学校编码：10384 分类号 密级

学号：X2008182001 UDC

 

 

 

硕    士    学    位    论    文 

基于孔探技术的民航发动机健康管理研究

Research of the Civil Aeroengine Health

Management based on Borescope Technology

陈宏杰

 

指导教师姓名： 林麒   教授

专 业 名 称： 机械工程(航空机电)

论文提交日期： 2014 年 5 月

论文答辩日期： 2014 年 5 月 

 

 

2014 年 5 月 

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I 

摘  要 

发动机是民航飞机的心脏，其性能状态直接影响飞机的飞行安全，其高昂维

修保障费用则构成航空公司运营成本的一个重要组成部分。健康管理作为减少维

修保障费用的一种重要方法，现在正受到越来越多的关注。而孔探技术是现阶段

监控发动机状态的有效手段之一，在航空发动机的健康管理中占据了重要的地位。 

本文在对反映核心机损伤的孔探数据深入研究的基础上，利用健康管理的方

法，对发动机在翼寿命进行预测，并对维修决策进行调整。主要研究内容如下： 

（ ）1 对民航发动机健康管理方法进行调研，阐述了发动机健康管理系统的

结构、组成、功能实现和关键技术，为进一步研究孔探检测对发动机健康管理的

作用奠定基础。 

（ ）2 在介绍、分析××航空发动机的组成及工作原理的基础上，通过广泛、

深入的调研，总结、归纳、分析了发动机关键部件的主要故障模式、产生机理、

表现特征、故障影响及判决方法和维护经验等，为发动机孔探数据的提取和分析

做好准备。 

（3）在分析航空发动机核心机常见损伤类型和形成原因的基础上，利用退

化过程理论建立了基于孔探数据的核心机损伤增长模型，并根据性能可靠性理论

提出一种基于孔探数据的航空发动机在翼剩余寿命的预测方法。该方法可以利用

孔探数据对发动机的剩余在翼寿命时间进行预测，为实现航空发动机的健康管理

提供决策支持。 

（4）根据××航空发动机核心机损伤的孔探数据，制定了具体的维修决策

优化措施，为类似损伤维修决策的修订提供了参考。 

关键词：民航发动机  健康管理  孔探检测  寿命预测  维修决策 

 

 

 

 

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II  

Abstract

As the core of the power supply system of the aircraft, the performance state of the

aero-engine directly concerns the flight safety. The aero-engine’s expensive

maintenance and support costs lead to a considerable share of the airline operation costs.

Engine health management is an important method to decrease maintenance and

support costs. And researchers are paying much attention to this method gradually.At

the moment as one of the effective means for monitoring the state of the

engine,borescope technology occupy an important position in the aero-engine health

management.

This paper is on the basis of in-depth study for the borescope data that reflect the

core engine damage, utilizing the health management to calculate the residual life of the

aero-engine and adjust the maintenance decision.The following is the content of the

research:

（ ）1 The research on health management of the Aero-engine elaborates the

structure, composition, function implementation and core technologies in the health

management system, which is the base to further discover how the hole detection

method can contribute more to the health management.

（2）After the introduction and analysis of the composition and operating

principle of xx airlines engine, the paper concluded the major breakdown patterns,

causes, characteristics, influences, recognition methods and maintenance experiences

of major parts in the engine, which is the preparation to the generation of the borescope

inspection data.

（ ）3 Based on the common damages and causes of aircraft engine parts, this

essay utilizes the degradation process theory and the hole detection data to establish the

damage growth model of core engine. One method based on the borescope inspection

data to predict the aircraft engine residual life is also brought up to back up the health

management for the aircraft engine.

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III 

（ ）4 The essay also sets up detailed and optimized maintenance methods based

on borescope inspection data of aircraft engine damaged, to provide maintenance

decisions for the similar damage scenario.

Key words: Aero-engine；health management；borescope inspection；lifespan

prediction；Maintenance Decision Making

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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IV  

目录

第一章 绪论 .............................................. 1 

1.1  研究背景与目的 .......................................................................................... 1 

1.2  国内外研究现状 .......................................................................................... 2 

1.2.1  发动机健康管理的研究现状 ..................................................................... 2 

1.2.2  孔探检查发动机核心机损伤的监控和数据分析研究现状 ..................... 4 

1.3  本文主要研究内容 ...................................................................................... 5 

第二章 民航发动机健康管理方法与技术基础 .................. 7 

2.1  民航发动机健康管理技术 ........................................................................... 7 

2.1.1  民航发动机健康管理内涵与功能 ............................................................. 7 

2.1.2  民航发动机健康管理技术的主要功能 ..................................................... 9 

2.2  民航发动机健康管理的方法 ..................................................................... 10 

2.3健康管理关键技术 ..................................................................................... 11 

2.3.1  民航发动机寿命预测与控制技术 ........................................................... 12 

2.3.2  视情维修的方法 ....................................................................................... 12 

2.4  本章小结 .................................................................................................... 13 

第三章 某型航空发动机关键部件主要损伤分析 ............... 15 

3.1  ××航空发动机结构与工作原理 .............................................................. 15 

3.2  压气机部件主要损伤分析 ......................................................................... 16 

3.2.1  压气机组成及其工作原理 ....................................................................... 16 

3. 2.2  压气机部件故障分析............................................................................... 17 

3.3  燃烧室部件故障分析 ................................................................................. 20 

3.3.1  燃烧室组成及其工作原理 ....................................................................... 20 

3.3.2  燃烧室部件故障分析 ............................................................................... 21 

3.4  涡轮部件故障分析 .................................................................................... 24 

3.4.1  涡轮部件组成及其工作原理 ................................................................... 24 

3. 4.2  涡轮部件故障分析................................................................................... 24 

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V 

3.5  本章小结 .................................................................................................... 27 

第四章 基于孔探数据的民航发动机在翼寿命预测 ............. 28 

4.1  基于孔探检查的航空发动机核心机损伤监控方法 ................................... 28 

4.1.1  孔探检测技术及其发展历程 ................................................................... 28 

4.1.2  航空发动机孔探检测的基本操作方法 ................................................... 31 

4.1.3  孔探检测发动机内部损伤的测量方法及损伤监控方式 ....................... 33 

4.2  基于退化过程的航空发动机核心机损伤趋势分析 ................................... 37 

4.2.1  退化过程与常用退化轨道模型 ............................................................... 37 

4.2.2  退化过程的航空发动机核心机损伤增长模型 ....................................... 39 

4. 3  基于性能可靠性的航空发动机剩余在翼寿命预测 .................................. 41 

4.4  实例计算与分析 ........................................................................................ 42 

4.5  本章小结 .................................................................................................... 43 

第五章 基于孔探检测的民航发动机维修决策的调整 ........... 44 

5.1  现有的民航发动机孔探检查分类 .............................................................. 44 

5.2  发动机孔探维修决策的优化方式 .............................................................. 46 

5.3  基于孔探数据的维修决策优化项目介绍 .................................................. 50 

5.4  本章小结 .................................................................................................... 51 

第六章 总结与展望 ....................................... 52 

6.1  结论 ........................................................................................................... 52 

6.2  工作展望 .................................................................................................... 52 

参考文献 ………………………………………………………………54

 

 

 

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VI  

Table of Contents

Chapter 1 Introduction ................................................................................................ 1

1.1 Research background and purpose ................................................................ 1

1.2 Research status ................................................................................................. 2

1.2.1 Research status of engine health management ............................................ 2

1.2.2 Research status for borescope inspection of the engine core damage monitoring and data analysis ................................................................................ 4

1.3 Major research areas ....................................................................................... 5

Chapter 2 Methods and technology base for aviation engine health management ........................................................................................................................................ 7

2.1 Concept of civil aviation engine health management ..................................... 7

2.1.1 Connotation of aviation engine health management ..................................... 7

2.1.2 Main function of civil aviation engine health management .......................... 9

2.2 Aviation engine health management ............................................................... 10

2.3 Aviation engine life management .................................................................... 12 

2.3.1 Control technology and life prediction of aviation engine ......................... 12

2.3.2 On-condition maintenance method ............................................................. 12

2.4 Summary ........................................................................................................... 13

Chapter 3 Aeroengine Major Damage Analysis Of Key Components .................. 15

3.1 ×× Aviation engine structure and working principle ..................................... 15

3.2 Main damage to the compressor component analysis .................................. 16

3.2.1 Compressor composition and working principle ........................................ 16

3. 2.2 Compressor component failure analysis .................................................... 17

3.3 Combustor chamber failure analysis ............................................................. 20

3.3.1 Composition and working principle of the combustion chamber ............... 20

3. 3.2 Combustion chamber failure analysis ........................................................ 21

3.4 Turbine component failure analysis ............................................................... 24

3.4.1 Turbine parts and working principle ........................................................... 24

3. 4.2 Turbine component failure analysis ........................................................... 24

3.5 Summary ........................................................................................................... 27

Chapter 4 Predict the aircraft engine residual life based on the borescope

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VII 

inspection data ............................................................................................................ 28

4.1 Aircraft engine core damage monitoring method based on the borescope inspection .................................................................................................................... 28

4.1.1 Borescope inspection technology development course .............................. 28

4.1.2 Basic operation method of aircraft engine borescope inspection ............... 31

4.1.3 Measurement and monitoring method for aircraft engine core damage based on the borescope inspection ......................................................................................... 33

4.2 Trends in aviation engine core damage based on degradation processes ... 37

4.2.1 Degradation processes and common degradation orbit model ................... 37

4.2.2 Engine core damage growth model based on degradation process ............. 39

4. 3 Predict the aircraft engine residual life based on reliable performance .... 40

4.4 Examples of calculation and analysis ............................................................. 42

4.5 Summary ........................................................................................................... 43

Chapter 5 Adjustment of engine maintenance decisions based on borescope inspection .................................................................................................................... 44

5.1 Existing borescope inspection classification of aviation engine .................... 44 

5.2 Optimization methods for engine borescope maintenance decisions .......... 46

5.3 optimization project for engine maintenance decisions based on borescope data .............................................................................................................................. 50

5.4 Summary ........................................................................................................... 51

Chapter 6 Conclusion and Prospect ....................................................................... 52

6.1 Summary ........................................................................................................... 52

6.2 Prospect ............................................................................................................. 52

References…………………………………………………………………………..54  

 

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1 

第一章  绪论 

1.1 研究背景与目的 

随着现代航空业的发展，各型飞机应用的范围越来越广，单架飞机的运载能

力越来越强，随之而来对飞机的可靠性和安全性提出了更高的要求。作为飞机动

力核心的航空发动机，其任何的故障都会对飞机的飞行造成影响甚至导致发生灾

难性事故，直接影响着飞机的安全水平。从 1981 年到 2001 年间，针对 7571 架

飞机，美国调查了由飞机机械故障而造成的航空运输事故，在各个飞机系统中故

障率最高的是发动机和起落架系统，而所有机械故障中，发动机系统发生的机械

故障数量占总数量的 36%[1]。由此可见，航空发动机故障是导致飞机故障的主要

原因。 

现代航空发动机的拥有费用和使用与安全保障费用都非常庞大，其经济可承

受性是一个不可避免的问题。维修费用是使用与安全保障费用重要组成部分。在

世界范围内，航空公司用于飞机维修的费用每年高达 31 亿美元，而航空发动机

的维修费用就占了总维修费用的 38%[2]（如图 1.1 所示），因而发动机的维修成

本受到航空公司重点关注。作为一个复杂的多部件系统，航空发动机在制造的过

程中使用了复杂的工艺和贵重的材料，造价高达数百万美元，是航空公司运营成

本的一个重要组成部分。基于状态的维修 CBM（Condition Based Maintenance）、

预测与健康管理 PHM（Prognostics and Health Management）和自主保障 AL

（Autonomic Logistics）等先进的理论与技术都是减少维修费用的重要手段[3,4]。

因此，无论从飞机使用的经济性，或是从飞行安全的角度来看，航空发动机系统

的维修决策和运营管理都是飞机维修的重点工作。 

 

 

 

 

 

 图 1.1 民用飞机维修成本结构图

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2  

世界各大发动机制造商都非常重视发动机维修，在设计、制造、运营与维修

等全寿命周期内来考虑发动机维修。维修是保证航空发动机使用可靠性的重要手

段，其维修方式经历了事后维修、定期维修、改进性维修和视情维修四个阶段的

转变。目前，航空发动机维修大量采用了基于状态的维修 CBM 技术，它是依据

连续的、实时的或半实时的状态监控信息采取相应的预防性维修策略。与定期维

修方式相比，CBM 维修策略可以充分利用各个系统部件或单元体的剩余使用寿

命，准确地控制故障风险，可以避免“过修”和“失修”问题，可以合理权衡安

全和经济的矛盾，充分提高发动机的利用率。而孔探技术是现阶段监控发动机状

态的有效手段之一，在航空发动机的健康管理中占据了非常重要的地位。 

因此，本文研究分析了孔探技术在民航发动机健康管理里发挥的作用，在对

反映核心机损伤的孔探数据的深入研究的基础上，利用健康管理的方法，对发动

机在翼寿命进行预测，并对维修决策进行调整，用以为航空发动机维修计划的制

定以及维修经费的预算提供决策支持。开展基于孔探检测的发动机健康管理理论

与技术研究，有以下好处： 

（1）有助于理解孔探发现的发动机核心机故障的本质原因、故障发展过程

与故障对各系统的影响程度，从而能更好地对发动机状态进行评估，能及时、准

确地对各种内部异常或早期故障征兆做出有效的判断。 

（2）基于有故障孔探信息，能更好地预测发动机的状态，在发生部件失效

之前就进行预防性维修，可以在保证安全的前提下最大限度地延长发动机使用寿

命。 

（3）实现基于孔探数据的维修策略调整，避免发动机“过修”和“失修”，

有效降低发动机维修费用，同时避免重大事故发生，以获得良好的经济效益与社

会效益。 

1.2 国内外研究现状 

1.2.1  发动机健康管理的研究现状 

预测与健康管理 PHM 是健康管理理论与技术的一个重要研究方向。PHM 的

概念和技术最早出现在军事领取中，并在航天、航空和核反应堆等复杂的系统及

设备中被应用。随着 PHM 技术的不断发展，在许多工业领域已受到越来越多的

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基于孔探技术的民航发动机健康管理研究 

3 

关注，在汽车、造船、电子、工程结构安全等方面也不断被加以应用[5,6,7]。PHM

进一步扩展了复杂系统传统使用的内置测试 BIT（Build-in Test）和状态监控的能

力，是从状态监控向健康管理的转变。该转变引入了预测系统未来可靠性的能力，

借助这种能力来识别和控制故障的产生、制定维修决策和保障供应需求。其主要

目的是在提高装备系统的安全性、完好性的前提下有效地降低使用与安全保障费

用。从而能以较少的维修成本，实现基于状态的维修 CBM [7,8,9,10]和自主保障。 

作为 PHM 技术在航空发动机上的应用，航空发动机健康管理 EHM（Engine

Health Management）就是在传统对发动机进行状态监视和故障诊断的基础上，

利用信息技术、人工智能等研究成果而产生的一种全新的管理方案；EHM 在对

发动机信息进行获取、辨识、处理的前提下，采取积极主动的措施来监控发动机

的健康状态，预测发动机性能发展趋势、故障发生的时间以及发动机的剩余寿命，

采取有效的措施来延缓发动机的性能衰退、部件失效/故障的维修决策及其执行

的过程[11,12,13,14]。 

在 2005 年集成高性能涡轮发动机技术 IHPTET（Integrated High Performance

Turbine Engine Technology）计划获得成功后，美国国防部联合能源部、NASA

和工业界发起了通用经济可承受先进涡轮发动机 VAATE(Versatile Affordable

Advanced Turbine Engines)计划。，该计划的发展重点是经济可承受性，它在提高

发动机性能的同时降低了发动机的寿命周期费用。在该计划所采用的大量新技术

中，EHM 作为其关键技术进行了重点的研究开发。同时，在 NASA 的航空安全

计划 AvSP(Aviation Safety Program)下的综合运载工具健康管理 IVHM（Integrated

Vehicle Health Management）项目和由美国海军发起，多所高校与公司参与的综

合航空发动机健康管理 IAHM（Integrated Aeroengine Health Management）计划

中，EHM 都占据了非常重要的地位[14,15,16,17]。由此可见，在研制高性能、低成本

的先进发动机过程中，EHM 具有非常重要的作用，它能有效缓解发动机向高性

能、低成本这两者之间的矛盾。从上述资料可以看出，目前国外的 EHM 技术已

经发展到进行工程验证的阶段，并已经在 F/A-18 和 C-17 等平台上通过过验证演

示，事实表明 EHM 的应用能够显著提升发动机性能，有效地降低发动机的使用、

安全保障费用，提高发动机的安全性和经济性。而目前我国的 EHM 研究才刚刚

起步，基本还处在对国外的技术和概念进行摸索研究的阶段。虽然已经明确了

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4  

EHM 的基本概念及其研究范围等，但到现在为止还发展处具体的技术途径和实

施方案。

1.2.2  孔探检查发动机核心机损伤的监控和数据分析研究现状 

现代民航飞机一般使用大涵道比的涡轮风扇发动机，由核心机部件及进气装

置、涵道、风扇及其它附属部件组成。核心机包括了压气机、燃烧室和涡轮三个

部件，其通常工作在高温、高压、高转速的环境下，工作条件极端恶劣，因此它

是发动机部件损伤发生率最高的部位，而核心机的损伤也将直接影响到航空发动

机的使用安全。由于核心机的关键部件如压气机、燃烧室、高低压涡轮等都是不

容易拆卸且无法直接通过肉眼就能检查到的零部件，唯有通过内窥镜检查才能在

不分解发动机的情况下观察到发动机内部，因此运用孔探技术对这些核心机损伤

进行观测监控在航空领域得到了广泛的使用，而观测到的硬件损伤可以进一步通

过故障诊断和损伤定量，从而能最终确定发动机的维修时间间隔和维修范围[18,19]。 

孔探检测是无损检测技术的重要手段之一，它的基本原理是将连接光纤的光

学镜头从小孔送入发动机用肉眼视线难以观察的区域，将其内部损伤状况（观察

到的图像）通过光纤传递出来，然后根据传输出来的图像对发动机损伤进行进一

步的诊断、评估和监控[20]。孔探检查主要用于定期检查、时限工作及发动机性

能参数突变情况下的特殊检查、存在故障情况下的监控检查、检查发现损伤情况

下的扩大检查等几种情况 [21]。通过孔探检查可以获得发动机内部损伤的图像、

损伤部位、损伤尺寸等具体信息，为判断与分析损伤的严重程度及其发展趋势提

供有效的数据。根据孔探数据，工程师可以准确的判断航空发动机的损伤严重情

况，从而确定下次进行发动机孔探监控检查的时间间隔或者判断航空发动机能否

继续在翼使用。 

文献[22]提出了一种描述孔探图像边缘曲线粗糙度特征的方法——粗糙度系

数法，它是利用小波变换对图像的边缘曲线在所有可能的尺度上进行小波分解，

得到小波系数和尺度系数。然后运用一种对数熵算法来计算出小波系数和尺度系

数的能量强度。粗糙度系数即为小波系数与尺度系数的对数熵的比值，用粗糙度

系数来评估曲线的粗糙程度，能够有效地识别孔探图像中存在的裂纹损伤。 

文献[23]针对孔探图片含有较强噪声的特点，通过对损伤模型的分析，应用

SUSAN（Smallest Univalve Segment Assimilating Nucleus）边缘检测算法对叶片

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