谈航空发动机工作可靠性的几个问题
王通北 陈美英
(沈阳发动机设计研究所,沈阳 110015)
摘要:介绍了英国航空发动机通用规范的可靠性要求和RR 公司在发动机设计、试验和投入使用后的可靠性评定,并针对中国航空发动机可靠性工作存在的问题进行了分析。
关键词:可靠性 航空发动机 可靠性评定
Some Issues on Aeroengine Operational Reliability
Wang Tongbei Chen Meiying
(Shenyang Aeroengine Reseasoh Institute , Shenyang 110015 ,China)
Abstract : Reliability requirements of British aeroengine General Specifications are introduced. Rolls – Royce reliability tests in development stages and reliability evaluations in service are described. Existing reliability problemes in China are presented.
Key words : reliability ; areoengine ; reliability evaluation
1 引言
航空发动机的工作可靠性是发动机用户、生产厂、设计研制单位和国家主管部门都十分关心的问题。但是,对可靠性目标、可以接受的风险、如何进行航空发动机的可靠性设计、试验验证和产品的可靠性评定,也就是说,为了实现航空发动机的工作可靠,应该做些什么具体工作,在认识上还存在很大差异。希望通过介绍英国RR 公司的某些发动机可靠
性工作,求得更多的共识。
2 概述
2. 1 可靠性定义
可靠性的定义从广义上是指:“产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。”对航空发动机而言,其可靠性是指:在规定的飞行包线、环境和使用条件下,在规定的寿命期内,无故障工作的能力。
所谓故障包括不能工作或性能恶化到一定程度。
2. 2 影响发动机工作可靠性的因素
对可靠性的概率量度被称作可靠度。发动机运转时的可靠度称为工作可靠度Ro ,它与发动机的固有可靠度RI 和使用可靠度Ru 有近似关系: Ro≈ RI·Ru。
固有可靠度取决于发动机的设计、制造和试验;使用可靠度与使用条件密切相关,受使用环境、操作水平和维护保养等因素的影响,因使用单位管理水平不同而不同。因此,提高管理水平是提高使用可靠度
的重要保证。
2. 3 可靠性与发动机其他特性的关系
可靠性不是发动机的一个孤立特性。它与发动机的安全性、维修性、寿命、经济性和可用性是紧密联系并互相影响的。所以对发动机的可靠性、安全性和维修性必须综合考虑。英国RR 公司提出的关于发动机的可靠性、安全性和维修性的主要问题有空中停车率、提前维修率、提前换发率、任务失效率、发动机引起的飞机损失率、超转和盘与叶片的不包容,以及燃、滑油和钛引起的火灾等。
2. 4 评定发动机工作可靠性的参数
评定发动机工作可靠性最常用的参数主要有:
(1) 平均故障间隔时间(MTBF) 。由测量时间内,一定数量的发动机累计飞行小时数除以总的故障次数得出。该参数通常用于给出发动机整机、单元体、组件或零件的设计指标。
(2) 空中停车率。在发动机每1 000 飞行小时中,由发动机故障造成的空中停车次数。
(3) 提前换发率。在发动机每1 000 飞行小时中,由发动机故障造成的提前拆换发动机的次数。
空中停车率和提前换发率是评定发动机工作可靠性的常用参数。为了随时掌握发动机工作可靠性情况,最好每个月都有统计数据。为了降低偶然性,RR 公司用前3 个月空中停车或提前换发的次数除以这3 个月发动机的飞行小时数,作为这个月的数据。从提前换发的原因和对用户的影响不同考虑,除总的提前换发率外,还有基本的和非计划的提前换发率。前者是指由发动机本身原因引起的提前换发;后者是指必须立即进行的换发,它对用户造成的影响最大,例如叶片断裂。
3 可以接受的风险
提高发动机的可靠性并不是无限制的。因为可靠性是以经济性为代价的。另外,从技术上讲,由于发动机结构复杂,其零件工作在高温、高压、高转速、强振动以及飞机机动飞行载荷的复杂环境下,又要求发动机具有高推重比,尽量减轻结构质量。因此,要求发动机在使用中不发生故障,是不现实的。
《英国民航适航性要求BCAR – C 篇》和《军用航空涡轮发动机通用规范Def Stan 00 – 971》(简称《BCAR – C 篇》和《Def Stan 00 – 971》) 中都规定了可以接受的风险,或称允许的失效率。
对于不同的故障,允许的失效率也不同。按失效对飞机和乘员造成影响的严重程度,失效影响分成3 等,即危险性影响、重大影响和轻微影响,在上述规范中有明确的定义。相应地也定义了3 种失效率:“一般可能的”、“很少可能的”和“极少可能的”。
“一般可能的”是指一种型号的飞机中,每架飞机的总使用寿命期内,可能发生一次或几次。“很少可能的”是指对每架飞机在总使用寿命期内不太可能发生,但在装这种发动机的某些飞机的总使用期内可能发生几次。“极少可能的”是指装这种发动机的某些飞机的总使用寿命期内,也不太可能发生,但从概率上讲,仍应认为是有可能发生的。
4 发动机研制阶段的可靠性设计和验证试验
4. 1 可靠性设计
一般采用平均故障间隔时间(MTBF) 作为可靠性设计指标。
《BACR – C 篇》和《Def Stan 00 – 971》规定:对整台发动机的从方案设计开始直到定型,都要不断地进行失效模式和影响分析,评估可能发生的所有失效模式的后果,找出所有可能导致重大影响和危险性影响的失效模式,并估计发生的概率,列出关键件清单,但不要求对有轻微影响的失效发生的概率进行估计。
所有的零、部件设计都必须通过故障模式、影响与危害性分析、故障树分析、可靠性建模和预估等进行严格的可靠性评定。以确保在发动机投入使用时满足可靠性要求。
4. 2 可靠性验证试验
按照《Def Stan 00 – 971》的要求,可靠性验证不要求进行专门的可靠性试验,应全部结合发动机定型试验进行。这些试验包括原型机飞行许可试车、150h 持久试车、加速任务持久试车和专项试验。其中专项试验有以下3 方面。
(1) 环境和吞咽试验。包括结冰、腐蚀敏感性、吞鸟、吞雹、吞冰、吞水、吞沙、噪声、排气发烟、红外辐射、电磁兼容性、核武器影响、雷击和外物损伤等试验。
(2) 发动机特性和燃油试验。包括性能保证、地面起动、座舱供气污染、超速调节器、最高温度限制器、最低燃油压力、常用燃油和代用燃油、应急燃油、污染燃油、补燃加力系统失效模拟、自由动力涡轮旋转和限制转速机构、工作姿态、机动飞行———零g与负g 等试验。
(3) 结构试验。包括非旋转件静力试验———验证结构分析模型和变形、机动飞行载荷下发动机承力系统与安装节的屈服和极限强度、发动机地面吊点的屈服强度、压力零件的屈服和极限强度、转子超转、涡轮轴的静力和疲劳、叶片包容、叶片破坏后发动机的运转、主要旋转件和非旋转件的低循环疲劳、陀螺载荷、发动机超转、超温和超扭(自由动力涡轮) 、附件传动和振动等试验。
成功地通过以上试验,就可使轻微以上影响的失效发生的概率降到可以接受的低。同时,发动机全面的工作可靠性也得到初步评定。军用发动机就会被批准定型,交付用户使用;民用发动机就可以取得适航证投入航线使用。
5 发动机使用阶段的可靠性评定
《BCAR – C 篇》和《Def Stam 00 – 971》都规定,对有轻微影响的失效,通过台架试车和使用经验加以评定。发动机投入使用后,其可靠性评定工作也随之开始。首先要收集可靠性数据。飞行使用的可靠性数据对发动机设计和制造的评价最具权威性,可真实地反映使用条件和环境;评定结果反映了发动机趋向成熟或达到成熟期的可靠性水平,是发动机可靠性工作的最终检验,也是以后发动机可靠性设计最有用的参考。可靠性数据的收集与分析是一项基础性工作,在可靠性工作中始终发挥着重要作用。
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7 结束语
中国的航空发动机可靠性工作,应该从如实地收集和整理现役发动机的可靠性数据入手,结合修理厂丰富的维修管理经验,借助国外规范和标准的技术指导,恰当地评定现役发动机和寿命和可靠性,为新机的寿命和可靠性工作提供参考。
