-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。

可以把可靠性指标分为四大类：以时间计量为指标、以概率计量为指标、以单位时

间比率计量为指标[2]

、以1000飞行小时基数为指标。

3.1以时间计量为指标

(1)平均故障间隔时间T BF

航空发动机主要研制国家经常以平均故障间隔时间来表示发动机的可靠性水平，这一时间段是指两个相邻故障间工作时间的平均值，其间发动机不仅完成飞行，并且在地面进行检查和飞行中出现的故障都能够按常规飞行准备工作的若干规定和一定的维护予以排除。平均故障间隔时间T BF 的数学表达式为： N

T BF =

N

∑t

i

i =1

式中：N 为故障发生的次数；t 为第i 次故障间的工作时间。

平均故障间隔时间T BF 对航空发动机是一个十分重要的可靠性参数，它不仅表达发动机质量的优劣，而且还用来作为系统可靠性预计和分配的重要参数。

(2)平均维修时间T MR

对于航空发动机，平均维修时间T MR 定义为故障后若干次维修时间的平均值。其数学表达式为：

T MR =TR / NE

式中：T R 为总维修时间；N E 为被维修的发动机台数。

上述维修专指发动机返到修理厂的情况。

平均维修间隔时间 T MR 和T BF 存在着

一定的量化关系 [4]

， 二者具有相关性 ，选择参数时只能选一个。T MR 是以 TBF 为基础 ， 并考虑到环境和复杂程度的影响所确定的一个耐久性指标 ， 是由美国空军和波音公司基于大量的统计而获得的 ， 其基本

表达式为 T α

MR ＝ｋ（T BF ）， 式中 ｋ 为环境参数为复杂参数 ， 在只考虑发动机故障时 ， 一般选 ｋ＝2.39，α＝0.66。

3.2用概率计量的指标：可靠度

可靠度指可靠性的对象、功能、使用条件、时间和概率值等5个方面的因素，它是

时间的函数，其值在0和1之间。当t=0时， R （t ）=1完全可靠，如果产品全部发生故障，则R （t ）=0。

3.3以单位时间比率计量为指标：故障率λ（t ）

产品工作到某时刻t 尚未发生故障，在该时刻后的单位时间内发生故障的概率称为故障率λ（t ），它也是时间的函数。工作过程中，故障率λ（t ）随时间的变化情况常用以下“浴盆曲线”表示，见图1。

图 1 浴盆曲线

从图1可以看出，该曲线包括早期故障期（DFR ）、偶发故障期（CFR ）和损耗故障期（IFR ）3段。早期故障为产品使用初期磨合时故障初始暴露，航空发动机的性能故障多在此阶段出现，其特点是随着时间的增加，故障率迅速减小。偶发故障为产品处于正常使用时期产生的故障，故障率大体不变，在某些条件下偶发性故障危害很大。耗损故障为产品处于使用后期产生的故障，由于老化、磨损和疲劳等因素造成。

3.4以1000飞行小时基数为指标

（1）空中停车率 ＲｉＦｓ

空中停车率是指每1000飞行小时中发动机空中停车的总次数。发动机空中停车可由发动机本身故障和飞机系统故障引起，空中停车率通常是指发动机本身故障引起的。 （2）提前换发率 ＲＵＥＲ 和返修率 ＲＳＶ 提前换发率又称非计划换发率，指发动机在1000飞行小时中由于发动机故障造成的提前更换发动机次数。返修率 Ｒｓｖ 定义为每1000飞行小时发动机返厂修理的次数。

4. 影响可靠性的因素及对策简介[5]

航空发动机可靠性问题的特征之一就是综合性和多重性。例如不可能仅仅通过成功的发动机结构设计或者依赖发动机生产厂商的高水平工艺就确保发动机的高可靠性。为了获得高可靠性的发动机，有必要统计并研究造成发动机可靠性降低的各种因素，并提出相应的对策提高可靠性。

4.1影响可靠性的因素

(1) 不完善的设计

其中包括表征发动机工作过程的热力气动参数的选取。实际上，几乎所有的发动机在经历一定的调试及使用时间之后，都要经过或多或少的结构修改，以提高其可靠性、耐久性和维护性。

(2) 不成功的工艺和加工过程的不稳定性

许多零件损坏的原因往往是在零件的表面层存在过大的残余应力、表面烧伤和由最终工序不完善造成的缺陷。此外，尚有许多故障是与零件尺寸公差的存在有关，例如叶片的疲劳破坏和折断就是如此。

(3)所采用的材料性能质量低及没有足够的稳定性

这是指在发动机结构中采用的所有材料，包括金属材料和非金属材料。在使用过程中，经常遇到合金中因含有杂质而引起构件早期疲劳断裂；橡胶和其他密封材料很快丧失所要求的特性，可能引起密封性的破坏，造成泄漏等；使用低质量的燃油和滑油也可能限制发动机零件或整机的寿命。 (4) 购 件 缺 陷

用于发动机的很多成品附件是由其他工业部门制造厂提供。发动机可靠性在很大程度上都取决于诸多附件制造厂提供的产品的可靠性。

（5）违反了发动机使用和维护规程

发动机的很多故障是由不正确的使用引起的。例如，不遵守使用说明书的若干规定，无根据地超出限制值及采用不合理的条件；维护工作的质量较低，有时在维护中出

现粗心错误。

4.2提高途径

（1）设计过程确保具有高的固有可靠性

在设计过程中，应充分考虑发动机的使用条件及合理地选择工作能力储备。充分地考虑所有使用条件，包括工作参数、外部作用力、循环状态和循环次数、各种工作状态时间分配及工作环境等。包括一体化产品研发方法、在设计过程中采用故障模式及影响分析技术（FMEA ）和故障模式、影响及危害

分析技术（FMECA ）[6]

。

（2）借助零、部件试验及整机试车检验可靠性

任何航空发动机的调试过程都可以分为3个阶段进行。第一调试阶段是检查并试验新发动机的结构工作能力，使其不存在进一步调试的不可能性。第二调试阶段则是得到要求的特性和发动机的使用性能。第三调试阶段是得到对发动机使用初期足够的可靠性和耐久性水平。

（3）在加工制造过程保证可靠性

生产制造过程中，保证发动机的可靠性主要体现在两个方面，首先，完善工艺过程，使加工制造的零件具有高的疲劳强度和寿命，尤其考虑对强度性能具有重大影响的零件表面层的最佳质量；其次，提高零件加工制造过程中各环节的精度和稳定性，其中包括质量检查方法和工艺稳定性的控制。 （4）在使用维护过程保证可靠性

使用过程的许多故障是由发动机使用或操作人员违反发动机使用和维护操作规程造成的。一般情况下，把维护作为将发动机调整到工作能力状态的手段。修理同样也被认为是维护的一种形式。

5. 总结

发动机性能指标在研制之初就可以制定，而寿命可靠性指标则需要在长期的工作和大量的使用数据积累，才能获得。可靠性工作贯穿于发动机设计、研制、生产、使用和维护的每个环节，任一环节的脱节都会导致可靠性工作的失败。特别是现代航空发动机零部件数量的庞大和相互关联的复杂性，使航空发动机可靠性问题愈来愈多。在性

能、可靠性、全寿命费用综合平衡研制过程中，提高发动机性能的同时，开展前瞻性可靠性工作，确保其可靠性、耐久性，降低全寿命工作，确保其可靠性、耐久性，降低全寿命周期费用，有利于发动机研制，有利于提高发动机的性能、安全性、经济型。

参考文献：

[1] 唐万文，程礼. 航空发动机可靠性研究的发展趋势. 江苏航空.2004

[2] 李琼，李艳军，赵文涛. 航空发动机可靠性研究及提高途径的探讨 .飞机设计.2011

[3] 徐可君，江龙平. 军用航空发动机可靠性和寿命管理. 中国工程科学.2003

[4]蔡娜，贾广生，徐风磊. 航空发动机可靠性参数体系选择和指标确定的初步探讨. 科技信息.2007 [5] 张连祥. 提高航空发动机可靠性的途径航空发动机.2002

[6] 姜晓莲. 提高航空发动机可靠性的几种措施航. 空维修与工程.2008