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提升航空发动机可靠性之路:在发动机设计之初,定出可靠性指标

时间:2019-12-02 11:09:22 来源:网络整理 作者:刺客 阅读:2453次

传统的发动机开发方法是顺序开发法,即从方案认证一步步开始,一项新技术通常需要长达17至20年的时间才能投入实际应用。此外,在发动机投入生产后,甚至在交付使用后,材料和技术方面的一些问题有时会暴露出来。一旦出现这些问题,它们将不可避免地导致重大返工,大大增加额外成本的支出,更重要的是影响发动机的可靠性和飞机的正常出勤率。

20世纪80年代后期,根据一些发动机的开发经验,特别是从f100- pw-100到f100-pw-220的开发中吸取的教训,开发出了新的开发方法,即通用电气公司的并行工程(ce)和罗洛公司的并行工程(se)。同时工程)和普惠公司的综合生产和发展计划(IPD)。这三家公司对新的开发方法有不同的名称,但本质是一样的。(参见“提高波音777飞机发动机可靠性的主要措施”)。

为了提高新开发发动机的可靠性,缩短开发周期,降低开发成本和使用寿命成本,20世纪90年代所有新开发发动机都采用了并行工程的开发方法。

在发动机设计开始时,可靠性指标应该像发动机性能和寿命一样确定。如果它是一个军事引擎,就必须与用户即军方进行谈判,以确定既先进又可行的指标,即能够满足军方的要求并能够通过发展努力实现的指标。确定的可靠性指标应作为评估指标之一写入发动机型号规格。下面列出了几个发动机设定的可靠性目标值。

20世纪70年代初投入使用的rb211-22b发动机启动时,提出的可靠性指标是空中停车率低于1.1倍/1000efh。CF6-50研制时,可靠性指标集为0.3倍/1000efh,空中停车率为0.05倍/1000 EFH,正点率为99.8%。美国海军f/a 18战斗机/攻击机使用的f404发动机指标为:模拟任务耐久性试验,平均故障间隔时间(tbf)为72h,当安装在f/a 18战斗机/攻击机上加速使用时,tbf为100h。

波音777对发动机的可靠性要求极高,因此双发动机飞机在其运行的早期阶段就可以得到美国联邦航空局(FAA)180矿顶(双发动机飞机的延长飞行)和其他适航部门的批准(参见“波音777及其发动机的一些设计特点”)。为此,为其开发的三个发动机ge90、特伦特800和pw4084在设计之初设定了零空气停车率的可靠性设计目标。

确定的可靠性指标应分配给所有组件和子系统。然后,在开发的每个阶段,将进行必要的可靠性分析和测试工作,并确定确保实现该指标的措施。

设计中采用了故障模式、影响分析(fmea)和故障模式、影响和危害分析(fmeca),这是提高发动机可靠性的基本措施之一。gjb45088《设备开发和生产可靠性总大纲》第5.2.4节明确指出,fmea是“系统分析零件、部件和设备所有可能的故障模式、原因和后果,以发现设计中潜在的薄弱环节”和提高系统可靠性的有效工程方法。

对于生产批量小、测试成本高、缺少使用数据的复杂系统,采用电子行业广泛使用的传统可靠性设计、分布和统计测试方法来保证系统的可靠性相对困难。在这种情况下,应采用fmea或fmeca。美国、英国和其他国家已将fmea和fmeca列为其设备可靠性计划的重要组成部分,并将其纳入军事和国家可靠性标准。

gjb450 88《可靠性质量要求》第4.5节指出:“如果某些产品的可靠性要求难以规定量化指标和验证方法,则应规定质量可靠性要求和验收标准。例如,对于一些大型复杂系统,在这种情况下,应使用故障模式、影响分析(fmea)和故障树分析(fta)来发现薄弱环节,并采取工程保证和生产质量保证等措施,以降低致命故障的概率,确保产品的可靠性。

航空发动机属于这种大型复杂系统。因此,在发动机的开发中,fmea和fmeca被用来分析发动机中各种重要零部件的模态、冲击和危害,根据分析结果采取相应的措施是提高发动机可靠性的一项非常重要的措施。

如果fmea和fmeca或多或少用于早期发动机开发(在20世纪80年代中期之前)(例如f404);然后,20世纪90年代开发的新发动机从一开始就明确指出,应该采用fmea和fmeca来提高发动机的可靠性。例如,ge90、pw4084和Trent 800发动机在开发之初就被明确提议采用fmea和fmeca。

为美国海军舰载作战/攻击飞机f/a18开发的f404发动机将在开发计划中实施,以提高早期开发阶段的可靠性。其设计工作由设计工程师和可靠性工程师共同完成。在设计过程中,所有发动机部件和主要部件都必须经过详细认真的fmeca工作,并根据分析结果采取相应的纠正措施。

可靠性工程师收集公司以前开发的发动机(如j79)在开发和使用中的各种故障,并根据部件、组件和零件进行分析和研究。分析每个故障的原因、影响和后果,并填写fmeca表格。

在该表中,除了列出部件的名称和零件号之外,还指出了其功能,然后列出了可能的故障以及故障原因和影响的分析。在可靠性工程师填写的fmeca中,除了使用公司收集的经验外,还应包括其他发动机公司公开发布的故障材料。

设计工程师逐项研究可靠性工程师发布的fmeca表,并在设计中采取必要措施,以确保在设计的硬件中不会发生类似的故障。设计工程师也填写fmeca表格。与前者的不同之处在于添加了针对各种故障采取的措施以及这些措施如何得到验证,例如通过测试、计算分析、理论分析或对其他发动机的验证。

经过大量详细的fmeca分析,很明显,新开发的发动机可以消除这些故障,大大提高发动机的可靠性。然而,还必须指出,航空发动机的工作条件十分恶劣,特别是性能需要不断提高,新技术、新材料和新工艺不断引进。虽然消除了一些故障,但也可能出现一些新故障。这主要是由于人们对某些现象认识不足。通过故障分析,即fmeca分析,引擎开发人员可以提高他们的意识,并对某些现象的本质有更深的理解。这样,可以从根本上更好地提高发动机的可靠性。

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