浅谈CFM56-3老龄发动机孔探检查及其工程管理

韩世进 常城

摘要：相较于新发动机，老龄发动机的工程管理工作应该受到更多的重视，对降低发动机维护成本、提高发动机可靠性有更加明显的效果。本文主要从CFM56-3发动机的孔探检查入手，分析老龄发动机转子叶片的常见裂纹损伤及其成因，并进一步探讨发动机的工程管理措施。

关键词：高压压气机；孔探检查；工程管理

Keywords：high pressure compressor；borescope inspection；engineering management

0 引言

CFM56-3系列发动机是CFMI公司研发的一款高涵道比、双转子涡扇发动机，专门为波音737设计，推力介于18500～23500磅之间。

随着波音737CL系列飞机逐渐退出客运市场，现国内运营的都是比较老旧的货机。作为该型飞机的动力，CFM56-3发动机也已经步入老龄化。随着发动机日益老旧，其维护和运行成本也逐渐升高。因此，制定合理的发动机工程管理策略显得尤为重要。

1 2020年发动机孔探检查状况

2020年飞机定检维护中，CFM56-3发动机在孔探检查时发现损伤的比例有明显上升趋势。截止到12月份，我公司2020年共完成例行的发动机孔探检查工作44台，其中损伤超标的发动机有15台，约占总数的34%。

进一步分析发现，损伤的15台发动机全部为高压压气机转子叶片损伤，有的只有一级叶片有损伤，有的多级叶片都有损伤。如果仅统计包含压气机检查的发动机（36台），不考虑燃烧室和涡轮，则叶片损伤超标的比例高达42%。

发动机的压气机检查结果统计数据详见图1。

通过对压气机转子叶片进行统计发现，超标的损伤多见于前四级的叶片（该型发动机共九级高压压气机转子叶片），损伤的前四级叶片中又以第一级叶片居多，约占总损伤的2/3上。第一级叶片除裂纹损伤外，还有部分是外来物导致的凹坑、撕裂等损伤；其后各级转子叶片则主要为裂纹损伤，其他损伤很少见。

转子叶片的裂纹损伤一般位于叶尖部分，并沿着发动机径向向叶片的根部延伸。通常，裂纹可以从叶片的叶盆和叶背两个方向观察到。个别扩展较小的裂纹仅可以从单面观察到，另一面则非常微小，不易观察。

典型的裂纹损伤详见图2和图3。

个别发动机在进行叶片修理或更换时发现了更多的超标裂纹（与孔探发现的数量相比）。一方面是因为叶片表面积聚的灰尘较多，孔探时遮蔽了裂纹，但更主要的是，相比于发动机核心机打开时的状态，孔探检查时的光线不够充分。另外，这也与孔探设备的型号以及孔探人员的经验有很大关系。

2 孔探检查的结果分析

针对发动机经常出现的压气机转子叶片裂纹损伤，结合发动机的维护手册及发动机制造商的技术咨询答复，主要从以下两个方面进行分析。

2.1 叶片裂纹损伤的成因

从叶片裂纹的损伤状态判断，裂纹多是因为转子叶片与静子机匣间隙过小，两者相互摩擦、刮碰造成的。

为保证发动机性能，减少其功率损失，压气机转子叶片与静子机匣的理论间隙是越小越好，但如果间隙太小，发动机高速运转时就有相互刮碰的风险，因此需对间隙严格控制。发动机维修厂主要通过修理防磨带或打磨转子叶片的方法来控制此间隙。

虽然每次发动机大修后，叶片与静子机匣的间隙会控制在正常范围内，但是因发动机老旧，运行一段时间后发动机的性能衰退较快，需要更高的转速才能达到相同的推力要求，高转速的同时就伴随着更高的核心机温度，发动机叶片长期处于高热和高转速环境下，会产生更大的蠕变，导致叶片与静子机匣的间隙缩小，发生刮碰。

机械蠕变和热蠕变只是可能导致叶片刮碰的因素中较常见的一种，还有其他诸多因素可能导致发生刮碰，如发动机转子/静子叶片的打磨尺寸、叶片的偏心状态，飞机的硬着陆、机动载荷等因素。叶片如果发生刮碰，通常只需要1～2次就可造成可见的裂纹，并不一定是长期积累的结果。

另外，裂纹的出现还与发动机转子叶片的可靠性相关。调查发现，部分叶片在装机时并不是新叶片，而是翻修件。航空公司出于成本考虑会在飞机上使用一些翻修件，虽然可满足适航性要求，但其性能和可靠性与新部件有一定差距。如果使用了此类部件，需要对发动机进行重点关注，必要时应对发动机进行长期监控，评估翻修叶片的经济性和可靠性。

2.2 叶片裂纹损伤与使用时间的关联

调查发现，出现裂纹损伤的发动机总飞行小时基本都在45000FH以上，这是由波音737CL飞机老龄化带来的相应的发动机老龄化问题。发现缺陷的发动机距上次大修出厂的飞行小时数没有明显规律可循，广泛分布于4000～10000FH区间范围内。

可以看出，裂纹出现的时间与发动机总循环呈高度相关性，但与发动机翻修后的使用循环的相关性较低。发动机上有很多寿命件，到达固定时限后必须报废。但转子叶片并不是具有硬時限的寿命件，因此并不会在特定时间点进行整套更换。一个叶片如果检查正常，就会一直处于服役状态。但长时间工作在恶劣条件下的叶片，其材料性能将有所衰退，易出现裂纹。

3 发动机工程管理

良好的工程管理可以为发动机的安全性、可靠性、经济性的平衡带来巨大收益，老龄发动机尤甚。除应特别关注发动机的孔探检查外，发动机的工程管理还应该重点从以下几方面入手。

3.1 发动机大修记录的管理

发动机大修记录的管理主要是指对发动机构型记录、AD执行记录、重要部件更换记录等一系列的维修文件的管理。老龄发动机在维修上的主要特点是维修次数多，而且部件构型相对比较复杂，维修过程中对重要部件的构型控制难度较大。

老龄发动机维修记录的管理，需要根据老龄发动机自身零部件构型复杂的特点，加强对修理报告中重要零件构型清单的管理，以方便发动机工程师掌握发动机的构型以及后期的有效控制。

发动机工程师在必要时应该全程跟踪发动机大修情况，掌握重要零部件维修的全过程。对于因为成本原因选择安装的旧部件，应进行重点评估，使用中应加强管控，确保其能稳定、有效地运行。在进行发动机的裕度恢复时，应同时兼顾叶片与机匣的间隙问题。若间隙较小，则发动机裕度会较大，但叶片易与机匣刮擦，使维修成本上升；若间隙较大，则发动机裕度会较小，使油耗增加，造成运营成本上升。航空公司应与发动机维修厂家和制造商加强沟通，制定更加精准的针对老龄发动机叶片间隙的控制方案。

3.2 发动机状态监控

发动机的状态监控主要是指对发动机运转的热力学参数、机械参数的监控，包括发动机转速、EGT裕度、滑油消耗、振动状态和磁屑信息等。通过对发动机整个运转过程的监控，进行数据采集，数据分析。这是实现发动机工程管理的基础，通过直接检查或间接分析的方法可及时发现发动机的异常。

除对发动机的实时监控外，孔探检查也是一种比较有效的发动机监控手段。孔探检查本质上是一种目视检查方法，可以直接发现缺陷。许多根据发动机参数异常分析得出的可能损伤都需要通过孔探检查进行确认，然后再采取进一步的纠正措施。发动机不仅需要例行的孔探检查，在遇鸟击或其他外来物损伤等突发事件中借助孔探手段可以较为准确地判断发动机的适航状态。

针对发动机核心机的维护与检查，波音公司在其维修计划文件（MPD）中给出了一系列的孔探检查任务，包括高压涡轮和燃烧室，但缺少高压压气机的检查任务。根据各航空公司和维修厂的经验，建议将高压压气机孔探检查任务加入维修方案中，检查间隔可暂定为4000FH。后续，应通过对发动机使用状态的监控与分析，合理增加或减少维护任务或者改变维护任务的间隔。

3.3 拓展发动机的在翼修理手段

相比于车间修理，发动机的在翼修理的主要优势是维修费用低、周期短，可最大限度地保证飞机的运营需求。因此，航空公司应尽可能拓展发动机的在翼修理能力，减少车间修理次数。

发动机转子叶片在翼修理的主要方式是在翼打磨修理和TopCase修理。对于较小的裂纹损伤，可以通过孔探检查的口盖接近，对叶片进行在翼打磨，延长其使用时间。针对叶片打磨修理过的发动机，应加强管控，可适当缩短孔探检查间隔并择机进行叶片更换。对于超出打磨修理限制的叶片，则需要拆除大量的发动机外围附件，打开TopCase，进行叶片的更换。

航空公司应通过合理的工程管理，尽量在叶片裂纹扩展的早期及时发现裂纹，这样就可以用最简单、成本最低的方式进行叶片的在翼打磨修理。裂纹的早期发现主要依赖于合理的维护计划的制定。航空公司应以统计数据为基础，合理优化并固定发动机孔探检查的间隔，尽量减少发动机的非计划换发，降低对飞机运营的影响。

4 总结

发动机维修价格昂贵，在整个飞机维修中占比很大，尤其是老龄发动机，营运人应投入更多的精力对其进行工程管理。这是一项复杂的系统性工作，需要发动机营运人、生产商和修理厂等多方面的共同努力、协作，不断优化工程管理策略。良好的发动机工程管理应以保证发动机适航性为基础，在其维修成本和运营成本之间找到合理的平衡，使总成本趋于最低。

参考文献

[1] CFM56-3 Engine Shop Manual CFMI-TP-SM.5 [Z].

[2] Boeing 737-300/400/500 Aircraft Maintenance Manual D633A101 [Z].

[3] Boeing 737-300/400/500 Maintenance Planning Document D6-38278 [Z].

作者簡介

韩世进，工程师，主要负责CFM56系列发动机的工程管理及技术支援工作。

常城，高级工程师，主要负责CFM56系列发动机的工程管理及技术支援管理工作。