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航空发动机可靠性的检查和评估

时间:2023-07-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:型号规范要求在发动机的不同研制阶段分别对可靠性指标进行评估。对危险性故障和重要故障在新研发动机设计时必须对引发故障的底事件进行认真分析并严格落实检查。

航空发动机可靠性的检查和评估

英军标在FMECA 附录中明确指出,在处理低数量级概率问题时(如I 类故障失效率、空中停车率等),绝对的证明是不可能的,指标的保证是依靠工程判断和以前的经验,并配以稳妥的设计和试验准则确定的;而对那些轻微影响的失效模式,在FMECA分析中不要求估计发生的概率,直接由台架试车和飞行试验进行评估,相应也没有指标的验证问题,民航发动机适航性要求中对MTBF 也没有明确的指标要求。

型号规范要求在发动机的不同研制阶段分别对可靠性指标进行评估。推荐的可靠性指标分别从不同侧面,对发动机包括安全性、维修性范畴内的广义可靠性水平进行总体评定。上述指标应分别根据设计定型试飞和生产定型前累积试飞时间予以评定,发动机在研制过程中的整机试车和设计定型前的调整、科研试飞数据应不计入。

研制阶段可靠性指标的验证工作主要是通过结合发动机设计方案、可靠性设计准则的贯彻落实情况和研制过程中出现故障问题的分析等,以报告形式对满足可靠性指标要求的趋势作出分析。在每一个阶段,研制单位应落实通用规范中“应采用故障报告、分析和纠正措施系统的数据来评估满足可靠性要求的趋势”的要求;在设计定型和生产定型前,应在提供可靠性评估报告的基础上,对新研制发动机满足工作可靠性要求的趋势作出分析。

8.2.6.1 发动机结构件的可靠性评估

航空发动机结构件的结构设计和工作载荷十分复杂,试制、试验成本很高,很难安排专门的可靠性鉴定试验,或利用型号研制期间有限的试验时间来对其工作可靠性进行评估。比较有效的方法是通过对结构件的设计、试验进行检查,看是否充分贯彻了航空发动机通用规范、结构完整性大纲等规定的结构完整性要求,以此来评估发动机结构件的可靠性。航空发动机通用规范(GJB 241/GJB 242)、结构完整性大纲(GJB/Z 101)等军用标准,吸取了美国等发达国家发动机研制的实践经验,在发动机型号研制过程中,严格贯彻对结构完整性的规定要求,是能够保证发动机结构件的工作可靠性的。其中比较重要的工作有以下几种:

1)检查零部件设计材料性能的选取是否保证具有较低的材料失效概率。发动机零部件设计选材时,材料性能应采用相当于-3σ(正态分布)或B0.1(对数正态分布)的最低值,即通过大量材料性能试验数据获得失效概率低于1/1 000 的性能数据。

2)检查零部件结构耐久性设计时是否保证有较大的储备裕量。主要表现在以下两个方面:一是零部件寿命设计时一般保证有100%的寿命储备。根据GJB 241 规定,发动机零部件的寿命应按预定使用寿命(可以发动机全寿命期内低循环疲劳次数、大状态工作时间计)的两倍进行设计,以保证有足够的寿命储备;二是零部件强度设计时一般保证有50%~100%的强度储备。根据GJB 241 规定,承受内压载荷的零部件应能够承受1.5 倍的最大工作压力而不产生有害变形,承受2 倍的最大工作压力而不被破坏;承受热负荷的零部件,应能够承受1.5 倍的最大热负荷而不被破坏等。

3)检查零部件试验时是否保证有较大的载荷储备。主要表现在以下三个方面:一是部件的低循环疲劳试验按2 倍的低循环疲劳寿命进行,从而保证有100%的寿命载荷储备;二是承受气体压力的构件应在2 倍的最大工作压力下试验而不发生破坏;三是转子应满意地完成超转试验(115%最大转速、最高温度)、超温试验(最高温度+45 ℃、最大转速)、轮盘破裂试验(122%最大转速、最高温度)等非正常载荷作用下的试验。

4)检查发动机定型持久试车是否有较大的载荷储备裕量,并且是否充分反映外场实际使用载荷情况。关于定型持久试车,GJB 241 规定,一方面要反映飞行任务情况(可采取加速模拟任务),另一方面要留有较大的温度储备裕量,规定在持久试车每个阶段前,通过调整使发动机中间状态和中间以上状态的第一级涡轮转子进口燃气温度,至少比发动机在全包线范围正常工作的最大允许稳态燃气温度高30 ℃。

8.2.6.2 危险影响故障、重要影响故障树分析及底事件的检查落实

对于故障率较低的可靠性指标,在累积工作时间较少、不足以做出科学评估时,可以通过故障树分析,检查底事件(故障)消除措施的落实情况,来对该可靠性指标进行适当评估。对危险性故障和重要故障在新研发动机设计时必须对引发故障的底事件进行认真分析并严格落实检查。

故障树分析法一般是由果到因、自上而下的推理分析,首先把系统最不希望出现(发生)的故障状态作为分析的目标,进而找出导致这一故障状态的原因,其目的在于知道故障原因,找出相应的排故和防止故障发生的有效措施。(www.xing528.com)

以在研的某型发动机对其不引起“失去控制的着火”的安全性定性分析为例,分析的思路是以失去控制的着火为顶事件,逐级分析可能引起发动机着火的诸影响因素,然后再研究防止顶事件发生应采取的措施,以确保发动机的安全性。

失去控制的着火,引发该故障模式的主要部件及系统为(故障树见图8-2):燃烧室机匣破裂;压气机/涡轮机匣不包容;处于高温区内的燃滑油导管断裂;钛合金制造的转静子碰磨;盘、轴、鼓筒断裂。

运用下行法,确定了该故障树的最小割集后在设计上可采取以下防火措施:

图8-2 失去控制的着火故障树

1)高压压气机防钛火设计:1~3 级转子叶片为钛合金叶片,与其对应的钛合金静子机匣处为不锈钢的转子外环块,且表面喷有易磨涂层,机匣表面喷有防火涂层;1~3级静子叶片采用高温合金,0~2 级静子内环材料为铝合金,3 级静子内环材料为不锈钢;0 级静子叶片虽材料为钛合金,但与后面的转子叶片轴向间距较大。以上措施可以有效地防止钛合金零件相碰产生钛火。

2)高温段(核心机段)的燃滑油导管全部采用耐温性能良好的高温合金材料,燃油喷嘴和燃油分管连接处采用了防漏设计,同时接头采用航标结构,并且对导管的安装提出更高的要求,并在试验中进行动应力测量,控制振动应力,保证导管连接、密封可靠。

3)所有燃滑油输送零件或部件均为耐高温材料。

4)在设计规范中除规定漏油口外,严格限制泄漏量(渗漏总量不允许超过5.0 cm3/min),且规范中有相关规定,同时有相关的验证考核。

5)设置可燃液体排放口,防止可燃液体堆积后着火,且在结构设计中考虑了专门的漏油排放装置。

8.2.6.3 电子电气附件可靠性评估

对于发动机控制系统等电子电气类系统级的可靠性指标,可以基于元器件的可靠性数据,利用分系统的可靠性预计模型对分系统的可靠性指标进行评估,应用降额、冗余等措施提高系统任务的可靠性。

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