某型涡轴发动机LRU布局设计

向有志

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

航线可更换单元（Line Replaceable Unit，简称LRU）作为一种实时便捷更换单元，可以在民用飞机运营过程中实现故障快速检测/定位/隔离/维修等措施。合理的LRU不仅可以有效提高民用飞机的维修效率，避免飞机停场（Aircraft on Ground），简称AOG）现象，而且可为修理级别分析(Level of Repair Analysis,简称LORA)和维修资源保障提供有效的输入，降低维护成本并提高可靠性[1-5]。同样，先进涡轴发动机普遍通过采用LRU布局设计的方式来提高发动机维修性，将维修频率高的单元或附件设置在便于维修的部位，以此来降低发动机维修难度、缩短发动机维修时间，最终达到降低发动机维修成本的目的[6]。

本文通过分析涡轴发动机LRU布局设计一般原则，完成了某自主研制的民用涡轴发动机的LRU布局设计。

1.涡轴发动机LRU布局设计原则

在涡轴发动机LRU布局设计中，尚未有通用的设计原则，在民用飞机领域，根据参考文献[5]，LRU设计考虑的主要因素包括：

（1）经济性。在民用飞机LRU划分过程中，若研究对象更换超出经济性指标限制，则部附件不适宜作为LRU；如果LRU划分不合理，将导致航材购置及库存成本升高。

（2）可靠性。可靠性指标是影响LRU划分的一个关键因素，对于故障发生较为频繁，即平均故障间隔时间较小的部附件，在给定的可靠性指标范围内影响签派可靠性的部附件应当考虑设计成LRU。

（3）测试性。根据有关民用航空统计表明，至少10%的延误是由于测试性造成的，LRU划分时应以功能互相连接数最少和故障隔离到正确单元为原则。

（4）维修性。维修性设计是与LRU划分密切相关的一个主要影响指标，通常用航线平均修复时间进行衡量，它不仅是维修性的一个基本度量，还是维修性设计参数的要求值。

（5）重量。LRU划分必须考虑到重量的影响，对于飞机而言每一个部附件都会分配具体的重量指标，重量直接决定了部附件在发生故障时是否可以实现快速航线维修，是否方便运输等。

（6）维修工程分析。维修工程分析通常以保障性进行衡量，保障性通过修理级别分析对LRU划分过程中的维修资源、维修能力进行匹配度研究，如果航线没有足够相应航材、没有相应设备及能力完成故障修复，则不能设定为LRU。

因此，在涡轴发动机LRU布局设计中，考虑的主要因素也可参考，此外应将确定的LRU设置在可达部位。

在设计之初，要分析以上因素，并根据外场发动机使用情况或其它同类型发动机LRU选择情况来确定LRU清单，一般是将在外场更换/维修频率高的单元作为LRU，主要涉及各系统的一些外部成附件，如泵、油滤、传感器、活门组件、点火装置等。在确定了LRU以后，需要在满足可达性的要求下完成LRU的布局，而在可达性考虑中，应主要考虑发动机进气方式及动力舱的布局。

1.1 进气方式对LRU布局影响

一般来说，发动机有径向进气及轴向进气两种进气方式，对于轴向进气的发动机，附件传动普遍采用上传动的布局方式，因此，LRU普遍布局在发动机上方，如某军用发动机发动机；对于径向进气的发动机，附件传动一般设置在发动机前部，因此LRU一般布局在发动机前部的上半部分。

1.2 动力舱形式对LRU布局影响

直升机动力舱的形式也直接影响LRU的可达性，如某民用发动机动力舱平台、前防火墙、中防火墙和后防火墙为固定墙，侧面防火墙和舱盖为一体，可向后部滑动，打开动力舱；同时，以前防火墙为界，前整流罩可向前部滑动，对于这种动力舱设计，其前部维修空间受进气道影响较大，因此，为提升可达性，需将前部的进气道进行分段可拆卸的设计。而某军用发动机动力舱平台、前防火墙、中防火墙和后防火墙为固定墙，侧面防火墙和舱盖为一体，可向侧面打开并作为维修人员站立的平台，对于该类型动力舱布局，LRU设置在发动机上部即可。

此外，在LRU布局设计中，为进一步提升其可达性，普遍采用附件传动单元体设计，并考虑将燃油滤、滑油滤等壳体集成在附件机匣上，即设计油滤组件，外场更换时仅更换滤芯即可。

在完成LRU布局设计后，一般需通过物理模型的模拟检查或装机实际维护性检查，如图1所示。在检查时，主要考虑动力舱形式、发动机安装位置、操作空间等方面进行分析，分析后提出LRU布局设计相关完善要求，与直升机方协调进一步完善LRU布局，提升发动机维修性。

图1 虚拟维修检查示意图

2.某型涡轴发动机LRU布局设计

某型涡轴发动机是我国自主研制的先进民用涡轴发动机，其维修性及经济性要求较高，因此在设计之初便将LRU设计理念贯彻至发动机设计中。

2.1 LRU范围的确定

该涡轴发动机的研制是按适航要求完成的，因此在LRU清单确定过程中，主要参考了某发动机在外场的使用情况，将外场维护检查率较高的附件作为了LRU，主要包括：

（1）燃油与控制系统附件：燃油调节器、组合泵、燃油总管、散热器、交流发电机、燃油滤、压力传感器、温度/压力组合传感器、Np传感器、Ng传感器等；

（2）滑油系统附件：滑油泵、滑油滤、压力传感器、温度/压力组合式传感器、滑油冷却装置等；

（3）电气系统附件：点火电嘴、点火装置、起动发电机（直升机附件）等。

2.2 LRU布局

由于该型涡轴发动机采用轴向进气，为单转子燃气发生器、功率前输出的涡轴发动机，考虑到与某型军用涡轴发动机的继承性，参考某军用发动机的布局形式，结合发动机进气方式及动力舱形式最终完成了LRU布局。

（1）进气方式分析。该型涡轴发动机进气方式为轴向进气，因此将附件传动布局在进气机匣上方，且采用上传动的方式。

（2）动力舱形式分析。由于该型涡轴发动机拟装机对象为现有直升机，其动力舱形式与某军用发动机动力舱形式类似，动力舱平台、前防火墙、中防火墙和后防火墙为固定墙，侧面防火墙和舱盖为一体，可向侧面打开并作为维修人员站立的平台。基于此动力舱，将前期确定的LRU均布局在发动机上方。

此外，在附件传动单元体设计中，为方便内部油路设计，采用了油滤组件的设计，将燃、滑油滤芯和燃滑油散热器等燃、滑油附件的油滤组件一体化设计，这样可有效减少外部管路。最终完成了LRU布局设计。

在完成LRU布局初步设计后，采用模拟装机的方式对发动机的维护性进行了初步分析，在分析时，考虑发动机舱、发动机安装位置、操作空间等因素影响，分析结果表明，该型涡轴发动机装机后左、右发LRU维修均可达性较好。

3.结论

（1）本文根据民用飞机LRU设计考虑因素，分析了涡轴发动机LRU布局设计的可达性一般准则，据此，以某型涡轴发动机为例，在LRU布局设计中，基于某型军用涡轴发动机外场使用情况，确定了LRU清单，结合发动机进气方式及动力舱的形式，最终完成了LRU的布局设计。

（2）基于LRU布局设计的结果，完成了物理模型的装机检查，检查结果表明满足维护性要求。

（3）本文所提LRU选取因素及布局设计一般准则，对开展航空涡轴发动机LRU设计具有重要意义，可为发动机维修性设计提供参考。