大涵道比發動機可靠性特征及國產新機研制需關注的重點問題研究

邵傳金 盧婷婷 單行健 王鵬

摘要：根據某大涵道比渦扇發動機運營可靠性統計數據，分析總結了商用發動機可靠性特征，梳理了典型故障及可靠性影響因素，提出了國產發動機研制需要關注的可靠性重點問題。

關鍵詞：發動機可靠性；空停率；送修率；簽派可靠度

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

0 引言

可靠性是航空發動機產品的重要指標之一。國外發動機的成功經驗表明，研制階段必須開展面向可靠性的設計，以可靠性需求為牽引，將可靠性理念貫穿于設計、制造、使用、維修保障的全壽命周期[1]。

國外大涵道比渦扇發動機經過近五十年的發展和積累，可靠性水平已達到平均送修間隔2～3萬小時、空停率0.002次每千小時。市場用戶對新型發動機的可靠性期望極高，國產發動機研制面臨著巨大的可靠性挑戰。

本文分析總結了某型大涵道比渦扇發動機的可靠性特征、典型故障模式及可靠性影響因素，從可靠性角度梳理國產發動機研制中需要關注的重點問題。

1 整機可靠性及故障原因統計

1.1 整機級可靠性統計

民用航空發動機常用的可靠性指標主要包括空停率、送修率、派遣率。表1為某型大涵道比渦扇發動機的運營可靠性統計。

表1的數據源自該型發動機5年期間的積累數據，機隊總小時數為 74265253，總循環數為43029436。

空停率為每1000發動機飛行小時的空中停車次數；送修率為每1000發動機飛行小時的返廠修理次數；派遣率為每100次定期航班中正點離港的航班次數，也稱簽派可靠度；與派遣率相對應的是延誤/取消率，指每100次定期航班中因發動機原因造成的航班延誤或取消的次數[2，3]。根據延誤取消次數及總循環數計算的派遣率約為99.98%。

下文進一步分析導致空停、送修、延誤/取消的發動機故障原因。

1.2 空停原因統計

空停率是最受關注的發動機可靠性指標。如圖1所示，導致發動機空停的原因包括：控制系統故障，軸承失效，硬件損傷，FOD（外來物損傷），監控參數超限，非發動機原因（虛警、維修差錯、操作不當、飛機原因、其他人為因素、外界因素等）。

由圖1可見，該型發動機空停原因呈現以下特點：

1）發動機空停原因中38%由控制系統故障導致。控制系統通過傳感器監控發動機性能、溫度、壓力等狀態參數，不可避免地會出現虛警或表征為控制系統故障的警告信息，進而導致飛行員根據事態嚴重程度按程序做出拉至慢車乃至關停發動機的操作。

2）非發動機原因是導致空停的主要原因之一。其中，約一半是因為維修差錯，包括在人為因素、操作規范、操作程序、維修水平的影響下，維修操作中發生諸如連接件擰緊力矩不正確、安裝差錯、更換或安裝過程中產生不平衡量引起振動等問題，導致部件系統失效，最終引起發動機空停。

3）軸承故障，特別是3號和4號軸承故障，也是導致空停的主要原因之一。

1.3 送修原因統計

送修指發動機本體因某種原因返廠修理，包括計劃性返廠（如因發動機限壽件的壽命限制導致）和非計劃性返廠（如發動機故障）。如圖2所示，導致發動機送修的原因包括限壽件的到壽、高壓渦輪部件失效、高壓壓氣機部件失效以及低壓渦輪部件失效等。

由圖2可見，該型發動機送修原因呈現以下特點：

1）限壽件是送修首要原因，占比達30%以上。該型發動機限壽件的壽命限制值為17500循環以上，表明30%以上的發動機可在翼使用至17500循環，再以計劃換發方式返廠修理。

2）限壽件在送修原因中占比越高，表明發動機本體的可靠性、耐久性越高。

3）本體部件（渦輪、壓氣機、燃燒室等）發生故障時無法在翼修理，將導致非計劃送修，設計中應該重點關注本體部件的可靠性對發動機送修率的影響。

4）本體部件故障導致的送修遠高于控制、燃油、滑油、起動、點火系統等，因為后者主要由LRU（航線可更換單元）組成，發生故障時可在翼修理、更換，一般不會導致換發。

1.4 延誤取消原因統計

延誤的判別依據是航班離港時間比計劃時間延遲15min以上。成熟機型數據表明，航班延誤取消主要由LRU故障引起。如圖3所示，導致發動機延誤取消的原因包括：控制系統、燃油系統、起動系統、滑油系統、點火系統等系統組件的失效。FOD也是導致發動機延誤取消的原因之一。

由圖3可見，該型發動機延誤取消原因呈現以下特點：

1）控制、燃油、起動、滑油、點火、排氣與反推、附件傳動系統故障是導致延誤取消的主要原因，這些子系統中包含絕大部分的LRU。

2）LRU發生故障時，如不能在規定時間內完成在翼修理，將導致航班延誤或取消。

3）子系統故障在延誤取消原因中占比很高，新機研制時應重點關注子系統故障對延誤取消率的影響。

4）風扇部件故障也會導致延誤取消，因為風扇葉片、風扇葉片墊板、風扇葉片鎖緊塊等均為LRU。

2 整機及部件系統可靠性特征

2.1 整機可靠性統計特征

為研究發動機整機可靠性統計特征，收集5800臺某型發動機在翼時間數據，包括1600臺發動機首次送修時間頻數統計（見圖4）和4200臺自新裝機后始終在翼工作的發動機運行時間統計。采用威布爾分析[4]，建立一個雙參數威布爾模型，形狀參數β的估計值為2.23，尺度參數η（特征壽命）的估計值為36730h，表明在此壽命值（即發動機工作時間）前首次送修的發動機比例為63.2%。概率密度函數如圖5所示。

結果表明，形狀參數大于1，發動機送修時間不服從指數分布（指數分布的特征是形狀參數β=1）。據此可推斷發動機非計劃送修時間和使用壽命均不服從指數分布，即失效率非常數。此結論對發動機可靠性建模及失效概率預測的準確性有關鍵影響。

2.2 部件可靠性統計特征

根據機隊運行可靠性數據，進一步對發動機部件可靠性特征進行分析。首先分析對發動機可靠性有重要影響的高壓渦輪和高壓壓氣機兩大部件（單元體）。如圖6、圖7所示，在高壓壓氣機（HPC）故障導致的發動機送修原因中，51%為轉靜子碰摩，32%為壓氣機葉片損傷；在高壓渦輪（HPT）故障導致的發動機送修原因中，78%為渦輪葉片損傷、斷裂，16%為高壓渦輪導向器損傷。

2.3 燃油及控制系統可靠性統計特征

圖3表明發動機燃油及控制系統對延誤/取消率影響顯著。根據機隊延誤/取消統計數據，進一步分析燃油及控制系統的故障原因，結果如圖8、圖9所示。FADEC/ECU、HPTACC活門、HMU、VBV是導致控制系統故障的主要原因，燃油滲漏、燃油濾堵塞、燃油泵、燃油管路、燃油閥是導致燃油系統故障的主要原因。

3 國產發動機研制需關注的重點問題

民用航空發動機主要采用空停率、送修率、派遣率三項指標評估發動機的可靠性，因此國產發動機研制應重點關注這三大指標及其影響因素。

成熟機型可靠性統計特征表明：

1）控制系統故障是發動機空停的首要原因（見圖1）；

2）本體零部件故障是影響發送機送修率的主要原因（見圖2）；

3）LRU故障是影響派遣率的主要原因（見圖3）；

4）大多數的發動機故障是由少部分零組件導致的；

5）發動機本體在翼使用壽命不服從指數分布，而是服從形狀參數大于2的威布爾分布（見圖4、圖5）。

為進一步分析發動機可靠性影響因素，將發動機送修原因及延誤/取消原因細分至零組件級，如圖10、圖11和表2所示，印證了前述結論，同時提供了故障率高的發動機本體零組件、LRU及主要故障模式清單。

根據成熟機型運營可靠性統計數據，梳理總結出發動機易故障件/主要故障模式清單如下：

1）高壓渦輪：葉片、導向器、罩環；

2）低壓渦輪：葉片、導向器、罩環；

3）高壓壓氣機：轉靜子碰摩、葉片損傷、葉片侵蝕；

4）風扇：葉片FOD；

5）控制系統：HPTACC活門、ECU、HMU、VSV機構、VBV機構；

6）燃油系統：燃油泄漏、燃油濾堵塞、燃油泵、燃油閥、燃滑油熱交換器；

7）滑油系統：滑油泄漏、滑油濾堵塞；

8）起動系統：起動機活門、起動機；

9）點火系統：點火器燒蝕。

成熟機型經驗及可靠性數據表明，發動機故障主要由少部分零件引起。可靠性工作應聚焦以上所述重點問題，關注典型故障模式及故障率高的零組件。

4 結束語

通過對某成熟機型運營可靠性特征進行分析，歸納總結了民用發動機可靠性指標及影響因素，目的是為國產發動機定義可靠性要求，合理分配可靠性指標，并對需重點關注的可靠性問題提供指導。本文所討論的發動機可靠性特征、典型故障及統計規律等對國產新機的可靠性工作有重要參考價值。

參考文獻

[1]李偉，夏愛國，何竣. 發動機研制中可靠性工作的總體思路和方法研究[J]. 航空工程進展，2012（1）：87-91.

[2] 王德明. 航空發動機外場可靠性信息及可靠性研究[D]. 長春：吉林大學，2005.

[3] 蔡娜，賈廣生，徐風磊. 航空發動機可靠性參數體系選擇和指標確定的初步探討[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.

作者簡介

邵傳金，工程師，主要研究方向：發動機可靠性與維修性設計。

盧婷婷，主管工程師，主要研究方向：發動機可靠性與維修性設計。

單行健，主管工程師，主要研究方向：發動機可靠性設計。

王鵬，研究員級高級工程師，主要研究方向：發動機可靠性設計。