠性水平已达到平均送修间隔2～3万小时、空停率0.002次每千小时。市场用户对新型发动机的可靠性期望极高，国产发动机研制面临着巨大的可靠性挑战。

本文分析总结了某型大涵道比涡扇发动机的可靠性特征、典型故障模式及可靠性影响因素，从可靠性角度梳理国产发动机研制中需要关注的重点问题。

1 整机可靠性及故障原因统计

1.1 整机级可靠性统计

民用航空发动机常用的可靠性指标主要包括空停率、送修率、派遣率。表1为某型大涵道比涡扇发动机的运营可靠性统计。

表1的数据源自该型发动机5年期间的积累数据，机队总小时数为 74265253，总循环数为43029436。

空停率为每1000发动机飞行小时的空中停车次数；送修率为每1000发动机飞行小时的返厂修理次数；派遣率为每100次定期航班中正点离港的航班次数，也称签派可靠度；与派遣率相对应的是延误/取消率，指每100次定期航班中因发动机原因造成的航班延误或取消的次数[2，3]。根据延误取消次数及总循环数计算的派遣率约为99.98%。

下文进一步分析导致空停、送修、延误/取消的发动机故障原因。

1.2 空停原因统计

空停率是最受关注的发动机可靠性指标。如图1所示，导致发动机空停的原因包括：控制系统故障，轴承失效，硬件损伤，FOD（外来物损伤），监控参数超限，非发动机原因（虚警、维修差错、操作不当、飞机原因、其他人为因素、外界因素等）。

由图1可见，该型发动机空停原因呈现以下特点：

1）发动机空停原因中38%由控制系统故障导致。控制系统通过传感器监控发动机性能、温度、压力等状态参数，不可避免地会出现虚警或表征为控制系统故障的警告信息，进而导致飞行员根据事态严重程度按程序做出拉至慢车乃至关停发动机的操作。

2）非发动机原因是导致空停的主要原因之一。其中，约一半是因为维修差错，包括在人为因素、操作规范、操作程序、维修水平的影响下，维修操作中发生诸如连接件拧紧力矩不正确、安装差错、更换或安装过程中产生不平衡量引起振动等问题，导致部件系统失效，最终引起发动机空停。

3）轴承故障，特别是3号和4号轴承故障，也是导致空停的主要原因之一。

1.3 送修原因统计

送修指发动机本体因某种原因返厂修理，包括计划性返厂（如因发动机限寿件的寿命限制导致）和非计划性返厂（如发动机故障）。如图2所示，导致发动机送修的原因包括限寿件的到寿、高压涡轮部件失效、高压压气机部件失效以及低压涡轮部件失效等。

由图2可见，该型发动机送修原因呈现以下特点：

1）限寿件是送修首要原因，占比达30%以上。该型发动机限寿件的寿命限制值为17500循环以上，表明30%以上的发动机可在翼使用至17500循环，再以计划换发方式返厂修理。

2）限寿件在送修原因中占比越高，表明发动机本体的可靠性、耐久性越高。

3）本体部件（涡轮、压气机、燃烧室等）发生故障时无法在翼修理，将导致非计划送修，设计中应该重点关注本体部件的可靠性对发动机送修率的影响。

4）本体部件故障导致的送修远高于控制、燃油、滑油、起动、点火系统等，因为后者主要由LRU（航线可更换单元）组成，发生故障时可在翼修理、更换，一般不会导致换发。

1.4 延误取消原因统计

延误的判别依据是航班离港时间比计划时间延迟15min以上。成熟机型数据表明，航班延误取消主要由LRU故障引起。如图3所示，导致发动机延误取消的原因包括：控制系统、燃油系统、起动系统、滑油系统、点火系统等系统组件的失效。FOD也是导致发动机延误取消的原因之一。

由图3可见，该型发动机延误取消原因呈现以下特点：

1）控制、燃油、起动、滑油、点火、排气与反推、附件传动系统故障是导致延误取消的主要原因，这些子系统中包含绝大部分的LRU。

2）LRU发生故障时，如不能在规定时间内完成在翼修理，将导致航班延误或取消。

3）子系统故障在延误取消原因中占比很高，新机研制时应重点关注子系统故障对延误取消率的影响。

4）风扇部件故障也会导致延误取消，因为风扇叶片、风扇叶片垫板、风扇叶片锁紧块等均为LRU。

2 整机及部件系统可靠性特征

2.1 整机可靠性统计特征

为研究发动机整机可靠性统计特征，收集5800台某型发动机在翼时间数据，包括1600台发动机首次送修时间频数统计（见图4）和4200台自新装机后始终在翼工作的发动机运行时间统计。采用威布尔分析[4]，建立一个双参数威布尔模型，形状参数β的估计值为2.23，尺度参数η（特征寿命）的估计值为36730h，表明在此寿命值（即发动机工作时间）前首次送修的发动机比例为63.2%。概率密度函数如图5所示。

结果表明，形状参数大于1，发动机送修时间不服从指数分布（指数分布的特征是形状参数β=1）。据此可推断发动机非計划送修时间和使用寿命均不服从指数分布，即失效率非常数。此结论对发动机可靠性建模及失效概率预测的准确性有关键影响。

2.2 部件可靠性统计特征

根据机队运行可靠性数据，进一步对发动机部件可靠性特征进行分析。首先分析对发动机可靠性有重要影响的高压涡轮和高压压气机两大部件（单元体）。如图6、图7所示，在高压压气机（HPC）故障导致的发动机送修原因中，51%为转静子碰摩，32%为压气机叶片损伤；在高压涡轮（HPT）故障导致的发动机送修原因中，78%为涡轮叶片损伤、断裂，16%为高压涡轮导向器损伤。

2.3 燃油及控制系统可靠性统计特征

图3表明发动机燃油及控制系统对延误/取消率影响显著。根据机队延误/取消统计数据，进一步分析燃油及控制系统的故障原因，结果如图8、图9所示。FADEC/ECU、HPTACC活门、HMU、VBV是导致控制系统故障的主要原因，燃油渗漏、燃油滤堵塞、燃油泵、燃油管路、燃油阀是导致燃油系统故障的主要原因。

3 国产发动机研制需关注的重点问题

民用航空发动机主要采用空停率、送修率、派遣率三项指标评估发动机的可靠性，因此国产发动机研制应重点关注这三大指标及其影响因素。

成熟机型可靠性统计特征表明：

1）控制系统故障是发动机空停的首要原因（见图1）；

2）本体零部件故障是影响发送机送修率的主要原因（见图2）；

3）LRU故障是影响派遣率的主要原因（见图3）；

4）大多数的发动机故障是由少部分零组件导致的；

5）发动机本体在翼使用寿命不服从指数分布，而是服从形状参数大于2的威布尔分布（见图4、图5）。

为进一步分析发动机可靠性影响因素，将发动机送修原因及延误/取消原因细分至零组件级，如图10、图11和表2所示，印证了前述结论，同时提供了故障率高的发动机本体零组件、LRU及主要故障模式清单。

根据成熟机型运营可靠性统计数据，梳理总结出发动机易故障件/主要故障模式清单如下：

1）高压涡轮：叶片、导向器、罩环；

2）低压涡轮：叶片、导向器、罩环；

3）高压压气机：转静子碰摩、叶片损伤、叶片侵蚀；

4）风扇：叶片FOD；

5）控制系统：HPTACC活门、ECU、HMU、VSV机构、VBV机构；

6）燃油系统：燃油泄漏、燃油滤堵塞、燃油泵、燃油阀、燃滑油热交换器；

7）滑油系统：滑油泄漏、滑油滤堵塞；

8）起动系统：起动机活门、起动机；

9）点火系统：点火器烧蚀。

成熟机型经验及可靠性数据表明，发动机故障主要由少部分零件引起。可靠性工作应聚焦以上所述重点问题，关注典型故障模式及故障率高的零组件。

4 结束语

通过对某成熟机型运营可靠性特征进行分析，归纳总结了民用发动机可靠性指标及影响因素，目的是为国产发动机定义可靠性要求，合理分配可靠性指标，并对需重点关注的可靠性问题提供指导。本文所讨论的发动机可靠性特征、典型故障及统计规律等对国产新机的可靠性工作有重要参考价值。

参考文献

[1]李伟，夏爱国，何竣. 发动机研制中可靠性工作的总体思路和方法研究[J]. 航空工程进展，2012（1）：87-91.

[2] 王德明. 航空发动机外场可靠性信息及可靠性研究[D]. 长春：吉林大学，2005.

[3] 蔡娜，贾广生，徐风磊. 航空发动机可靠性参数体系选择和指标确定的初步探讨[J]. 科技信息，2007.

[4] E V Zaretsky，R C Hendricks，S Soditus. Weibull-Based Design Methodology for Rotating Structures in Aircraft Engines [J]. International Journal of Rotating Machinery，2007，9（5）：313-325.

作者简介

邵传金，工程师，主要研究方向：发动机可靠性与维修性设计。

卢婷婷，主管工程师，主要研究方向：发动机可靠性与维修性设计。

单行健，主管工程师，主要研究方向：发动机可靠性设计。

王鹏，研究员级高级工程师，主要研究方向：发动机可靠性设计。