商用航空发动机批产试车数字化检验系统展望

江炜

摘要： 在航空发动机的研制、制造及大修维护等过程中，均需开展发动机试车，其主要目的是检验其性能及可靠性。当前，在商用航空发动机的研制工作中，针对科研试验过程的数字化技术应用已呈蓬勃之势，但对于批产试车，目前虽有零星探索，但总体仍为空白。基于此，本文展望商用航空发动机批产试车数字化检验系统，以期可以在未来能够有效提升航空发动机试车检验水平，为航空发动机智能制造战略的落实提供助力。

Abstract： In the process of aero-engine development， manufacturing， and overhaul and maintenance， engine test runs are required， the main purpose of which is to test its performance and reliability. At present， in the research and development of commercial aeroengines， the application of digital technology for the scientific research and test process has shown a vigorous trend. However， although there are sporadic explorations for batch production and test runs， the overall situation is still blank. Based on this， this article looks forward to the digital inspection system for commercial aero-engine batch production test runs， in order to effectively improve the level of aero-engine test runs in the future， and provide assistance for the implementation of the aero-engine intelligent manufacturing strategy.

关键词： 航空发动机;试车;数字化检验;展望

Key words： aero engine;test run;digital inspection;outlook

中图分类号：V263.5                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0193-02

1  航空发动机批产试车数字化检验发展趋势

航空发动机的工作条件极为恶劣，对可靠性要求极高。作为目前人类技术水平可实现的较高难度的机械装置之一，其内部的结构、气动和热力特性极为复杂，往往难以通过计算和仿真准确详尽地得出其真实的工作状态，常常需要通过试验对计算和仿真结果进行验证。据统计，一型航空发动机研制工作一般需要进行10万小时以上的部件试验、4万小时以上的材料试验和1万小时以上的整机试验。试验测试技术是发展先进航空发动机的关键技术之一，试验结果既是验证和修改发动机设计的重要依据，也是评价发动机部件和整机性能的重要判定条件。因此，试验测试技术在航空发动机的设计研发、生产制造、大修维护等全生命周期中，发挥着独特的作用。整机级试验设备设施，特别是地面试车台，作为试验技术的典型代表，贯穿了航空发动机的设计研发、生产制造、大修维护等多个阶段，在适航取证、批产交付和大修维护中均发挥着重要作用。航空发动机地面试车台，主要用于航空发动机地面试车，测量推力、流量、转速、压比、排气温度裕度、振动等一系列气动、热力以及结构方面的参数，从而得到被试发动机性能。典型地面试车台由试车间、进气塔、引射筒、排气塔、控制间、仪表间以及配套的水、电、油、气等功能间所组成。试车台的核心，是台架测试和数据采集系统。该系统通过连接安装在发动机上的传感器或受感部，完成测点数据的批量化、自动化采集和处理，获得可靠的试验结果。

发动机试车检验过程，即是对数以百计乃至千计的通道参数进行全过程的数据监控、采集、判读，通过对发动机参数的不断调整，使得各项性能参数均能满足出厂要求，以最合格的状态提供飞行动力。发动机的检验试车主要是为验证发动机的装配质量、各项性能、各附件与主机的匹配性，顺利完成提交任务。检验结果直接反应出发动机质量情况，从而决定了发动机能否交付，因此在整个试车过程中起到举足轻重的作用。

传统的人工检验方式，大量试验过程记录均由人工填写，由于不同人员的能力水平的差异，记录的数据质量良莠不齐。同时，纸质版数据在保存和检索、追溯方面均存在巨大的困难。对于某些故障的判断，纸质记录无法及时调取作为排故过程参考，过度依赖现场人员经验，影响排故效率。此外，由于目前的航空发动机越来越多地应用了全权限发动机电子控制器（FADEC）、发动机健康管理系统等高度数字化信息化的系统，大量数据潜藏在后台，现有的人工检验方式往往仅聚焦于前台呈现的关键数据，无法关注到后台潜藏的一些数据，从而无法及时发现航空发动机检验试车过程中的潜在缺陷、故障或其征兆。近年来，随着数字化信息化系统的应用程度、试验测试技术的发展和计算机能力的不断提升，单次发动机试验过程中产生的试验前台及后台数据的种类和数量均在大幅度增长。这对试验数据的分类和管理提出了新的挑战，数字化技术和新型信息系统在试车台的进一步应用，已是箭在弦上。

随着信息技术的发展，其在工业领域的应用也不断深入。国内的很多行业纷纷尝试将数字化制造、数字化装配和数字化检验等理念引入，并实际应用在生产过程中。国内在已知的公开文献或报导中，沈阳黎明航空发动机（集团）有限公司针对人员、设备等生产要素大量介入的复杂过程展开了深入研究，在试车过程监控中积极引入数字化概念，其通过计算机软件技术及网络信息技术的综合运用，构建了航空发动机数字化标准样机库和判据库，建立了试车过程数字化检验系统。实现了试车过程的状态透明，为数据使用、分析和处理奠定了基础。[1]中国燃气涡轮研究院基于其“一院多点”的模式，部署了涵盖试验过程的综合管理信息化系统，主要是实现了管理过程的信息化。[2]公开文献中可查阅到的国外航空发动机试车过程数字化应用的信息较为有限。目前已知的应用案例有通用电气（GE）航空集团，其从发动机批产试车交付到发动机在翼过程均实现了发动机数据的实时监测和健康管理跟踪，并成功地应用了数字化工具对海量发动机数据进行分析比对，通过数据分析对发动机状况及维修需求进行预测性判断，以提高发动机可靠性，延长其在翼时间，助力其全周期成本的降低。上述案例均为在发动机试车检验或其相关领域成功应用数字化工具的典型案例，对于商用航空发动机批产试车数字化检验系统的应用前景指明了方向，起到了积极的引导作用。

2  航空发动机批产试车流程分析

以某典型商用大涵道比涡扇发动机为例，其典型的批产试车工艺过程为：①发动机台架安装与准备（Engine assembly & rig for test）;②发动机冷运转（Dry motoring）;③视情开展发动机水洗（Gas path cleaning，on condition）;④发动机假开车（Wet motoring）;⑤发动机点火与慢车检查（Ignition & idle check）;⑥封严磨合运转（Seal break-in）;⑦性能检验（Performance test）;⑧整机油封（Engine preservation）;⑨发动机下台拆卸（engine de-rig & disassembly）。若完成上述工作，且发动机试车数据符合工艺文件或发动机手册的相关要求，即可以认为发动机已满足相关要求，通过试车检验。

由上可知，通常情况下，批产试车的试车程序较为固定，工艺方法基本固化，录取的试车数据类型和数据量基本固定，试车过程的检验点易于识别，检验规则易于设置，检验判读相对易于实施，通过自动化手段重复的可实现性较强。以上这些特点，使得未来商用航空发动机批产试车数字化检验系统的开发与应用具备了相当的可行性。

3  航空发动机批产试车数字化检验系统功能展望

航空发动机批产试车数字化检验系统，应达到如下几个效果：①检验工作的规范化;②检验信息的数字化;③检验判断的标准化和自动化;④检验结果的直观化;⑤检验记录的电子化;⑥用户使用便利化[3]。

目前，数字化应用系统設计中，广泛采用的两种主要结构形式分别为分布式和集中式。分布式系统设置了中心节点和子节点，各个节点可独立采集数据，与主节点间通过通信接口实现信息互联与指令同步。分布式系统具有如下优点：①适应性强;②可靠性高;③工作负荷低;④实时性较好;⑤维修升级方便。与之对应的集中式系统，主要具有如下特点：①开发使用方便;②成本较分布式低;③身份易变更;④主机任务重;⑤布线复杂[6]。基于试车台的特点、各个子系统的规模和分布状况，航空发动机批产试车数字化检验系统选择分布式设计较为适宜。

系统可以采用分层架构，底层为数据采集和处理平台，在其上为应用平台，可以部署必要的应用功能模块。系统功能设计中，应注重将传统的典型工艺过程与数字化技术相结合，实时监控，使用自动化数据采集、记录与报告生成代替传统的人工填写试车过程记录单，由计算机代替原有的人工模式，对试验数据，特别是原先人工模式下无法获得或判定的一些后台数据进行连续的自动化跟踪、记录、分析、判别，以及必要的数据后处理。同时结合新的数字化检验系统，重新设置必要的检验点，在各检验点对采集到的关键参数进行检查和验证，确认其符合性。在出现问题时，主动分析过程数据，形成参考意见。系统功能模型如图1。

系统的具体功能，应至少包含如下内容：试验执行系统（MES）将生产订单和结构化工艺传递至本系统，数据采集系统将采集到的数据传输至本系统，系统根据预设的工艺过程和检验要求对数据进行实时检查和判断，参考预设标准，作出检验结论。系统同时能够以图形化的方式实时展示或复现试车过程数据，生成试车曲线、试车过程记录单和试车报告。系统同时能够在关键检验点到达前，提前以某种形式提示试车操作人员。系统可将数据和报表传输至试验数据管理系统（TDM）;系统可将试车结果、故障信息和初步的故障判断告知现场人员，并在现场人员无法决断时，将上述内容直接推送至试车技术专家处，并同步作为生产信息反馈至MES系统中。系统还应对试车台自身的设备健康状况进行一定的监视，并作出必要的报警。系统通过一定程度的自学习，逐步实现故障类型的初步判别和解决方案提供。批产试车数字化检验系统未来还应能够与发动机在翼健康管理系统实现一定程度的数据交互和支持，从而最大程度地支持发动机全生命周期健康管理。

4  小结

我国商用航空发动机事业的发展，原有的人工检验模式已渐渐无法满足新形势的需要，这对试车检验提出了新的要求。未来，通过数字化信息化系统的应用，可以实现试车数据和试车状态的实时监控和动态管理，最重要的是可以通过上述系统，取代原有的人工复核与检验的方法，实现试车数据后续的维护、管理、使用和追溯，甚至可以逐步通过自学习，实现故障类型的初步判别和解决方案提供。试车检验数据还能够与发动机健康管理系统的数据实现交互，以发动机在翼全生命周期健康管理。航空发动机试车数字化检验系统的开发和应用，必将在未来有效提升航空发动机试车检验水平，为航空发动机智能制造战略的落实提供助力。

参考文献：

[1]刘婕，成立权，董艳菊.航空发动机试车过程数字化检验浅谈[J].计算机光盘软件与应用，2014，24：145-146.

[2]徐奇光，王晓东，杜严.基于航空发动机装配、检验试验的过程信息管理[J].测控技术，2014，33：451-454.

[3]刘小方.复杂武器装备数字化质量检验系统构建分析[J].计算机仿真，2015，32（3）：19-22.