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发动机的“视情”寿命——提高航空领域的可靠性

2017-2-16 08:18| 发布者: admin| 查看: 73| 评论: 0

摘要: 发动机的寿命,是指发动机在规定的使用条件下,应该达到的累计工作时间(小时)或循环数(飞行器每使用一次,发动机工作了一个循环),是发动机耐久性的重要指标。许多发动机的寿命,是根据发动机主要零部件的强度设计与 ...

发动机的寿命,是指发动机在规定的使用条件下,应该达到的累计工作时间(小时)或循环数(飞行器每使用一次,发动机工作了一个循环),是发动机耐久性的重要指标。许多发动机的寿命,是根据发动机主要零部件的强度设计与试验的结果,以及整台发动机长期考验试车的结果而“规定”的。

 

发动机工作到了规定的寿命,必须从飞机上拆下,送到制造工厂或修理厂,进行“翻修”工作,即对发动机进行分解、检查、更换磨损或损伤的零件,对转子进行平衡,然后重新装配,在经过性能调整试车,交付使用方检验后,重新出厂。翻修出厂的发动机,又有规定的寿命。几次翻修后,使用到发动机的总寿命时,发动机就完成了它的使命,不能再用了。

 

发动机寿命的术语:

(1)总寿命:自发动机装机使用时起,在一定可靠度和使用条件下,能达到总的工作时间(多次翻修寿命之和),它与发动机总使用寿命或总技术寿命是对应的,后者为规定的报废时限;

(2)技术寿命:按照规定的使用、维修和保管条件,可以保证发动机可靠工作的使用期限;

(3)翻修寿命:自发动机使用时起到第一次翻修或两次翻修期间发动机的工作小时数;

(4)保证期和索赔期:自发动机使用时起,不发生外场不可排除故障的工作时间,在此期间,由发动机本身设计和制造的原因而发生的故障,由制造厂无偿修理或更换;

(5)封存期:验收合格的产品封存后到启封之间的时间,在此期间内,启封产品能保持其规定的技术指标。

在诸多发动机寿命术语中,具有较大影响的是发动机的总寿命和翻修寿命。

 

01
“翻修”寿命

我国自20世纪50年代以来,一直沿用苏联早期从活塞发动机引用的“发动机总寿命”和“翻修寿命”。

翻修寿命是指,新出厂的发动机,从开始使用到翻修时的使用时间,也称首翻期寿命;有时也用两次翻修的间隔时间来衡量。为了确定发动机工作时间,是否达到规定寿命;飞机的维护人员,要在发动机的履历本(详尽档案)上,严格记录下每次开车后,发动机工作的时间,精确到分钟;还要分别记录地面工作时间及飞行时间。上世纪的五、六十年代,一些军用发动机的首次翻修时间约为100小时,能翻修3~4次,即当时的军用发动机总寿命,在300小时左右。随着科学技术的发展,发动机的寿命也在不断地增长,例如,我国的“太行”发动机,首翻期的寿命为600~800小时,总寿命为2000小时。


翻修寿命是根据定型试车小时数按一定比例截取的“无故障”寿命。要求使用期间不出故障,把翻修寿命压得很低也是不行的。中国民航曾对38台JT3D的翻修寿命进行了统计,总飞行小时:122221h,平均每台发动机飞行3348h.。即使硬性地把发动机翻修寿命规定为1000h(已经很低),但仍有4台需要提前翻修,而其他34台则白白浪费掉39221h,相当划不来!


 

此外,工厂生产出一种型号的发动机,随着所装配的飞机各处飞行,完成不同的任务,发动机的使用环境和使用条件相差甚大,对发动机的使用寿命产生较大影响。


例如,在沿海地区的使用,易受海水潮气的作用,某些零件易生锈腐蚀;在高原地区使用时,飞机起飞时推力要比在平原地区飞行更大一些;在多沙尘地区使用时,发动机气流通道中零件,在砂尘的作用下会磨蚀、堵塞等等。这样,有某些发动机可能还未到规定的寿命,就不能工作了;而另一些发动机者反之。在这种情况下,就需要新的衡量指标。


20世纪60年代末,美国已将可靠性维修技术用于民航,编制了维修大纲,包括定时维修、视情维修和状态监控三种维修策略,而不再是简单的规定翻修寿命。制定使用维护计划,详细给出定期检查的时间、维修计划、可靠性指数、关键零件寿命及循环数。翻修期允许发动机出现故障,例如JT-3D发动机在1972年的平均寿命为1200h,空中停车率0.0205,提前换发率0.19,即发动机每50000飞行小时出现一次空中停车,每5000飞行小时需提前换一台发动机。

之后,随着发动机可靠性和结构完整性研究的开展,对于发动机的寿命理解更深刻和确切,发动机总寿命和翻修寿命已经失去了其原有的安全保证的意义,逐渐被取消。

 

02
“视情”寿命


随着许多先进的、能判断发动机健康状态的各种技术的采用,从上世纪七十年代中后期开始,一些航空发动机的寿命,从“规定”转变为“视情”了,即发动机生产厂商,不给出出发动机规定的寿命(或仅作参考),而是使用者根据发动机健康状态,判断发动机是否需要翻修,发动机的寿命变成了“视情”寿命。在采用视情寿命概念后,同一型号的不同发动机,寿命各异差别极大。

 

需要说明的是,当发动机采用“视情”寿命时,发动机的一些主要零件,例如压气机盘、涡轮盘、机匣与轴等,仍然有规定的额定寿命(小时与循环数),这些零件称为“有限寿命的零件”,每型发动机均有专门的“有限寿命的零件”清单,清单中列出这些零件的名称,以及规定的小时与循环数寿命。


根据发动机的健康状况,认为发动机状况良好,仍可以继续工作时;如果有某一个“有限寿命的零件”寿命到期,则需更换这个零件所在的单元体,完成后发动机继续工作,不对发动机的寿命构成影响。

发动机寿命的单位

上世纪五、六十年代,航空发动机的翻修寿命较短,因此仅以小时数表征发动机的寿命。但是,随着发动机寿命的不断增加,出现了另一表征发动机寿命的参数,即循环数——飞机完成一次从起飞到着陆的过程,称发动机完成了一次工作循环。如果某发动机的翻修寿命规定了小时数与循环数,那么,在发动机的使用中,只要某一参数达到了规定值,发动机即不能继续工作,而须送修或报废。

 

循环数之所以作为发动机寿命参数,是因为循环数能够确切地考核发动机主要零件的耐疲劳性。(金属材料产生疲劳效应,在反复的运行后,会产生形变、破裂、折断等)


航空发动机中的轮盘、轴与机匣等主要零件,在工作中也会疲劳损坏。以压气机的轮盘为例;在飞机起飞前,发动机未工作,叶片没有离心力作用在轮盘上,轮盘上承受的离心应力为零;起飞时,发动机以最大转速工作,叶片产生巨大的离心应力传给轮盘,轮盘上承受了最大的离心应力;当飞机着陆后发动机停车,作用在轮盘上的离心应力又为零,这样,轮盘的受力就有一个反复的过程,积累到一定的次数后,轮盘就像正反弯折钢丝一样疲劳。因此,发动机的循环数成为了衡量标准。


与飞机寿命的关系


飞机也有寿命的要求,一般情况用飞机的日历寿命来表示,指从飞机制造出厂日期开始计算,达到安全而经济的最大服役期限,以年为计量单位。例如,美国战斗机的寿命设计指标一般为20年,轰炸机一般为25年,但在实际使用中,随着技术的更新与发展,飞机的日历寿命也不断增长,甚至能够批量超期服役。发动机虽然是飞机的组成部分,其寿命与飞机的日历寿命无直接关系,但是发动机一旦到了寿命,飞机必须进行更换才能正常使用。


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