淺談CFM56-3老齡發動機孔探檢查及其工程管理

韓世進 常城

摘要：相較于新發動機，老齡發動機的工程管理工作應該受到更多的重視，對降低發動機維護成本、提高發動機可靠性有更加明顯的效果。本文主要從CFM56-3發動機的孔探檢查入手，分析老齡發動機轉子葉片的常見裂紋損傷及其成因，并進一步探討發動機的工程管理措施。

關鍵詞：高壓壓氣機；孔探檢查；工程管理

Keywords：high pressure compressor；borescope inspection；engineering management

0 引言

CFM56-3系列發動機是CFMI公司研發的一款高涵道比、雙轉子渦扇發動機，專門為波音737設計，推力介于18500～23500磅之間。

隨著波音737CL系列飛機逐漸退出客運市場，現國內運營的都是比較老舊的貨機。作為該型飛機的動力，CFM56-3發動機也已經步入老齡化。隨著發動機日益老舊，其維護和運行成本也逐漸升高。因此，制定合理的發動機工程管理策略顯得尤為重要。

1 2020年發動機孔探檢查狀況

2020年飛機定檢維護中，CFM56-3發動機在孔探檢查時發現損傷的比例有明顯上升趨勢。截止到12月份，我公司2020年共完成例行的發動機孔探檢查工作44臺，其中損傷超標的發動機有15臺，約占總數的34%。

進一步分析發現，損傷的15臺發動機全部為高壓壓氣機轉子葉片損傷，有的只有一級葉片有損傷，有的多級葉片都有損傷。如果僅統計包含壓氣機檢查的發動機（36臺），不考慮燃燒室和渦輪，則葉片損傷超標的比例高達42%。

發動機的壓氣機檢查結果統計數據詳見圖1。

通過對壓氣機轉子葉片進行統計發現，超標的損傷多見于前四級的葉片（該型發動機共九級高壓壓氣機轉子葉片），損傷的前四級葉片中又以第一級葉片居多，約占總損傷的2/3上。第一級葉片除裂紋損傷外，還有部分是外來物導致的凹坑、撕裂等損傷；其后各級轉子葉片則主要為裂紋損傷，其他損傷很少見。

轉子葉片的裂紋損傷一般位于葉尖部分，并沿著發動機徑向向葉片的根部延伸。通常，裂紋可以從葉片的葉盆和葉背兩個方向觀察到。個別擴展較小的裂紋僅可以從單面觀察到，另一面則非常微小，不易觀察。

典型的裂紋損傷詳見圖2和圖3。

個別發動機在進行葉片修理或更換時發現了更多的超標裂紋（與孔探發現的數量相比）。一方面是因為葉片表面積聚的灰塵較多，孔探時遮蔽了裂紋，但更主要的是，相比于發動機核心機打開時的狀態，孔探檢查時的光線不夠充分。另外，這也與孔探設備的型號以及孔探人員的經驗有很大關系。

2 孔探檢查的結果分析

針對發動機經常出現的壓氣機轉子葉片裂紋損傷，結合發動機的維護手冊及發動機制造商的技術咨詢答復，主要從以下兩個方面進行分析。

2.1 葉片裂紋損傷的成因

從葉片裂紋的損傷狀態判斷，裂紋多是因為轉子葉片與靜子機匣間隙過小，兩者相互摩擦、刮碰造成的。

為保證發動機性能，減少其功率損失，壓氣機轉子葉片與靜子機匣的理論間隙是越小越好，但如果間隙太小，發動機高速運轉時就有相互刮碰的風險，因此需對間隙嚴格控制。發動機維修廠主要通過修理防磨帶或打磨轉子葉片的方法來控制此間隙。

雖然每次發動機大修后，葉片與靜子機匣的間隙會控制在正常范圍內，但是因發動機老舊，運行一段時間后發動機的性能衰退較快，需要更高的轉速才能達到相同的推力要求，高轉速的同時就伴隨著更高的核心機溫度，發動機葉片長期處于高熱和高轉速環境下，會產生更大的蠕變，導致葉片與靜子機匣的間隙縮小，發生刮碰。

機械蠕變和熱蠕變只是可能導致葉片刮碰的因素中較常見的一種，還有其他諸多因素可能導致發生刮碰，如發動機轉子/靜子葉片的打磨尺寸、葉片的偏心狀態，飛機的硬著陸、機動載荷等因素。葉片如果發生刮碰，通常只需要1～2次就可造成可見的裂紋，并不一定是長期積累的結果。

另外，裂紋的出現還與發動機轉子葉片的可靠性相關。調查發現，部分葉片在裝機時并不是新葉片，而是翻修件。航空公司出于成本考慮會在飛機上使用一些翻修件，雖然可滿足適航性要求，但其性能和可靠性與新部件有一定差距。如果使用了此類部件，需要對發動機進行重點關注，必要時應對發動機進行長期監控，評估翻修葉片的經濟性和可靠性。

2.2 葉片裂紋損傷與使用時間的關聯

調查發現，出現裂紋損傷的發動機總飛行小時基本都在45000FH以上，這是由波音737CL飛機老齡化帶來的相應的發動機老齡化問題。發現缺陷的發動機距上次大修出廠的飛行小時數沒有明顯規律可循，廣泛分布于4000～10000FH區間范圍內。

可以看出，裂紋出現的時間與發動機總循環呈高度相關性，但與發動機翻修后的使用循環的相關性較低。發動機上有很多壽命件，到達固定時限后必須報廢。但轉子葉片并不是具有硬時限的壽命件，因此并不會在特定時間點進行整套更換。一個葉片如果檢查正常，就會一直處于服役狀態。但長時間工作在惡劣條件下的葉片，其材料性能將有所衰退，易出現裂紋。

3 發動機工程管理

良好的工程管理可以為發動機的安全性、可靠性、經濟性的平衡帶來巨大收益，老齡發動機尤甚。除應特別關注發動機的孔探檢查外，發動機的工程管理還應該重點從以下幾方面入手。

3.1 發動機大修記錄的管理

發動機大修記錄的管理主要是指對發動機構型記錄、AD執行記錄、重要部件更換記錄等一系列的維修文件的管理。老齡發動機在維修上的主要特點是維修次數多，而且部件構型相對比較復雜，維修過程中對重要部件的構型控制難度較大。

老齡發動機維修記錄的管理，需要根據老齡發動機自身零部件構型復雜的特點，加強對修理報告中重要零件構型清單的管理，以方便發動機工程師掌握發動機的構型以及后期的有效控制。

發動機工程師在必要時應該全程跟蹤發動機大修情況，掌握重要零部件維修的全過程。對于因為成本原因選擇安裝的舊部件，應進行重點評估，使用中應加強管控，確保其能穩定、有效地運行。在進行發動機的裕度恢復時，應同時兼顧葉片與機匣的間隙問題。若間隙較小，則發動機裕度會較大，但葉片易與機匣刮擦，使維修成本上升；若間隙較大，則發動機裕度會較小，使油耗增加，造成運營成本上升。航空公司應與發動機維修廠家和制造商加強溝通，制定更加精準的針對老齡發動機葉片間隙的控制方案。

3.2 發動機狀態監控

發動機的狀態監控主要是指對發動機運轉的熱力學參數、機械參數的監控，包括發動機轉速、EGT裕度、滑油消耗、振動狀態和磁屑信息等。通過對發動機整個運轉過程的監控，進行數據采集，數據分析。這是實現發動機工程管理的基礎，通過直接檢查或間接分析的方法可及時發現發動機的異常。

除對發動機的實時監控外，孔探檢查也是一種比較有效的發動機監控手段。孔探檢查本質上是一種目視檢查方法，可以直接發現缺陷。許多根據發動機參數異常分析得出的可能損傷都需要通過孔探檢查進行確認，然后再采取進一步的糾正措施。發動機不僅需要例行的孔探檢查，在遇鳥擊或其他外來物損傷等突發事件中借助孔探手段可以較為準確地判斷發動機的適航狀態。

針對發動機核心機的維護與檢查，波音公司在其維修計劃文件（MPD）中給出了一系列的孔探檢查任務，包括高壓渦輪和燃燒室，但缺少高壓壓氣機的檢查任務。根據各航空公司和維修廠的經驗，建議將高壓壓氣機孔探檢查任務加入維修方案中，檢查間隔可暫定為4000FH。后續，應通過對發動機使用狀態的監控與分析，合理增加或減少維護任務或者改變維護任務的間隔。

3.3 拓展發動機的在翼修理手段

相比于車間修理，發動機的在翼修理的主要優勢是維修費用低、周期短，可最大限度地保證飛機的運營需求。因此，航空公司應盡可能拓展發動機的在翼修理能力，減少車間修理次數。

發動機轉子葉片在翼修理的主要方式是在翼打磨修理和TopCase修理。對于較小的裂紋損傷，可以通過孔探檢查的口蓋接近，對葉片進行在翼打磨，延長其使用時間。針對葉片打磨修理過的發動機，應加強管控，可適當縮短孔探檢查間隔并擇機進行葉片更換。對于超出打磨修理限制的葉片，則需要拆除大量的發動機外圍附件，打開TopCase，進行葉片的更換。

航空公司應通過合理的工程管理，盡量在葉片裂紋擴展的早期及時發現裂紋，這樣就可以用最簡單、成本最低的方式進行葉片的在翼打磨修理。裂紋的早期發現主要依賴于合理的維護計劃的制定。航空公司應以統計數據為基礎，合理優化并固定發動機孔探檢查的間隔，盡量減少發動機的非計劃換發，降低對飛機運營的影響。

4 總結

發動機維修價格昂貴，在整個飛機維修中占比很大，尤其是老齡發動機，營運人應投入更多的精力對其進行工程管理。這是一項復雜的系統性工作，需要發動機營運人、生產商和修理廠等多方面的共同努力、協作，不斷優化工程管理策略。良好的發動機工程管理應以保證發動機適航性為基礎，在其維修成本和運營成本之間找到合理的平衡，使總成本趨于最低。

參考文獻

[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

韓世進，工程師，主要負責CFM56系列發動機的工程管理及技術支援工作。

常城，高級工程師，主要負責CFM56系列發動機的工程管理及技術支援管理工作。