商用航空發動機批產試車數字化檢驗系統展望

江煒

摘要： 在航空發動機的研制、制造及大修維護等過程中，均需開展發動機試車，其主要目的是檢驗其性能及可靠性。當前，在商用航空發動機的研制工作中，針對科研試驗過程的數字化技術應用已呈蓬勃之勢，但對于批產試車，目前雖有零星探索，但總體仍為空白。基于此，本文展望商用航空發動機批產試車數字化檢驗系統，以期可以在未來能夠有效提升航空發動機試車檢驗水平，為航空發動機智能制造戰略的落實提供助力。

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.

關鍵詞： 航空發動機;試車;數字化檢驗;展望

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

中圖分類號：V263.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0193-02

1? 航空發動機批產試車數字化檢驗發展趨勢

航空發動機的工作條件極為惡劣，對可靠性要求極高。作為目前人類技術水平可實現的較高難度的機械裝置之一，其內部的結構、氣動和熱力特性極為復雜，往往難以通過計算和仿真準確詳盡地得出其真實的工作狀態，常常需要通過試驗對計算和仿真結果進行驗證。據統計，一型航空發動機研制工作一般需要進行10萬小時以上的部件試驗、4萬小時以上的材料試驗和1萬小時以上的整機試驗。試驗測試技術是發展先進航空發動機的關鍵技術之一，試驗結果既是驗證和修改發動機設計的重要依據，也是評價發動機部件和整機性能的重要判定條件。因此，試驗測試技術在航空發動機的設計研發、生產制造、大修維護等全生命周期中，發揮著獨特的作用。整機級試驗設備設施，特別是地面試車臺，作為試驗技術的典型代表，貫穿了航空發動機的設計研發、生產制造、大修維護等多個階段，在適航取證、批產交付和大修維護中均發揮著重要作用。航空發動機地面試車臺，主要用于航空發動機地面試車，測量推力、流量、轉速、壓比、排氣溫度裕度、振動等一系列氣動、熱力以及結構方面的參數，從而得到被試發動機性能。典型地面試車臺由試車間、進氣塔、引射筒、排氣塔、控制間、儀表間以及配套的水、電、油、氣等功能間所組成。試車臺的核心，是臺架測試和數據采集系統。該系統通過連接安裝在發動機上的傳感器或受感部，完成測點數據的批量化、自動化采集和處理，獲得可靠的試驗結果。

發動機試車檢驗過程，即是對數以百計乃至千計的通道參數進行全過程的數據監控、采集、判讀，通過對發動機參數的不斷調整，使得各項性能參數均能滿足出廠要求，以最合格的狀態提供飛行動力。發動機的檢驗試車主要是為驗證發動機的裝配質量、各項性能、各附件與主機的匹配性，順利完成提交任務。檢驗結果直接反應出發動機質量情況，從而決定了發動機能否交付，因此在整個試車過程中起到舉足輕重的作用。

傳統的人工檢驗方式，大量試驗過程記錄均由人工填寫，由于不同人員的能力水平的差異，記錄的數據質量良莠不齊。同時，紙質版數據在保存和檢索、追溯方面均存在巨大的困難。對于某些故障的判斷，紙質記錄無法及時調取作為排故過程參考，過度依賴現場人員經驗，影響排故效率。此外，由于目前的航空發動機越來越多地應用了全權限發動機電子控制器（FADEC）、發動機健康管理系統等高度數字化信息化的系統，大量數據潛藏在后臺，現有的人工檢驗方式往往僅聚焦于前臺呈現的關鍵數據，無法關注到后臺潛藏的一些數據，從而無法及時發現航空發動機檢驗試車過程中的潛在缺陷、故障或其征兆。近年來，隨著數字化信息化系統的應用程度、試驗測試技術的發展和計算機能力的不斷提升，單次發動機試驗過程中產生的試驗前臺及后臺數據的種類和數量均在大幅度增長。這對試驗數據的分類和管理提出了新的挑戰，數字化技術和新型信息系統在試車臺的進一步應用，已是箭在弦上。

隨著信息技術的發展，其在工業領域的應用也不斷深入。國內的很多行業紛紛嘗試將數字化制造、數字化裝配和數字化檢驗等理念引入，并實際應用在生產過程中。國內在已知的公開文獻或報導中，沈陽黎明航空發動機（集團）有限公司針對人員、設備等生產要素大量介入的復雜過程展開了深入研究，在試車過程監控中積極引入數字化概念，其通過計算機軟件技術及網絡信息技術的綜合運用，構建了航空發動機數字化標準樣機庫和判據庫，建立了試車過程數字化檢驗系統。實現了試車過程的狀態透明，為數據使用、分析和處理奠定了基礎。[1]中國燃氣渦輪研究院基于其“一院多點”的模式，部署了涵蓋試驗過程的綜合管理信息化系統，主要是實現了管理過程的信息化。[2]公開文獻中可查閱到的國外航空發動機試車過程數字化應用的信息較為有限。目前已知的應用案例有通用電氣（GE）航空集團，其從發動機批產試車交付到發動機在翼過程均實現了發動機數據的實時監測和健康管理跟蹤，并成功地應用了數字化工具對海量發動機數據進行分析比對，通過數據分析對發動機狀況及維修需求進行預測性判斷，以提高發動機可靠性，延長其在翼時間，助力其全周期成本的降低。上述案例均為在發動機試車檢驗或其相關領域成功應用數字化工具的典型案例，對于商用航空發動機批產試車數字化檢驗系統的應用前景指明了方向，起到了積極的引導作用。

2? 航空發動機批產試車流程分析

以某典型商用大涵道比渦扇發動機為例，其典型的批產試車工藝過程為：①發動機臺架安裝與準備（Engine assembly & rig for test）;②發動機冷運轉（Dry motoring）;③視情開展發動機水洗（Gas path cleaning，on condition）;④發動機假開車（Wet motoring）;⑤發動機點火與慢車檢查（Ignition & idle check）;⑥封嚴磨合運轉（Seal break-in）;⑦性能檢驗（Performance test）;⑧整機油封（Engine preservation）;⑨發動機下臺拆卸（engine de-rig & disassembly）。若完成上述工作，且發動機試車數據符合工藝文件或發動機手冊的相關要求，即可以認為發動機已滿足相關要求，通過試車檢驗。

由上可知，通常情況下，批產試車的試車程序較為固定，工藝方法基本固化，錄取的試車數據類型和數據量基本固定，試車過程的檢驗點易于識別，檢驗規則易于設置，檢驗判讀相對易于實施，通過自動化手段重復的可實現性較強。以上這些特點，使得未來商用航空發動機批產試車數字化檢驗系統的開發與應用具備了相當的可行性。

3? 航空發動機批產試車數字化檢驗系統功能展望

航空發動機批產試車數字化檢驗系統，應達到如下幾個效果：①檢驗工作的規范化;②檢驗信息的數字化;③檢驗判斷的標準化和自動化;④檢驗結果的直觀化;⑤檢驗記錄的電子化;⑥用戶使用便利化[3]。

目前，數字化應用系統設計中，廣泛采用的兩種主要結構形式分別為分布式和集中式。分布式系統設置了中心節點和子節點，各個節點可獨立采集數據，與主節點間通過通信接口實現信息互聯與指令同步。分布式系統具有如下優點：①適應性強;②可靠性高;③工作負荷低;④實時性較好;⑤維修升級方便。與之對應的集中式系統，主要具有如下特點：①開發使用方便;②成本較分布式低;③身份易變更;④主機任務重;⑤布線復雜[6]。基于試車臺的特點、各個子系統的規模和分布狀況，航空發動機批產試車數字化檢驗系統選擇分布式設計較為適宜。

系統可以采用分層架構，底層為數據采集和處理平臺，在其上為應用平臺，可以部署必要的應用功能模塊。系統功能設計中，應注重將傳統的典型工藝過程與數字化技術相結合，實時監控，使用自動化數據采集、記錄與報告生成代替傳統的人工填寫試車過程記錄單，由計算機代替原有的人工模式，對試驗數據，特別是原先人工模式下無法獲得或判定的一些后臺數據進行連續的自動化跟蹤、記錄、分析、判別，以及必要的數據后處理。同時結合新的數字化檢驗系統，重新設置必要的檢驗點，在各檢驗點對采集到的關鍵參數進行檢查和驗證，確認其符合性。在出現問題時，主動分析過程數據，形成參考意見。系統功能模型如圖1。

系統的具體功能，應至少包含如下內容：試驗執行系統（MES）將生產訂單和結構化工藝傳遞至本系統，數據采集系統將采集到的數據傳輸至本系統，系統根據預設的工藝過程和檢驗要求對數據進行實時檢查和判斷，參考預設標準，作出檢驗結論。系統同時能夠以圖形化的方式實時展示或復現試車過程數據，生成試車曲線、試車過程記錄單和試車報告。系統同時能夠在關鍵檢驗點到達前，提前以某種形式提示試車操作人員。系統可將數據和報表傳輸至試驗數據管理系統（TDM）;系統可將試車結果、故障信息和初步的故障判斷告知現場人員，并在現場人員無法決斷時，將上述內容直接推送至試車技術專家處，并同步作為生產信息反饋至MES系統中。系統還應對試車臺自身的設備健康狀況進行一定的監視，并作出必要的報警。系統通過一定程度的自學習，逐步實現故障類型的初步判別和解決方案提供。批產試車數字化檢驗系統未來還應能夠與發動機在翼健康管理系統實現一定程度的數據交互和支持，從而最大程度地支持發動機全生命周期健康管理。

4? 小結

我國商用航空發動機事業的發展，原有的人工檢驗模式已漸漸無法滿足新形勢的需要，這對試車檢驗提出了新的要求。未來，通過數字化信息化系統的應用，可以實現試車數據和試車狀態的實時監控和動態管理，最重要的是可以通過上述系統，取代原有的人工復核與檢驗的方法，實現試車數據后續的維護、管理、使用和追溯，甚至可以逐步通過自學習，實現故障類型的初步判別和解決方案提供。試車檢驗數據還能夠與發動機健康管理系統的數據實現交互，以發動機在翼全生命周期健康管理。航空發動機試車數字化檢驗系統的開發和應用，必將在未來有效提升航空發動機試車檢驗水平，為航空發動機智能制造戰略的落實提供助力。

參考文獻：

[1]劉婕，成立權，董艷菊.航空發動機試車過程數字化檢驗淺談[J].計算機光盤軟件與應用，2014，24：145-146.

[2]徐奇光，王曉東，杜嚴.基于航空發動機裝配、檢驗試驗的過程信息管理[J].測控技術，2014，33：451-454.

[3]劉小方.復雜武器裝備數字化質量檢驗系統構建分析[J].計算機仿真，2015，32（3）：19-22.