飞行校验特殊运行环境下的发动机监控研究

■ 束宇/中国民用航空飞行校验中心

1 校验飞机发动机概况

近年来，通用航空逐渐成为国家战略新兴产业。随着通航飞机使用频次的增加，发动机故障逐年增多，导致的通航事故率不断上升。目前国内通航飞机发动机的使用维护和性能分析水平仍然十分落后。我国空气污染问题较为严重，导致通航飞机发动机的运行寿命远远低于欧美等通用航空发达国家的飞机发动机使用寿命。发动机内部结构发生损伤后，虽然短期内仍能正常运转，但是对发动机性能将产生重大影响，给运营单位带来巨大安全隐患。

校飞中心飞行性质特殊，各种因素制约着发动机的安全运行可靠性，发动机的使用状况较其他通航单位更为严峻。特殊的飞行条件和环境特点是影响校飞中心发动机使用的一个重要因素。飞行校验任务的多数飞行高度处于低空污染物聚集区域，导致发动机运行中吸入各种污染物，污染物附着在发动机各部件上，经过高温烘烤，造成发动机内部损伤。

飞行校验任务属于边缘性飞行和极限性飞行，这种飞行状态严重损伤发动机的寿命。低推力的通场后接大推力的复飞状态，发动机推力高低来回变化，各热部件之间的膨胀系数不一样，造成热部件长期处于伸缩变形的状态。同时，校验飞行中经常做大机动性动作、大角度转弯、来回爬升下降高度，这些都会对发动机造成损伤。

校验飞行不同于运输航空，没有固定的航线安排，一次校验任务涉及多个机场，每个机场的外界环境不尽相同，沿海高盐腐蚀、西北高沙尘、西南高海拔、南方高温、北方极寒天气等，各种环境因素轮番考验着发动机的安全运行。

本文选取校验飞行中的一段典型飞行作业时间，对发动机工作载荷谱进行研究，从而建立第一级高压涡轮叶片有限元模型，采用带Morrow 平均应力修正的Manson-Coffin 公式计算高压涡轮转子叶片的低周循环疲劳寿命，同时利用Larson-Miller 方程计算叶片的蠕变持久寿命，并结合寿命－时间分数法预测高压涡轮转子叶片的小时寿命。经过计算，单位飞行小时内校验飞行的发动机一级高压涡轮叶片承受的疲劳－蠕变交互损伤大约是公务飞行发动机的2.12倍；叶根处承受的疲劳－蠕变交互损伤大约是公务飞行发动机的7.57 倍。可见校验飞行作业任务的特殊性是造成发动机超温的主要因素，长时间低空飞行、沿海飞行、沙尘和雾霾天气飞行是造成发动机超温的次要因素。

由上述分析的叶片受力情况以及发动机内部部件腐蚀损伤情况可知，如果只完成厂家维护手册中发动机维修计划所要求的相关检查条目和检查时限，是无法完全满足校验飞机运行安全要求的，必须补充完善维修方案中发动机的相关维护工作。必须建立一套适合自身运行条件的发动机监控体系，通过监控发动机气动、热力和机械参数的变化，对发动机状态进行识别，寻找潜在故障，并指出故障的原因、部位、程度和趋势，根据不同的故障采取相应措施，提前发现潜在的危险源，将危险状态消灭在萌芽中。必须建立一套完善的发动机健康管理系统，从新发动机出厂，到发动机运行，再到发动机返厂修理，形成一个闭环的发动机监控程序。将发动机管理从原来的技术文件结合可靠性管理的静态管理模式，发展为以实际状态趋势为中心的动态管理模式（如图1 所示），对保障飞行安全、提高排故质量和发动机使用率、降低维修成本、防止发动机失效或“空停”等具有重大意义。

图1 发动机维修管理模式变革

2 发动机裕度监控

由于部件老化磨损，发动机性能状态会随使用时间的增加而持续下降，因此，对发动机重要参数进行裕度计算和持续监控是发动机性能监控工作的核心。就普惠加拿大发动机公司生产的小型发动机来说，主要监控涡轮级间温度（ITT）和发动机高压转子转速（N2）。ITT 对标大型发动机排气温度（EGT）参数，其重要程度与EGT 相当，是表征发动机第一级高压涡轮和第二级高压涡轮之间的级间温度。N2 的变化值决定发动机的做功能力，可以较好地反映发动机性能衰退情况。

由于发动机每次运行都处于不同的环境、温度、湿度、场压，环境因素对发动机实际运行数据会造成影响，每次得出的ITT 和N2 数值均不相同。为了计算发动机裕度，需要将每次发动机的运行状态修正到统一标准状态下，即将ITT、N2 修正到对应标准N1 推力的理想状态下（公式如图2 所示），形成ITT-N1 和N2-N1 的矩阵图。

图2 发动机参数修正公式

通过定期对发动机进行性能测试，将发动机起飞推力下的参数记录并代入标准修正值计算公式中，计算得出标准状态下发动机实际ITT 和N2 对应的修正值，通过计算与最大极限值的差值来确定ITT 和N2 的实际剩余裕度值。对每一次发动机性能测试的结果进行统计汇总，制作裕度的变化曲线（见图3），形成趋势图，就能够掌握发动机性能趋势变化情况，在数值出现阶跃变化时进行人工干预或故障隔离，找出变化原因，修正运行异常状态，从而保证发动机始终处于正常运行状态。

图3 发动机ITT裕度图

3 发动机运行状态参数监控

通航飞机发动机参数的采集和数据下载都受到设计方式和软硬件系统的制约。校飞中心根据多年的发动机维修经验，借鉴大型飞机发动机的监控要求，形成了一套独特的监控要素，对飞机空中运行时发动机主要参数N2、ITT、燃油流量（WF）进行监控。通过定期下载这些数据，经过对巡航高度发动机稳定运行时相关数据的筛选，应用离散分析软件进行标准化计算，将不同高度、不同运行条件下的巡航数据统一到一个基准线下，分析作图形成变化趋势曲线，如图4 所示。根据空中巡航状态时N2、ITT、WF 参数的不同变化组合，可以综合判断出发动机性能衰退是出现在“冷段”还是在“热段”。

图4 发动机参数趋势监控图

发动机性能衰退无法通过故障指示或故障代码直接获知，需要结合具体现象并辅助孔探检查等手段来确定不正常状态的位置，进而采取纠正发动机性能衰退趋势的措施。如此，原有的故障定检模式就转变为一种动态的、视情的发动机维修模式，更有利于发动机运行安全。

4 发动机滑油消耗量监控

发动机滑油系统通过高温高压的循环滑油为各转动部件的轴承提供润滑。轴承作为发动机高压转子和低压转子的重要支撑部件，其运转的好坏直接影响发动机转动部件的运行稳定性。滑油还为发动机附件齿轮箱中转动的齿轮提供润滑，以保证发动机各转动附件的正常工作。

发动机运转时一定量的滑油消耗是符合手册要求的，但是如果短时间内出现滑油消耗量异常突变，预示着发动机内部出现了滑油渗漏情况，可能是由轴承封严破损、轴承损坏、滑油管路渗漏、齿轮箱内漏、附件齿轮箱封严损坏等造成的。为了保证发动机滑油系统稳定工作，必须密切监控发动机的滑油消耗。

设立发动机加注滑油的基准加油值，在下次加注滑油时，记录新加注滑油量和据上次加注滑油后的发动机运行时间，代入换算公式，转换成10h 标准滑油消耗值。将算出的每次加注滑油后的滑油消耗量汇总制作曲线图，形成滑油消耗量变化趋势图，与手册规定的滑油消耗量标准上限值进行比较（如图5 所示），从而实时了解发动机滑油系统的工作情况。

图5 发动机滑油消耗量监控图

5 发动机滑油油样分析

发动机滑油系统中磁堵和滑油滤的检查工作一直以来都是例行维护工作。当磁堵灯亮或出现滑油滤旁通指示时，往往已经出现了滑油系统重要部件的损伤，甚至到了超标需要换发的程度。为了了解滑油系统内部部件的实际状况，需要定期执行滑油样品检测工作。通过拆下磁堵，按照标准程序放出并收集滑油，将滑油样品送至普惠加拿大发动机公司下辖的OAT 部门进行样品成分分析，分析内容包括检测油样成分、确定损伤部位、确定危险等级、提供处理建议等。通过油样分析报告，可以定期了解发动机滑油系统内部损伤情况，确定后续重点监控部位，制订预防措施。

6 辅助完成发动机监控的其他维护工作

对于小型发动机来说，孔探工作是一项视情工作，并不是强制的定检项目。为了更好地了解发动机的内部状况，检验发动机监控工作的效果，校飞中心在维修方案中加入了发动机定期孔探检查工作，对发动机高温高压区域进行定期孔探检查，包括燃烧室、燃油喷嘴、高压涡轮导向叶片、高压涡轮转子叶片。对发动机高温热部件的定期孔探检查，可以很好地了解各部件的实际状况，对于分析ITT、N2、WF 的变化规律有很大帮助，同时也能找出发动机裕度减少的相关原因。

孔探检查还可以发现发动机内部的严重污染。各级转动部件上长期积聚的大量污染物，在高温烘烤下附着在关键表面或侵入叶片表面，会造成各级叶片不同程度的损伤，导致叶片间隙扩大、发动机功率下降、ITT 温度升高、燃油消耗量增加、发动机裕度明显降低。同时，污染物进入轴承封严将造成封严破裂漏油，进一步降低了转动部件的使用寿命，不仅严重影响发动机性能，加大耗油量，还对发动机核心件造成腐蚀，严重影响发动机的安全性。

为了应对低空飞行导致的发动机严重污染情况，校飞中心在维修方案中加入定期清洗发动机工作，包括压气机清洗、涡轮清洗和性能恢复清洗。

7 结束语

对于通用航空小型发动机安全运行的持续研究是通航飞机安全执行作业的基础，也是通航发展壮大的安全保证。加强对发动机性能趋势的监控，结合安全管理体系（SMS），将安全关口前移，可有效防止发动机失效或空停，充分体现了“预防维修为主、防范在先”的维修理念，是保证校飞中心持续安全运营的重要手段。发动机监控和健康管理可提前检测到发动机的异常状态，由被动式维修转变为预防性维修，在保证发动机可靠性的同时，有效降低发动机的维修成本。通过发动机监控寻找校飞中心发动机使用的典型特征，制订客户化的发动机维护方案，达到整体提升综合维修能力、提高飞机出场使用率的目的，可以按时按量保障全国各机场、导航、通信等设施设备安全正常使用的需求，对保障民航产业的发展有着重大的战略意义。