民航渦扇發動機的維修性設計?

李書明，王凌云，黃燕曉

（1.中國民航大學 航空工程學院，天津 300300；2.中國航空大學 職業技術學院，天津 300300）

0 引言

隨著航空高科技的迅速發展，航空渦扇發動機的結構和工作系統日趨復雜，使用壽命也越來越長。但是渦扇發動機的性能隨著時間的推移總會下降，進而發生故障或失效。渦扇發動機的維修性決定了能否迅速、經濟地修好它。

由羅－羅公司發表的有關統計分析資料表明，現代飛機成本中發動機所占的比例已經高于32%～53%，因此各大航空公司必須共同關注的問題之一是如何降低目前呈上升趨勢的、占直接經營成本14%～18%的發動機維修費用。當然，要減少民航渦扇發動機的維修費用，在很大程度上依賴于發動機的可靠性和結構以及總體布局的設計水平。在設計上，易于維修的發動機，能以較少的維修費用在最短的時間內經過維修使其性能恢復到良好的狀態。歸根結底，無論是未來或者正在生產的新型發動機，發動機的維修性設計是制造商值得進一步探討的重要問題之一。

1 維修性設計的概念

維修性設計是指從維修的觀點出發設計產品，保證當產品一旦發生故障，能更容易地發現故障，易檢修、易拆、易安裝，即可維修度要高。維修的費用、工時以及產品的利用率直接受到維修度的影響。零組部件的標準化、互換性和維修的可達性成為設計者應該考慮的主要問題。從系統設計開始就應考慮其維修性，為此設計人員要有機地將性能設計、可靠性設計與維修性設計結合起來。

2 維修性設計準則

維修性是民航發動機的固有特性。一旦發動機設計完成裝備到飛機上，就凍結了其維修性設計，在使用中再加以改進就難上加難了。近年來，在新型號的發動機設計之初，負責人均要對整機以及各部件的設計方案進行維修性分析、檢驗，使其所設計出來的發動機具有優良的維修性。綜合了發動機維修性設計經驗和使用經驗，負責人在制定維修性的設計方案時，應充分考慮如圖1所示的維修性設計準則。

圖1 發動機維修性設計的準則

3 實例應用分析

（1）“模塊化”設計指采用了單元體設計。在外場維修發動機時單元體設計可采用單元體拆裝，同時不會發生相互干擾的情況，完成單元體更換后再不需要重新調整旋轉件和補做驗證，甚至有些單元體更換時還可以在飛機上進行。采用模塊化設計，不但能夠更迅速地對各單元體修復，并且還可以只視情維修或更換有故障的單元體。只需幾種常用工具就可以進行外場拆裝、更換單元體，簡便快捷。

（2）“可達性”設計是指當發動機發生故障進行維修時能提供達到的通道，容易接近需要維修的部位并且能操作自如。如：PW4077D發動機的壓氣機，為便于葉片檢修和更換采用了對開式機匣設計；為了在外場能方便地更換高壓壓氣機葉片，CFM56-5B發動機的高壓壓氣機靜子機匣則采用分半式設計，但是為避免分半式機匣設計在熱天飛機起飛時，由于高壓壓氣機后面級溫度過高而引起的機匣周向變形不均，后面級一般都采用雙層機匣，同時采用低線膨脹材料來降低變形量。由于渦輪部件溫度過高，則只能采用整環機匣設計，也無法實現外場更換葉片。

（3）“標準化”設計是指優先選用面向通用、符合國際標準、適用范圍較廣泛的設計，并盡量減少品種和規格。“互換性”是指按標準化的概念，使產品的零件、部件在形狀和位置上、尺寸和功能上具有互相代替的能力。具有互換性和通用性的標準件，不僅有利于設計和生產，而且在局部飛行故障搶修中也有重要的意義。新型發動機GE90外部螺柱和螺母采用了統一標準，并且采用標準工具拆卸和安裝可更換件。

（4）“防差錯措施”設計指為避免維修中的操作差錯所采取的措施。如燃油箱加油蓋油濾未放平、卡圈沒裝好、口蓋沒擰好等維修差錯，曾造成了機壞人亡的嚴重后果。因此，從結構上就應消除發生維修差錯的可能性，只有裝對了才可以裝的上，這樣才能立即發覺并糾正差錯。“識別標志”是指為防止混亂，避免差錯而在維修的零部件、工具、備品等上面做的明顯標識記號。如用不同顏色、字母、圖案等清晰、易識、耐久標志對發動機外形相近而功能不同的零部件進行識別。

（5）“檢測診斷”設計對維修有重大影響。通過全權限數字發動機控制器（FADEC）對地面和機上實行全面狀態監控，依靠QAR數據實施趨勢分析和性能監控。機上監控即駕駛艙監控，包括速度（N1、N2）、排氣溫度（EGT）、燃油流量（WF）、振動水平、潤滑油溫度和壓力（壓差）、油濾旁路指示及其重要組件的故障顯示等。地面監控包括飛行參數（海拔、馬赫數、總空氣溫度等）的記錄、內窺檢查等。這些措施不僅可實現發動機故障診斷及性能評估，而且可實現由視情維修替代定期檢修。

（6）“人素工程”設計是指用科學知識進行產品設計，實現有效的使用、維修和人機結合。人素工程主要研究維修中人的各種因素，包括心理因素、生理因素和人體幾何尺寸與機器的關系，以提高維修工作質量和減輕維修人員疲勞。如：為便于維修，大多數發動機的控制單元和齒輪附件箱都安裝在發動機的上面；GE90發動機的19個孔探中就有17個安置在發動機的左上面。

（7）“保證維修安全”設計是指保障維修人員的安全或產品完整的一種設計特性。維修發動機時為避免在維修中因啟動、操作而發生的維修安全隱患（觸電、失火、爆炸等），應采取一定的安全措施，如涂寫警告標志、接地、采用緊急斷路開關等。

4 現代渦扇發動機維修性設計的趨勢

（1）子單元體設計技術：在單元體設計基礎上，現代發動機結構進一步細化主單元體，轉向子單元體設計。發動機的總體性能及機械特性在單獨更換后不會受影響，故采用子單元體設計，故障件的分離更快，拆裝時間就越短，維修也會越方便。

（2）整機平衡技術：隨著允許外場更換零件數量的增加，整機平衡技術作為機上維修的重要手段在西方現代民用渦扇發動機維修性設計中得到了廣泛應用，結合先進的CAD（計算機輔助設計）技術更易實現發動機轉子平衡配重的調整。

（3）計算機輔助設計技術：計算機輔助設計技術不但廣泛應用在民航發動機設計、故障診斷分析中，而且在維修性的仿真試驗領域內也大顯身手。如美國通用電氣公司（GE）利用卡爾馬（CALMA）公司的數據分發管理（DDM）軟件和GEOMOD軟件結合，成功解決了在CF6-80C2發動機研制中的零件安排、系統布局等問題。

（4）電控下的可達性：在維修發動機時維修人員能通過電控系統快速接近維修部位，主要措施包括：①降落前FADEC自動啟動飛行中的快速冷卻程序，增加核心機周圍的冷卻空氣量和冷卻潤滑油量，方便維修人員能迅速接近發電機；②發動機短艙罩用動力開啟；③接頭均采用自鎖結構，不使用開口銷和保險絲；④潤滑油管路采用的自封嚴接頭等都是由電子控制系統自動控制。采用這些措施不但減輕了維修人員的工作量，還減少了維修費用，降低了維修成本，提高了發動機的可靠性和經濟性。

5 結束語

民航渦扇發動機的維修工作量、耗用時間與費用并非只取決于維修本身，發動機故障的有效預防也不是維修就可以完成的。在型號設計之初把維修性當作關鍵要素能夠從根本上改善其維修品質，力求新發動機在投入航線之前維修性設計達到最大可能的完善。

（1）國外先進民航發動機制造商相當重視發動機的維修性設計，設計過程中嚴格按照維修性設計準則并采用許多措施以方便維修，設計并制造出來的航空發動機維修性設計合理、性能優良并且可靠性高。

（2）我國在這方面比較落后，我們應廣泛搜集資料，汲取國外先進經驗，把維修性設計理念充分應用于自主研制的發動機上，確保維修性設計在民航渦扇發動機的結構完整性方面的重要地位。

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