-航空发动机可靠性研究

航空发动机可靠性研究

摘要：可靠性是航空发动机正常工作的重要指标。本文介绍了航空发动机可靠性在国内外的发展概况，可靠性评价指标，简要介绍了影响发动机可靠性的因素，提高可靠性的主要措施。关键词：可靠性；结构强度；评价指标

1.引言

可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力[1]。研究装备的可靠性是为了提高装备的完好性和任务的完成性，保障装备和人员的安全，减少寿命内的费用。航空发动机是在高温高压的环境中以高速旋转的形式进行高负荷工作的动力机械，是一种集热力气动、燃烧、传热、结构强度、控制测试技术及材料、工艺等多学科于一身，温度、压力、应力、间隙和腐蚀等工作条件非常苛刻，且对质量、可靠性、寿命等要求又极高的复杂系统。

航空发动机工作时在高温高压的环境中以高转速运转，所受的载荷复杂多变，且由于现代大推重比航空发动机的设计性能要求，使得其结构日趋单薄。因此航空发动机出现的故障模式多，故障出现的几率高，故障的危害大，使用寿命短。因此，航空发动机可靠性是设计时必须考虑的重要因素，同时也是航空发动机性能能否得到发挥的重要衡量指标。

飞机的可靠性可以如下定义：可靠性是飞机按设计状态与使用、维护、修理、贮存和运输条件，在描述完成飞行任务能力所有的参数规定值范围内，在某一时间里保持的一种特性。[2]

2.航空发动机可靠性研究的现

状[1]

2.1国外航空发动机可靠性发展概况

航空发动机研制的难度大、周期长、费用高、风险多。西方发达国家只有四大公司-美国的普·惠公司、通用动力公司、英国的罗·罗公司和法国的斯奈克玛公司，才具有独立研制的实力。他们在研制航空发动机的过程中对可靠性问题有着深刻的认识和教训。20世纪60年代末，美国普·惠公司为F-15战斗机发展了新一代推重比为8的高性能涡扇发动机F100。在同年代中，F100的性能是出类拔萃的，特别是其跨/超声速性能有显著的提高。但它的可靠性却未能与其高性能相匹配。F15装备部队后，在使用过程中发动机暴露出很多可靠性问题。F100发动机在最初使用的5年时间里先后发生了500余次旋转失速，47次涡轮工作叶片和导向叶片损坏，60次主燃油泵故障，10次加力泵轴承故障，8次4号轴承故障以及120多起其它各类故障。这些故障使F15战机大批停飞，严重影响了飞机的安全性和战斗力。F100发动机从开始研制到正式投产，军方投资4.57亿美元，时间为5年。但为了解决其可靠性和耐久性问题，却花费了6.6美元和11年的时间进行徘故和改进。同时期，TF30发动机和TF34发动机以及英国罗·罗公司研制的RB211发动机也存在类似的可靠性问题。

F100出现可靠性不高的原因是多方面的，但是最主要的原因是在研制中片面过于追求高性能，而忽视了可靠性问题，发动机的设计没有取得性能、可靠性、维修性等方面的平衡。

片面追求高性能而忽视可靠性，也造成了许多结构故障。据美国空军材料实验室统计，在1963年-1978年15年间，美国空军战斗机发生了3824起飞行事故，其中发动机故障引起1664起，占43.5%，而其中由结构强度和疲劳寿命方面问题导致的事故占90%以上。美国军方和宇航部门在总结单纯

追求高性能，忽视可靠性和耐久性所造成的惨痛教训基础上，专门制定了发动机结构完整性大纲（ENSIP），ENSIP是一项针对发动机设计分析、研制、生产及寿命管理的有效措施，其目的在于通过显著减少发动机在使用过程期间发生的结构耐久性问题，确保发动机结构安全，延长使用期限，降低寿命成本。结构完整性的内容有：结构耐久性准则，耐久性设计要求，维修性准则，材料与处理特性计划等。美国F404发动机的研制遵循了结构完整性要求，采取了作战适用性、可靠性、维修性、费用、性能和重量的优先顺序，取得了良好的效果。

先进的发动机依赖于经过充分验证的新技术。为了充分验证新技术，美国军方相继投资了一系列预先技术验证计划，如综合高性能涡轮发动机技术计划（IHTET），先进涡轮发动机燃气发生器计划（ATEGG），先进技术发动机计划（ATE）等。通过这些计划的实施，国外如EJ200、M88、F119等先进的发动机，采用了很多新技术，如小展弦比叶片、整体叶盘、浮动壁燃烧室、金属刷的接触式封严技术，全权限数字电子控制等。通过这些技术的应用，使新研制的发动机性能、可靠性、耐久性水平大幅度提高。

表 1 几种典型军用航空发动机可靠性参数及指标[3]

2.2我国航空发动机可靠性发展概况

我国航空发动机工业是上世纪50年代-60年代，在仿制前苏联产品的基础上发展起来的，走的是一条从测仿、改进到自主研制的道路。在这一进程中，在发动机可靠性、耐久性方面做了大量的工作。如WP7发动机的首翻期和总寿命比初始值调高了33倍，WP8发动机的首翻期由300小时延长到800小时，总寿命由600小时延长到1600小时。但是这些发动机的技术水平较低，通过一系列改进和延寿后，原有潜力和余度得到相当大的挖掘，进一步改动的难度和风险加大。同时，随着使用寿命的延长和翻修次数的增多，近年来暴露出不少问题，对飞行安全构成极大的威胁。据相关调查统计，在全部停车事故中，约有40%是由于发动机结构故障引起。如涡轮盘破裂、涡轮轴折断、压气机叶片失速颤振断裂等。一般来说，一台成熟的发动机的故障模式为结构、传动润滑、控制附件等，各模式故障发生随机分布，而不会连续地重复发生，且故障率也保持在一个较低水平。因此，从我国发动机发生的故障情况可以推断，在仿制及改进别人已有发动机的过程中，我国的基础性技术储备不足，验证不够，给定的寿命及翻修期的依据不够充分。

我国航空发动机可靠性工作的开展是在不断总结并向外国学习的基础上，从认识、提高到正式建立工作规范的发展过程。可靠性工程是一项综合性系统工程，贯穿于发动机的设计、制造、试验、使用、维修及管理等方流程。虽然我国在可靠性方面取得了一定的进步，但与国外先进水平相比还有不小差距，并且发展不平衡，在具体执行过程中也存在一些问题，有待于进一步提高。

3.航空发动机可靠性指标的确

定

发动机可靠性指标选择的基本准则是：

（1）根据发动机的使用要求、飞行任务、类型和环境特点选择参数；

（2）根据维修方案选择参数，包括确定维修策略、维修任务、维修人员以及对工具设备的基本要求；

（3）有些参数之间有一定的关系，因此选择参数时应考虑到它们之间的相关性。