某型民用航空发动机结构维修性设计优化研究

2021-09-26陶金

内燃机与配件 2021年16期

摘要：通过对民用航空发动机维修性定性设计方法、结构优化改进方法、虚拟维修技术的研究，以及在某型发动机研制过程中的应用情况，分析了设计过程开展结构维修性优化改进的措施及收益，为后续民用航空发动机研制全面推行结构维修性设计优化及提前识别维修性设计缺陷，提高维修效率，降低全寿命周期的维修成本具有重要意义。

关键词：航空发动机;维修性设计;优化改进

中图分类号：V263.5 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0031-03

0 引言

维修性是指产品在规定的条件下和规定的时间内按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力[1]。

航空发动机被誉为工业皇冠上的明珠，其重要性不言而喻，由于发动机结构复杂、零件数量多、工作条件恶劣，极易出现故障，且故障模式多而复杂，因此良好的航空发动机维修品质是保障发动机持续安全运行的重要环节，其维修性的好坏，将直接影响飞机的出勤率和发动机航线维修使用成本[2]。

航空发动机的维修性是设计出来的，对维修性的优化改进应贯穿到发动机的全寿命周期，但起决定性作用的还是设计阶段，即发动机的设计过程中应充分考虑维修性设计要求并将维修性设计思想融入到结构设计中[3]。国外成熟发动机研制公司如CFMI公司在研制CFM56系列发动机时除了贯彻6项维修性要求，还邀请维护人员参与发动机的设计改进工作中，并对整机和单元体以及重要的零部件的维护性设计进行评审;GE公司在GE90发动机研制过程中多次组织特邀飞机制造公司、航空公司的代表参加的专题评审会，与用户一起对其维修性设计进行评估，以改善维修性设计;而RR公司的遄达系列发动机则被作为解决跨世纪未来发动机维修性设计的典范，足见维修性设计的重要性[4]。

本文主要介绍了民用航空发动机侧重于结构设计的维修性定性要求设计、一体化设计、虚拟维修等方面设计内容，并以某型发动机为例分析了以上维修性设计的结构优化改进措施。

1 维修性定性设计

维修性定性设计准则主要包括单元体设计、可达性设计、标准件及互换性、防差错和标识设计、冗余设计、维修安全设计及其他。其中主要可以在结构设计中重点考虑的维修性优化设计主要包括单元体设计、可达性设计、标准件及互换性设计、防差错和标识设计，具体内容如下：

1.1 单元体设计

单元体是指一组作为发动机组成部分的组合件、零件，由结构和工艺保证，按照一定的设计要求，组成一个性能和结构相对独立的单元[5]。单元体设计是航空发动机广泛采用的模块化设计方法，民用航空发动机单元体通常分为风扇增压级、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮等，具体的单元体数量及划分方案需综合考虑结构方案、布局及试制供应商等方面差异，如CFM56-7B有4个主单元体和17个维修单元体，PW4000有11个维修单元体，GE90有4个主单元体和19个维修单元体等，某型发动机共设置了4个主单元体和17个维修单元体，在研制过程中对单元体设计进行了优化，其改进措施包括：

①取消压气机后静子散件状态的维修单元体层级，同时将燃烧室机匣和火焰筒合并为一个维修单元体;

②为实现风扇增压级单元体，将核心机高压转子前端压紧大螺母由前拧紧的安装结构变为后端拧紧的安装结构;

③针对使用维修频次、时限寿命相当的燃烧室单元体和高压涡轮单元体，划分为联合主单元体，与压气机并行装配，提高核心机单元体装配、维修效率;

④单元体界面间接口如安装边增加顶丝孔和定位销钉;

⑤单元体界面间结构尽可能简化：在满足强度、气动、传热等相关专业的功能需求前提下，将单元体界面划分更为清晰，连接结构尽量简化、便于维修与更换。

通过以上改进措施，达到单元体划分更为合理、故障单元体维修更为便捷、单元体换装更为快速等目的。

1.2 可达性设计

通过可达性的设计，使得各零组件间拆装空间合理可达，对应的维修操作满足“看得见、够得着”的目的。尤其在航線使用维护过程中，针对航线可更换组件，其良好的可达性将直接影响维修效率与维修便捷性。

某型发动机通过可达性优化设计，针对易损件、消耗件、需要测试或调整以及航线可更换的相关零组件，进行布局及空间间隔尺寸优化设计，同时增加拆装路径的尺寸限制要求，并在设计阶段提前评估维修工具及维修人员操作空间等，最终通过装配干涉检查等环节确认装拆路径上是否直观可达、可维修，以确保其可达性。

1.3 标准件及互换性设计

在结构设计中，综合考虑功能后，针对不同部位的连接件、紧固件、密封件等小零件，应尽可能统一规格和种类，尽可能选用标准件，同时同类别零组件考虑具有互换性，对快速换装、减少维修工具数量、降低维修成本具有重要意义。

某型发动机在研制过程中，以需求为牵引，持续不断的开展标准件数量及规格的精简工作以及自设件替换为标准件的评估工作，以期提高维修效率，降低试制、使用及维修成本。

1.4 防差错和标识设计

通过防错设计及增加标识设计，可以提高维修效率，方便快速定位与查找，防止出现人为判断导致的错误装配等质量问题。

某型发动机在防差错设计优化改进中，主要开展了以下工作：

①对称部位结构采用不对称紧固件：如各机匣安装边设置防错偏置孔;法兰安装座螺栓间距不同等;

②涉及流体连接件及管路进行标识;

③有朝向的成附件、传感器设置非对称连接结构;

④测试点及检查点设置醒目标识。

除了以上措施还制定了详细的典型结构件防错设计准则，通过这些结构优化设计措施可极大的避免发生误装或装错的风险，同时提高维修效率。

2 其他结构维修性优化设计

某型发动机在研制过程针对装配困难、干涉、维修性差等问题进行全面收集与整理，识别典型故障问题并考虑结构改进方案：

①某型发动机首台整机试验件在停车后进行压气机零件导叶孔探检查时，其孔探安装堵头无自锁功能，且装拆空间紧张，需要分解装拆路径上的支板蒙皮结构，此时发现支板蒙皮安装螺栓设计为一字型的螺栓头结构，导致拆装过程中螺栓分解困难且容易损坏，严重影响维修检查效率。

针对此项问题，后期优化改进孔探堵头安装座结构，增加自锁功能;同时支板蒙皮安装螺栓头改善为内六角的结构，解决了不易装拆的问题。（图1）

②某型发动机首台整机试验后，进行各部件孔探检查时发现，从增压级转子沿轴向至低压涡轮孔探检查孔的周向分布角度差别较大，往往需要操作人员从发动机的一侧到另一侧开展检查，同时局部的角向位置分布在发动机的偏上方区域，需要借助梯子等工具进行检查，操作极为不便。

针对这一问题，后期优化改进了孔探孔的周向分布，尽可能靠近偏下方区域，同时沿发动机轴向位置尽可能靠近同侧方向。

3 一体化结构设计

航空发动机结构设计的越简单，零件数目越少，其维修就越容易，维修成本就越低，因此发动机在设计过程中综合所有功能需求后会结合简化结构的方向进行改进设计，其中一个方向就是一体化结构设计。

某型发动机在设计过程中就广泛的采用了一体化融合设计，包括对燃烧室前置扩压器和压气机末级导叶的融合设计，对风扇出口导叶和空心承力支板采用融合设计并对中介机匣内外框架进行分体装配，通过这些措施实现结构简化的目的，提高了维修效率。

4 MBD技术及虚拟维修

随着全三维数字化技术的应用推广，航空发动机研制过程逐步通过三维数模设计技术开展设计，其典型特征是基于模型的定义（Model Based Definition，简称MBD），即用三维实体模型作为产品整个研制过程中的唯一数据源，并将其应用于设计、制造、装配、使用维护，从而在产品设计阶段提前发现和解决问题，提高了产品的可制造性、可装配性和可维护性[6][7]。

基于MBD技术使得虚拟维修技术成为现实，并日趋受到重视，通过设计阶段的虚拟维修性分析评估，可从维修性的角度提前发现设计缺陷进而改进结构设计，提高了产品的可维护性，节约了研发费用，缩短了研发周期，其作用与邀请客户和维护人员提前参与设计过程有异曲同工之妙。（图2）

虚拟维修主要指在包含产品数字样机、维修人员人体模型的虚拟场景中，通过驱动人体模型完成整个维修过程仿真的技术[8]。

目前某型发动机的研制过程中基于虚拟维修技术的优化设计尚处于初期阶段，初步开展了基于模型的动态/静态干涉检查，同时考虑人体和工具的使用情况，此项技术的研究仍在持续开展。

相比传统的维修设计，其具有成本低，效率高、受限少的诸多优势，是未来提高维修性设计的一项重要技术，值得深入研究与探索。

5 结语

本文通过研究维修性定性设计方法、结构优化改进方法、虚拟维修技术以及相应技术/方法在某型发动机研制过程中的应用，分析了在设计过程开展结构维修性优化改进工作的收益及影响，为后续民用航空发动机研制全面推行维修性设计优化、提前识别维修性设计缺陷、提高维修效率、降低全寿命周期的维修成本具有重要意义。

参考文献：

[1]GJB451A-2005，可靠性维修性术语[S].总装电子信息基础部：宋太亮、张宝珍、丁利平、何成铭、朱小东、刘益新、王江山、高兴华、曾天翔、张康宝、孙书鴻、孙惠琴、俞沼，2005.

[2]吴凤柱.浅谈民用航空发动机维修性并行设计[J].经济技术协作信息，2012（19）：94.

[3]李宇新.大涵道比涡扇发动机可靠性、耐久性及维修性设计[C].中国航空学会2007年学术年会，动力专题（69）.

[4]李卫东.CFM56-7航空发动机维护性设计特点分析[J].航空发动机，1999（1）：12-15，19.

[5]GJB3817-99，航空燃气涡轮发动机单元体设计要求[S].航空工业总公司：朱锦灿、董奇志、陈勤生、武文华、陈光、于树籓、冯志明、邹龙政，1999.