（中国航空旅游网www.cnair.com 新疆飞机维修基地 刘刚、施建伟、高畅报道）摘要：航空发动机核心机的涡轮段是发动机最重要的组成部分。由于其所处的苛刻的工作环境极易导致失效。本文就新疆区域运行的CF34-10E型发动机的使用特点进行分析，从而制定出一套较为有效的针对涡轮段部附件的监控、评定方法，以提高该区域发动机的使用寿命。
关键词：发动机 高压涡轮导向器 高压涡轮转子叶片 非计划换发 监控
核心机热段是涡扇发动机最重要的组成部分。高压涡轮段部附件由于长期处于900℃的左右的高温环境中而极易损伤、失效。近年来，随着机队规模的扩展，因核心机高压涡轮段部附件失效导致的非计划换发愈来愈频繁。飞机运营商若不能掌握受损的高压涡轮段部附件的变化趋势并及时采取应对措施，则有可能会造成发动机空中停车等不安全事件的发生。
新疆地域多沙尘的特点决定了在新疆区域运行的CF34-10E发动机也具有其典型的运行特色。本文就该型号发动机高压涡轮段部附件的失效原因、预防监控措施及发动机根本改进措施等方面展开论述。
1 CF34-10E发动机简介
CF34发动机是美国GE公司飞机发动机集团研制发展的中等推力系列大涵道比先进民用航空发动机。CF34发动机的核心机由9级高压压气机和单环型燃烧室以及1级高压涡轮组成[1]。
CF34-10E发动机的推力为20000磅，是CF34系列中推力最高的。目前，超过65家运营巴西工业航空公司E190/195飞机和巴西航空世袭1000公务机的运营商使用着1400多台CF34-10E发动机。目前我公司运行着10架ERJ190-100飞机共计安装了20台CF34-10E发动机。
2 新疆区域运行的CF34-10E发动机更换情况及原因分析
据统计公司运行的10架ERJ190-100飞机自2011年引进以来共计进行了16台次的非计划换发。换发原因为高压涡轮段部件的损伤超标及滑油渗漏超标。高压涡轮段部件的损伤分别为HPTN（高压涡轮导向器）损伤及HPT（高压涡轮转子）叶片前缘损伤，占非计划换发的81%。
2.1 核心机损伤原因分析
新疆地区的干旱、多风沙地理环境导致形成了该型发动机高压涡轮段部件的损伤：
2.1.1 HPTN损伤
新疆区域因HPTN叶片损伤而换下发动机的具体情况均为叶片凹面裂纹超标。手册要求单条裂纹不超过19.10mm，实测损伤裂纹总长度为20.81mm，超手册标准，更换发动机。
厂家通过硬件调查发现沙尘堵塞冷却通道是造成HPTN烧蚀并产生裂纹的主要原因。
2.1.2 HPT叶片损伤
新疆区域因HPT叶片损伤而换下发动机的具体情况均为叶片前缘产生裂纹或者前缘材料丢失。手册规定HPT叶片前缘不允许有裂纹或者材料丢失。
极其细小的尘土粉末积聚在HPT前空气封严的平台部，随着积聚量的增大，大块沙尘从HPT前空气封严的平台部崩落并进入HPT叶片，堵塞3-4号冷却气道转折处，造成涡轮转子叶片前缘冷却空气缺失而无法形成有效的冷却气膜，从而导致HPT叶片前缘暴露在高温气流内过热并承受过载拉力。当烧蚀量累计到一定程度后，最终演变为前缘出现裂纹甚至材料丢失等情况。
2.2 国内外典型区域机队数据对比
不同地域的环境决定了在该区域运行的发动机的使用寿命，而且在翼使用时间相差较大。
2.2.1国内机队数据对比
根据GE在2015年安博维年会发布的统计资料显示，国内情况为：新疆非计划吊发的平均在翼时间为6600小时，天津区域的非计划吊发平均时间为8000小时，而广州区域的在翼使用时间更长，截至2015年，尚未有因高压涡轮段部件损伤而导致的换发情况[2]。
从换发原因上看，新疆下发的原因主要为HPT叶片前缘损伤，而天津区域下发原因则主要为HPTN裂纹，HPT叶片前缘损伤仅占很小的比例。
2.2.2 国际机队数据对比
从国际范围看，HPT叶片前缘损伤是中东地区CF34-10E发动机的非计划换发的主要原因。其HPT叶片失效模式与新疆地区极为相似，截至2015年中旬，已发生了14起因高压涡轮转子叶片3-4号冷却气道转折处堵塞而造成的换发情况，下发的平均在翼时间为4800小时[2]。
由以上情况可以看出，新疆区域运行的特点介于中东环境和沿海环境之间，高压涡轮段部件失效模式既有中东区域典型的HPT叶片损伤失效模式又有沿海区域典型的HPTN损伤失效模式。而且，在新疆区域，HPT叶片损伤失效模式比例超过半数，因而更加类似于中东区域模式。
3 新疆区在翼发动机高压涡轮段部件损伤监控方法
作者仔细分析了这些高压涡轮段部件失效的模式，从最初的前缘材料氧化变色逐渐发展到烧蚀现象，进而发展为产生裂纹或者材料丢失的过程，可能从几百小时到几千小时之间不等。失效之前能够被发现的几率较小，致使发动机在运行过程中存在着较大的风险。作者通过多年对改型发动机的管理工作，总结出了一套较为完整的监控措施。
3.1 发动机孔探监控
定期对发动机高压涡轮段部件进行孔探检查是发动机监控工作中的最重要内容，通过对孔探录像的分析可以评定出一台发动机的性能状态。
3.1.1 制定合适的孔探检查间隔
根据不同发动机各自不同的状态制定相应的孔探间隔时间，有利于及时发现各类损伤。
公司MRO（维修要求系统）要求“特别详细（孔探）检查燃烧室、燃油喷嘴和高压涡轮第一级静子组件”、“特别详细（孔探）检查发动机高压涡轮转子叶片前缘和后缘”的检查间隔为3750FH[3]。作者根据新疆区域特点及发动机日利用率等数据将机队发动机的HPTN和HPT的检查间隔缩短为750FH；同时对于个别烧蚀严重的发动机视情进一步缩短检查间隔。
截止2016年7月，通过孔探检查共发现4起HPTN裂纹长度超标、8起HPT叶片前缘损伤超标而换发的事例。
3.1.2 延长孔探检查时间
对于已经出现HPT叶片烧蚀的发动机进行孔探检查时，要求孔探人员检查高压涡轮转子叶片的时间从原来的的1分钟左右延长至2.5分钟以上，以便发动机工程师复检时评估损伤发展速率。对于孔探人员在孔探过程中发现的疑点，需要时联系发动机工程师现场确认。
3.1.3 根据高压涡轮段部件前缘烧蚀颜色预计损伤突变时间
作者通过研究多台HPTN、HPT叶片前缘烧蚀损伤而换发的孔探录像，最终明确了通过观察前缘烧蚀颜色的变化来预计损伤突变的时间的方法，成功的估计了2台发动机的下发时间。
3.1.4 做好复检把关工作
发动机工程师每日复检“发动机管理中心”的孔探报告记录；对上传的孔探检查录像进行再次审核，对于审核过程中发现的疑点及时与检查人员进行确认，以保证发动机的安全使用。
3.2 严格执行发动机性能监控工作
发动机性能监控是保证发动机正常使用的重要手段。通过监控核心机的振动值可以侧面反映出核心机旋转部件（主要是HPT）的平衡性能。
当HPT叶片损伤导致材料脱落时，核心机振动值会有相应的变化。因而，当监控到核心机振动值突变时，需在最短的时间内对高压核心机系统进行全面孔探检查，以确保核心机部件的完好性。
3.3 增加发动机减推力起飞的使用
飞机起飞时，为了能够获得足够的起飞速度、保证飞机的安全，飞行员往往采用全推力起飞模式。在此模式下，发动机使用最大量的燃油供油量，从而导致形成了较高的EGT（发动机排气温度），容易对HPTN及HPT加速烧蚀。在机场跑道长度及环境条件允许的情况下，飞行员通过减推力起飞的模式可以大大降低起飞时的EGT，从而减少对HPTN及HPT烧蚀，对提高发动机的在翼使用时间有着极大的影响。
4 发动机本体改进措施
发动机制造厂家也一直致力于提高小型号涡扇发动机在多风沙区域的在翼使用时间，从发动机本体上提出了一系列的改进措施。
4.1 高压涡轮导向器[2]
厂家已公布新设计的高压涡轮导向器：在件号为2118M27G02老构型的基础上，推出了优化内平台后部并增加内外平台的冷却能力的件号为2118M27G05的新构型HPTN以及增加Pt、Al镀层以改善前缘和后缘的烧蚀情况。当发动机进厂硬件暴露时，安装新构型的高压涡轮导向器。
目前已有商务计划支持升级件号为2118M27G02的老构型的高压涡轮导向器到2118M27G05或2118M27G06的高压涡轮导向器。
4.2 高压涡轮转子叶片[2]
厂家有针对性的提出了沙尘环境的硬件包，重新对几个重要部件进行了设计，以提高高压涡轮转子叶片在高温多尘环境的适应性。
4.2.1 取消了高压涡轮转子叶片前缘内部冷却横隔板
老构型的高压涡轮转子叶片内部有铸造的前缘内部冷却横隔板，分隔出1号冷却腔和2号冷却腔。在多尘的运行环境，尘土会在冷却横隔板的下方堆积，同时冷却横搁板上的开孔将被堵塞，从而导致叶片前缘的约25%展长处出现过热点，进一步发展下去则会在过热点下产生裂纹。
针对此情况，GE颁布SB 72-0198，取消高压涡轮转子叶片前缘内部冷却横隔板。
4.2.2 重新设计高压涡轮转子前空气封严
为提高多尘环境下高压涡轮转子叶片的使用时间，GE颁布SB 72-0213，增加高压涡轮转子前空气封严（FOS）的平台倾斜角度，减轻尘土堆积和覆盖的程度，降低尘土在高压涡轮转子叶片内部产生堵塞的概率。
4.2.3 重新设计高压涡轮导向器内侧前支撑环的沙尘折流板
针对多尘环境用户，GE颁布SB 72-0169制定了高压涡轮导向器内侧前支撑环的使用方案，新的部件装有沙尘折流板。沙尘折流板可以将沙尘从高压涡轮转子叶片冷却空气入口偏转到高压涡轮导向器叶片前缘，以减少尘土对高压涡轮转子叶片内部的堵塞。
5 结束语
民航发动机的价值约占民航飞机飞机总价值的三分之二，而且发动机可靠性的高低直接影响着民航飞机的运行安全。目前世界民航发动机的更换原因中，非计划换发占据了80%以上，而高压涡轮段部件的损伤换发超过非计划换发的80%。因而掌握高压涡轮段部件的有效监控方法以延长发动机的在翼使用寿命是发动机管理工作的重要内容。本文结合新疆区域多沙尘环境下CF34-10E型发动机的管理经验，简单剖析了该型发动机高压涡轮段的监控、使用注意事项等内容，以期提高改型发动机使用的可靠性和安全裕度。
参考文献
[1]GE,CF34-10E:SYSTEMS DESCRIPTION SECTION 72-00-00 TURBOFAN ENGINE,2016
[2]GE,Presentations for EOC China 2015:EOC CHINA 2015 TECHNICAL WORKSHOP,2015
[3]中国南方航空股份有限公司E190飞机维修要求系统：第三章 系统
