李书明，王凌云，黄燕晓

（1.中国民航大学 航空工程学院，天津 300300；2.中国航空大学 职业技术学院，天津 300300）

0 引言

随着航空高科技的迅速发展，航空涡扇发动机的结构和工作系统日趋复杂，使用寿命也越来越长。但是涡扇发动机的性能随着时间的推移总会下降，进而发生故障或失效。涡扇发动机的维修性决定了能否迅速、经济地修好它。

由罗－罗公司发表的有关统计分析资料表明，现代飞机成本中发动机所占的比例已经高于32%～53%，因此各大航空公司必须共同关注的问题之一是如何降低目前呈上升趋势的、占直接经营成本14%～18%的发动机维修费用。当然，要减少民航涡扇发动机的维修费用，在很大程度上依赖于发动机的可靠性和结构以及总体布局的设计水平。在设计上，易于维修的发动机，能以较少的维修费用在最短的时间内经过维修使其性能恢复到良好的状态。归根结底，无论是未来或者正在生产的新型发动机，发动机的维修性设计是制造商值得进一步探讨的重要问题之一。

1 维修性设计的概念

维修性设计是指从维修的观点出发设计产品，保证当产品一旦发生故障，能更容易地发现故障，易检修、易拆、易安装，即可维修度要高。维修的费用、工时以及产品的利用率直接受到维修度的影响。零组部件的标准化、互换性和维修的可达性成为设计者应该考虑的主要问题。从系统设计开始就应考虑其维修性，为此设计人员要有机地将性能设计、可靠性设计与维修性设计结合起来。

2 维修性设计准则

维修性是民航发动机的固有特性。一旦发动机设计完成装备到飞机上，就冻结了其维修性设计，在使用中再加以改进就难上加难了。近年来，在新型号的发动机设计之初，负责人均要对整机以及各部件的设计方案进行维修性分析、检验，使其所设计出来的发动机具有优良的维修性。综合了发动机维修性设计经验和使用经验，负责人在制定维修性的设计方案时，应充分考虑如图1所示的维修性设计准则。

图1 发动机维修性设计的准则

3 实例应用分析

（1）“模块化”设计指采用了单元体设计。在外场维修发动机时单元体设计可采用单元体拆装，同时不会发生相互干扰的情况，完成单元体更换后再不需要重新调整旋转件和补做验证，甚至有些单元体更换时还可以在飞机上进行。采用模块化设计，不但能够更迅速地对各单元体修复，并且还可以只视情维修或更换有故障的单元体。只需几种常用工具就可以进行外场拆装、更换单元体，简便快捷。

（2）“可达性”设计是指当发动机发生故障进行维修时能提供达到的通道，容易接近需要维修的部位并且能操作自如。如：PW4077D发动机的压气机，为便于叶片检修和更换采用了对开式机匣设计；为了在外场能方便地更换高压压气机叶片，CFM56-5B发动机的高压压气机静子机匣则采用分半式设计，但是为避免分半式机匣设计在热天飞机起飞时，由于高压压气机后面级温度过高而引起的机匣周向变形不均，后面级一般都采用双层机匣，同时采用低线膨胀材料来降低变形量。由于涡轮部件温度过高，则只能采用整环机匣设计，也无法实现外场更换叶片。

（3）“标准化”设计是指优先选用面向通用、符合国际标准、适用范围较广泛的设计，并尽量减少品种和规格。“互换性”是指按标准化的概念，使产品的零件、部件在形状和位置上、尺寸和功能上具有互相代替的能力。具有互换性和通用性的标准件，不仅有利于设计和生产，而且在局部飞行故障抢修中也有重要的意义。新型发动机GE90外部螺柱和螺母采用了统一标准，并且采用标准工具拆卸和安装可更换件。

（4）“防差错措施”设计指为避免维修中的操作差错所采取的措施。如燃油箱加油盖油滤未放平、卡圈没装好、口盖没拧好等维修差错，曾造成了机坏人亡的严重后果。因此，从结构上就应消除发生维修差错的可能性，只有装对了才可以装的上，这样才能立即发觉并纠正差错。“识别标志”是指为防止混乱，避免差错而在维修的零部件、工具、备品等上面做的明显标识记号。如用不同颜色、字母、图案等清晰、易识、耐久标志对发动机外形相近而功能不同的零部件进行识别。

（5）“检测诊断”设计对维修有重大影响。通过全权限数字发动机控制器（FADEC）对地面和机上实行全面状态监控，依靠QAR数据实施趋势分析和性能监控。机上监控即驾驶舱监控，包括速度（N1、N2）、排气温度（EGT）、燃油流量（WF）、振动水平、润滑油温度和压力（压差）、油滤旁路指示及其重要组件的故障显示等。地面监控包括飞行参数（海拔、马赫数、总空气温度等）的记录、内窥检查等。这些措施不仅可实现发动机故障诊断及性能评估，而且可实现由视情维修替代定期检修。

（6）“人素工程”设计是指用科学知识进行产品设计，实现有效的使用、维修和人机结合。人素工程主要研究维修中人的各种因素，包括心理因素、生理因素和人体几何尺寸与机器的关系，以提高维修工作质量和减轻维修人员疲劳。如：为便于维修，大多数发动机的控制单元和齿轮附件箱都安装在发动机的上面；GE90发动机的19个孔探中就有17个安置在发动机的左上面。

（7）“保证维修安全”设计是指保障维修人员的安全或产品完整的一种设计特性。维修发动机时为避免在维修中因启动、操作而发生的维修安全隐患（触电、失火、爆炸等），应采取一定的安全措施，如涂写警告标志、接地、采用紧急断路开关等。

4 现代涡扇发动机维修性设计的趋势

（1）子单元体设计技术：在单元体设计基础上，现代发动机结构进一步细化主单元体，转向子单元体设计。发动机的总体性能及机械特性在单独更换后不会受影响，故采用子单元体设计，故障件的分离更快，拆装时间就越短，维修也会越方便。

（2）整机平衡技术：随着允许外场更换零件数量的增加，整机平衡技术作为机上维修的重要手段在西方现代民用涡扇发动机维修性设计中得到了广泛应用，结合先进的CAD（计算机辅助设计）技术更易实现发动机转子平衡配重的调整。

（3）计算机辅助设计技术：计算机辅助设计技术不但广泛应用在民航发动机设计、故障诊断分析中，而且在维修性的仿真试验领域内也大显身手。如美国通用电气公司（GE）利用卡尔马（CALMA）公司的数据分发管理（DDM）软件和GEOMOD软件结合，成功解决了在CF6-80C2发动机研制中的零件安排、系统布局等问题。

（4）电控下的可达性：在维修发动机时维修人员能通过电控系统快速接近维修部位，主要措施包括：①降落前FADEC自动启动飞行中的快速冷却程序，增加核心机周围的冷却空气量和冷却润滑油量，方便维修人员能迅速接近发电机；②发动机短舱罩用动力开启；③接头均采用自锁结构，不使用开口销和保险丝；④润滑油管路采用的自封严接头等都是由电子控制系统自动控制。采用这些措施不但减轻了维修人员的工作量，还减少了维修费用，降低了维修成本，提高了发动机的可靠性和经济性。

5 结束语

民航涡扇发动机的维修工作量、耗用时间与费用并非只取决于维修本身，发动机故障的有效预防也不是维修就可以完成的。在型号设计之初把维修性当作关键要素能够从根本上改善其维修品质，力求新发动机在投入航线之前维修性设计达到最大可能的完善。

（1）国外先进民航发动机制造商相当重视发动机的维修性设计，设计过程中严格按照维修性设计准则并采用许多措施以方便维修，设计并制造出来的航空发动机维修性设计合理、性能优良并且可靠性高。

（2）我国在这方面比较落后，我们应广泛搜集资料，汲取国外先进经验，把维修性设计理念充分应用于自主研制的发动机上，确保维修性设计在民航涡扇发动机的结构完整性方面的重要地位。

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