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航空发动机可靠性

2017-7-26 16:10| 发布者: admin| 查看: 53| 评论: 0

摘要: 航空发动机可靠性既是痛,也是爱。让我们来看看一位专业人士的剖析。开场白可靠性是一门古老而又不断发展中的学科。在已有的文字记载中,早在殷商时代就有关于青铜武器生产状况和产品质量的监督和检验的记录,这是早 ...

航空发动机可靠性既是痛,也是爱。

让我们来看看一位专业人士的剖析。


开场白


可靠性是一门古老而又不断发展中的学科。在已有的文字记载中,早在殷商时代就有关于青铜武器生产状况和产品质量的监督和检验的记录,这是早期人们对可靠性的朴素认识。而现在可靠性在电子、机械、航空航天、土木建筑等领域中均占有举足轻重的位置,发展可谓是如火如荼。当然,在大发的研制中,可靠性也是我们关注的重点。但是可靠性究竟是什么,到底多重要,很多人往往知其然而不知其所以然。其实可靠性恰似《天龙八部》中,为萧远山/慕容博疗伤的扫地神僧推崇的佛法,僧曰:“二位施主热衷于各种功法,却对旁边的佛经佛法熟视无睹,但凡武功到境界,必于佛法中求解”。


商用航空发动机的研制需要性能和可靠性并行开展。追求发动机的高性能是工程师们的终极目标,而到达胜利彼岸的路途中,仍需要可靠性一路保驾护航,调和、化解可能出现的危险。



忽视我,会伤“心”


刚才小编从武学和玄学的角度诠释了可靠性的重要性,是不是觉得很高深莫测?好啦好啦,小编我就不装高大上了,下面用某发来举个例子吧。


众所周知,在发动机领域,美国一直以来都是名副其实的老大,然而为了给F-15匹配一台性能卓越的发动机,普惠公司的F100发动机在研制初期片面强调性能,却忽视了发动机的可靠性,再加上研制时间和周期太短,试验验证工作做得不充分,为F100发动机的日后运行埋下了隐患。


F100发动机与F15飞机(图片来源于网络)


果不其然, F100发动机大批量投入使用后,随着运行的时间越来越长,出现的技术故障也越来越频繁,导致飞机出现大面积趴窝,严重影响了经济效益,这也使技术人员们不得不更加注重发动机可靠性的相关研究。



看到木有,忽视可靠性的工作,是不是最后反而得不偿失,伤到了可怜的小 “心”肝!就拿壮(肥)硕(胖)小编我的努力了N年的减肥大业来说,理论上讲,应当是进食量越小,运动量越大,达到减重的目标会越快;但是,过大的运动量,在加上不当的节食,就会给小编正常的身体造成伤害,有悖健康减脂的初衷。因此还是老生常谈的那一句话,只有基于健康的减肥才有实际的意义。



说到这儿,我们的F100发动机宝宝又要闪亮登场了(在此心疼F100发动机宝宝三分钟)。PW的攻城狮前辈们为了追求性能的极致(最大力度的减肥),不断地压榨F100的可靠性(身体的健康),完全忽略了部件尺寸在加工中的偏差、材料性能的不稳定性以及在高温高压下F100小朋友可靠性的衰退,本身就是单条腿走路,还要不断地在可靠性上走钢丝,后果可想而知。

对不起,我不是数字游戏


其实早在1939年,美国航空委员会出版的《适航性统计学注释》中,提出飞机由于各种失效造成的事故率不应超过0.00001/h,相当于飞机在一小时飞行中的可靠度为0.99999,从这个数字指标开始,航空领域就与可靠性密不可分了。随着半个多世纪的发展,可靠性分析的大家庭逐渐壮大,涵盖了可靠性建模、可靠性分配、可靠性预计、故障模式与失效分析(FMEA),故障树(FTA)、可靠性增长、可靠性测试验证等方面。


然而很多攻城狮们一直都有一个误区,认为可靠性的工作就是一个数字的游戏,不就是填个表建个故障树吗?最终给出一个可靠度就可以了啊。在这里,小编可以一本正经很严肃的告诉你,你错了!


可靠性分为固有可靠性和保障可靠性,固有可靠性是设计出来的,是天生的遗传基因,是指产品在设计、制造过程中,产品对象已经赋予的固有属性,这部分的可靠性是在产品设计开发时可以控制的;保障可靠性相当于后天教育,考虑产品安装、操作使用、维修保障等各方面因素充分发挥使固有可靠性达到设计的水平。


对于我们大发而言,需要建立完善的可靠性组织结构, 规划可靠性组织工作的目标,制定出相应的流程,规范可靠性工作,监督可靠性工作的实施,培训可靠性知识,增强质量意识,规避设计风险,通过设计奠定大发的可靠性基础。研究在设计阶段如何预测和预防各种可能发生的故障和隐患,通过试验测定和验证产品的可靠性;研究在有限的样本、时间和使用费用下,如何获得合理的评定结果,找出薄弱环节,并研究导致薄弱环节的内因和外因;研究导致薄弱环节的机理,找出规律,提出改进措施,以提高产品的可靠性。同时研究制造偏差的控制、缺陷的处理和早期故障的排除,保证设计目标的实现。因此可靠性工程是糅合了可靠性数学建模、技术分析和管理科学的复杂学科。


当然可靠性建模/管理/技术分析三者不可偏废,就像吃饭的主食(技术)、菜(可靠性建模)和酒(管理)一样,相互搭配才会营养均衡。但可以视企业实际而有所侧重。举个例子,美国GE公司对可靠性评价指标要求有产品寿命、平均寿命指标(MTBF)和平均失效时间(MTTF)报告、可靠性框图、故障树分析(FTA)、可靠性测试计划和测试报告等;然而东南亚的一些企业只有MTBF和MTTF的要求;再到南美的厄瓜多尔的企业则未提到,只是提出环境适应性和安全性的要求。从这三个国家的企业看出来,发展状况越不好的,就越关心主食,条件好些就要求菜了,有饭有菜就希望有点酒喝。



前面我们可怜的反面教材F100-PW同学也同样认识到可靠性工程的重要性,知耻后勇。鉴于F100可靠性不高的现状, PW公司改变了指导方针,即不惜用牺牲性能的代价来提高发动机的可靠性、耐久性,从设计、管理以及技术出发,建立了一套完整的可靠性分析体系。具体包括:重新设计的寿命更长、可靠性更高的核心机、换用单晶材料制造涡轮叶片、第一种用于战斗机发动机的全权限数字式发动机控制系统(FADEC)、发动机故障诊断系统(EDU)、经改进的加力燃烧室和齿轮式燃油泵等措施,提高可靠性。


经过技术革新,虽然F100-PW-220小朋友的三(性)围(能)也有所下降,全加力推力保持在105.9kN,推重比下降到7.4,但是其可靠性和寿命大幅度提高。至此,昔日小毛病不断的F100小朋友终于变得成熟可靠,以其优良的表现成为闻名世界的发动机。


F100-PW-100与F100-PW-220性能参数对比图

(图片来源于网络)


下面来欣赏一下在健康可靠版的F100-PW-220发动机的F15的美图吧

F15飞机(图片来源于网络)


可靠性工作探秘


子曾经曰过:可靠性工程的发展史就是一部不可靠性的血泪史。作为一门与产品故障作斗争的科学技术,可靠性技术可以保障我们大发研究产品全寿命周期中少流血少流泪,减少故障的发生,提前预防和控制。


CFM56航空发动机在产品规划初期就建立了一套完整的可靠性管控技术体系,经过实践和经验积累,同初期CFM56-2相比,换代后CFM-3可靠性提高了30%~40%。每次更新换代,CFM公司都以安全可靠为第一前提,并取得显著效果,数据显示CFM56的空中停车率在1996年是3万小时1次,到2003年降至40,729小时1次,直至2016年降至5万小时1次。长期以来CFM发动机可靠性一直在稳步提升,CFM系列发动机被公认为最可靠、最稳定的航空发动机。


CFMI公司研发的CFM56系列发动机

(图片来源于网络) 


如何为大发量身定制可靠性体系


当我们大发还在襁褓中的时候,攻城狮们就要将可靠性要求纳入到发动机的总研制要求中,在定义完发动机功能后,需要通过开展功能危害性分析以及特殊风险分析,从功能故障失效的角度以及外部潜在危险源(如雷电、火山灰、鸟撞)对飞机运行安全的角度出发,结合材料、加工工艺中不确定性的现状,建立了大发顶层的可靠性要求。从顶层策划涵盖整个产品生命周期的可靠性工作,定义每个阶段的可靠性工作,并考虑完成这些工作所需要的资源,包括方法、流程、工具、数据库等。确保可靠性要求被及时地、准确地纳入到产品研制的各个环节中。



航空发动机需求构成图(图片来源于网络)


随着发动机设计架构的不断深入与完善,通过故障树分析,并利用故障失效的数值模拟技术,对系统的设计架构开展评估,判断系统架构是否满足顶层的可靠性要求。在验证阶段,需要对标可靠性要求以及衍生的需求开展验证,具体活动包括定量的故障树分析、定量的故障模式影响分析、共模分析、以及基于分散性的耦合环境下的相对不确定性风险分析。在小编看来,一言以蔽之,为了实现我们大发健康可靠的目标,需要自上而下的可靠性要求分解与确认和自下而上的可靠性要求的验证。

化整为零-可靠性分析验证方法

当我们拿到产品的可靠性指标时,需要进行抽丝剥茧,将这些顶层的可靠性要求自上而下,从整体到局部,逐步分解,分配到各系统、分系统及设备,进行相应的故障树分析、可靠性分配以及部件零组件级可靠性分析评估。


负责A380可靠性的设计维修主管蒂莫西·艾伦曾表示,空客公司切实从可靠性的角度出发设计飞机。空客设计人员广泛参考空客A340等飞机项目,并充分吸收用户群体对飞机可靠性的意见后,在项目设计启动初期就将可靠性要求纳入到了设计中去,要求在投入运行两年内使用可靠性达到99%。为此设计人员将1%的故障率,在包括机体、航电设备、机舱系统、推进系统等在内的所有飞机系统中进行分解。(额~~~这么多层分解,感觉好难,要被绕晕了有木有)。


鲜花

握手

雷人

路过

鸡蛋

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