某現(xiàn)役航空發(fā)動機壽命管理方法研究

詹祿祿

摘 要：航空發(fā)動機在壽命周期內(nèi)服役使用時，既需要保證性能滿足設(shè)計要求，又需要確保安全、可靠和經(jīng)濟地運行，因此需要通過一個連續(xù)且嚴(yán)格的過程對其進(jìn)行壽命管理。制定航空發(fā)動機壽命管理計劃，關(guān)鍵在于對斷裂關(guān)鍵件和耐久性關(guān)鍵件壽命的管理。本文詳細(xì)闡述了某現(xiàn)役航空發(fā)動機的一種壽命管理方法。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機;壽命管理;關(guān)鍵件

中圖分類號：V263 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）13-0051-02

航空發(fā)動機在壽命周期內(nèi)服役使用時，既需要保證性能滿足設(shè)計要求，又需要確保安全、可靠和經(jīng)濟地運行，因此需要通過一個連續(xù)且嚴(yán)格的過程對其進(jìn)行壽命管理。在長期的實踐中發(fā)現(xiàn)，可通過制定航空發(fā)動機壽命管理計劃，從安全性、可用性、可靠性、維護(hù)性、性能及經(jīng)濟可承受性等方面對發(fā)動機的健康狀態(tài)進(jìn)行全面的監(jiān)測和管理。

歐美民用航空發(fā)動機壽命管理主要是對基于工程計劃和制造計劃確定的零部件壽命進(jìn)行管理，即制定使用管理計劃，以保證航空發(fā)動機限壽件的完整性，是因為限壽件的失效可能導(dǎo)致危害性發(fā)動機后果，而制定和實施“三個計劃”，可以最大可能地避免發(fā)生限壽件的失效。軍用航空發(fā)動機壽命管理在本質(zhì)上與民航?jīng)]有差別，其重點關(guān)注的還是對影響安全的、且有壽命限制的零件。不過因為軍用產(chǎn)品不僅僅是安全，任務(wù)也同等重要，因此美軍標(biāo)對于可能影響任務(wù)完成的耐久性關(guān)鍵件也提出了壽命管理要求。

國內(nèi)航空發(fā)動機使用管理模式主要學(xué)習(xí)自原蘇聯(lián)，一直采用整機總壽命和翻修間隔期進(jìn)行壽命控制。因此對于航空發(fā)動機壽命管理只有形而上的概念，一般將其理解為記錄壽命消耗，主要包括小時數(shù)/循環(huán)數(shù)換算率和大狀態(tài)使用時間統(tǒng)計，即使如此，這些工作也很少針對零部件或單元體進(jìn)行。雖然某些測仿或?qū)＠M(jìn)生產(chǎn)的發(fā)動機中，有零部件壽命管理相關(guān)內(nèi)容，實際中也不重視相關(guān)要求。

1 某現(xiàn)役航空發(fā)動機壽命管理方法

制定航空發(fā)動機壽命管理計劃，關(guān)鍵在于對斷裂關(guān)鍵件和耐久性關(guān)鍵件的管理。

影響壽命管理計劃制定的因素主要包括以下三個方面：一是服役用法和使用數(shù)據(jù)的收集;二是發(fā)動機使用維護(hù)大綱;三是修復(fù)備件和購買備件的數(shù)量等備件要求。

壽命管理是一個動態(tài)的過程，因此壽命管理計劃不是一勞永逸，而是需要不斷地更新。

1.1 發(fā)動機主要零部件定壽

該發(fā)動機通過載荷譜統(tǒng)計研究、綜合飛行換算率確定、故障調(diào)研分析以及主要零部件的壽命計算和試驗等工作，得到了發(fā)動機主要零部件的試驗預(yù)測壽命。

1.2 規(guī)定壽命宣布

考慮到試驗條件不能完全模擬實際使用環(huán)境，一般需逐步宣布零部件的規(guī)定壽命。

（1）循環(huán)壽命限制件。斷裂關(guān)鍵件在服役之初一般是通過零部件試驗或基于經(jīng)驗的計算方式給出關(guān)鍵部位、高可靠度的預(yù)定安全循環(huán)循環(huán)壽命（PSCL），如-3σ或B0.1壽命。可宣布零件的初始允許使用循環(huán)壽命等于1/2PSCL，到壽后隨大修抽樣返廠檢查;如果沒有問題，再宣布零件可繼續(xù)使用到3/4PSCL;返廠檢查沒問題后，再宣布零件可達(dá)到全部PSCL許可。

要給出小時壽命，需基于發(fā)動機設(shè)計用法或外場實際使用用法，針對不同部位確定換算率，將壽命最短部位的壽命值作為零件/單元體預(yù)計安全使用小時壽命。可同時規(guī)定循環(huán)壽命和小時壽命。

（2）耐久性關(guān)鍵件。對于耐久性關(guān)鍵件，如葉片類零件，服役之初一般通過整機試驗或計算分析給出中值壽命。但由于其壽命受實際用法影響很大，而且失效不會造成重大安全性問題或中斷任務(wù)執(zhí)行，因此一般綜合考慮失效率、經(jīng)濟性等因素，隨發(fā)動機或單元體翻修間隔逐步給定總壽命。

1.3 壽命消耗計算方法

該發(fā)動機進(jìn)行了歷程記錄儀研制，其通過采集發(fā)動機高、低壓轉(zhuǎn)速、排氣溫度、油門角度、飛機起落架等信號，并進(jìn)行實時計算，保存并實時顯示低循環(huán)數(shù)、發(fā)動機各狀態(tài)工作時間及其他監(jiān)控結(jié)果。因此，后續(xù)歷程記錄儀列裝，則可直接利用其進(jìn)行壽命消耗計算。此外，也可基于載荷譜統(tǒng)計分析結(jié)果，估算零部件壽命消耗。

1.4 零部件可靠性增長研究

可靠性增長計劃目的是為了提高發(fā)動機安全性和可靠性。一般而言，在發(fā)動機投入使用之初，可靠性水平一般難以達(dá)到成熟期目標(biāo)值，因此應(yīng)基于研制階段的可靠性和安全性分析（如FTA、FMECA等）制定持續(xù)的零部件改進(jìn)計劃。

隨著外場服役使用，發(fā)動機的薄弱環(huán)節(jié)逐步暴露，在統(tǒng)計分析影響發(fā)動機安全性和可靠性達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，按照影響的嚴(yán)重程度，優(yōu)先安排對安全性和可靠性有重大影響的零件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

目前該發(fā)動機尚需開展以下幾個方面工作：一是，技術(shù)質(zhì)量問題進(jìn)一步統(tǒng)計分類研究;二是，反設(shè)計研究;三是，技術(shù)質(zhì)量問題持續(xù)解決;四是，修理技術(shù)深化研究;五是，成附件可靠性增長。

1.5 使用維護(hù)和修理要求

維護(hù)管理的目的是為了評估，當(dāng)發(fā)動機不適合繼續(xù)使用或需要開展維護(hù)工作時，執(zhí)行維護(hù)管理計劃后能有效地恢復(fù)到可使用的狀態(tài)。也就是說，對發(fā)動機進(jìn)行維護(hù)管理的目標(biāo)包括：一是，獲得裝備固有的安全性和可靠性水平;二是，當(dāng)裝備性能降級時，在保證符合壽命限制的基礎(chǔ)上，恢復(fù)其固有的安全性和可靠性水平;三是，為可靠性不達(dá)標(biāo)的零組件的設(shè)計改進(jìn)提供必要的信息;四是，在花費最少（包括當(dāng)前的維護(hù)費和未來的非計劃維護(hù)費）的前提下完成上述目標(biāo)。

該型發(fā)動機現(xiàn)行使用維護(hù)手冊能夠滿足發(fā)動機維護(hù)需求，因此該發(fā)動機主要零部件的壽命管理可直接利用現(xiàn)行有效的維護(hù)手冊，后續(xù)隨維護(hù)手冊的更新，應(yīng)同步更新發(fā)動機的零部件壽命管理計劃。

雖然該發(fā)動機之前未制定過壽命管理計劃，但修理技術(shù)條件一直在更新完善。制定壽命管理計劃時，可直接利用該文件。后續(xù)隨著修理條件換版，壽命管理計劃也應(yīng)同步更新。

1.6 使用用法更新

當(dāng)飛機平臺用法發(fā)生改變時必須進(jìn)行用法統(tǒng)計更新。此外，考慮到不同時期，作戰(zhàn)或訓(xùn)練的針對性可能不一樣，也應(yīng)定期統(tǒng)計更新實際用法。實際使用用法統(tǒng)計，通常應(yīng)包括對高壓或低壓轉(zhuǎn)速歷程、起動次數(shù)、大狀態(tài)時間、發(fā)動機排氣溫度等。

統(tǒng)計得到外場使用用法后，分析其與零件定壽時用設(shè)計用法的差異，基于分析結(jié)果，更新發(fā)動機壽命消耗算法，尤其是對于利用經(jīng)驗公式計算循環(huán)壽命消耗的情況。

對于以蠕變、磨損、疲勞蠕變交互作用等共同作用為破壞模式的耐久性關(guān)鍵件，使用用法的統(tǒng)計對于預(yù)計零件能否滿足下個翻修間隔期十分重要;當(dāng)缺乏使用經(jīng)驗時，應(yīng)基于得到的實際使用載荷譜，更新發(fā)動機持久試車譜，在飛行前利用地面試驗驗證零件的壽命能力。

1.7 定期技術(shù)審查

隨著技術(shù)水平提升、發(fā)動機使用數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的積累，以及外場使用用法的更新，應(yīng)定期審查發(fā)動機關(guān)鍵件的允許使用壽命，對于不合理的壽命值進(jìn)行更新。

此外，對于盤和軸類零件，目前是基于安全壽命法給出的壽命，后續(xù)損傷容限定壽方法成熟以及材料數(shù)據(jù)足夠后，應(yīng)基于損傷容限定壽方法對該發(fā)動機全部盤和軸類零件進(jìn)行定壽或壽命評估。

1.8 零部件延壽

對于通過試驗方法確定循環(huán)壽命的零部件，如果試驗中止時，零件沒有檢測出失效裂紋，且外場使用到壽后，失效概率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期，則可通過利用新零件補充開展試驗或計算分析進(jìn)行延壽。

對于壽命主要受大狀態(tài)使用時間限制的耐久性關(guān)鍵件，如果使用到規(guī)定壽命后，因其導(dǎo)致的發(fā)動機故障率較低，而且修理時經(jīng)濟性可承受，則其壽命可進(jìn)一步延長。

當(dāng)前該發(fā)動機的盤和軸均未試驗到出現(xiàn)裂紋，后續(xù)若有需要，具備開展延壽的基礎(chǔ)。渦輪葉片類零件，其能否延壽主要取決于大狀態(tài)時間是否用盡;其它葉片類零件主要看其造成的發(fā)動機可靠性指標(biāo)是否存在下降趨勢。

2 結(jié)語

（1）制定航空發(fā)動機壽命管理計劃，目的是為了從安全性、可用性、可靠性、維護(hù)性、性能及經(jīng)濟可承受性等方面對發(fā)動機的健康狀態(tài)提供全面的監(jiān)測和管理。其關(guān)鍵在于對斷裂關(guān)鍵件和耐久性關(guān)鍵件的管理。（2）給出了某現(xiàn)役航空發(fā)動機的壽命管理方法。