从100小时到8000小时,漫谈航空发动机寿命延长之路

从100小时到8000小时,漫谈航空发动机寿命延长之路
2020年01月15日 14:48 新浪网 作者 航空之家乔善勋

从100小时到8000小时,漫谈航空发动机寿命延长之路

陈光/文

飞机的心脏———航空发动机与人一样,也有寿命,但它的寿命不是以年计,而是以小时或循环数(飞机每飞一次,发动机即工作了一个循环)计的。发动机的寿命指发动机在规定的使用条件下应该达到的累计工作时间或循环数,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,及整台发动机长期考验试车的结果而“规定”的,规定的寿命是不能随意变更的。发动机工作到了规定的寿命,必须从飞机上拆下,送回制造厂或修理厂进行“翻修”,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,再经过性能调整试车,交付使用方的交付检验试车后,重新出厂。翻修出厂的发动机又有规定的寿命。几次翻修后,使用到发动机规定的总寿命时,发动机即完成了它的使命,不能再用了。

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为了确定发动机工作时间是否达到规定寿命,维护飞机的维护人员要在发动机的履历本(相当于人的个人档案)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。

早期的航空发动机以及目前许多军用发动机采用上述的规定寿命,一般称为“翻修寿命”。翻修寿命指新出厂的发动机从开始使用到翻修时的使用时间,称“首翻期寿命”;或两次翻修间的间隔时间,一般低于首翻期寿命。20世纪五、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只有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,最近公布的资料称,我国自行研制的某型发动机首翻期的寿命为600~800小时,总寿命为2000小时。20世纪70年代,先进的民用发动机翻修寿命己达到5000~8000小时。

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但是,这种硬性规定的寿命在某些方面是不科学的,因为工厂生产出的一种型号的发动机,随着装备的飞机在各处飞行,完成各自的任务,发动机的使用环境与使用条件相差甚大,对发动机的寿命影响很大。

例如,在沿海地区使用的发动机,易受海水潮汽的作用,某些零件易生锈腐蚀;又如,在高原地区使用时,飞机起飞时要比在平原地区飞行时用的推力更大些;又如,在多沙尘地区使用时,发动机气流通道中零件在沙尘的作用下会磨蚀等。有可能某些发动机还未到规定寿命就不能工作了,而另一些发动机到了规定寿命健康状况仍良好却得按规定送厂翻修,不仅浪费人力财力,甚至还把好用的发动机修得不那么好用。

随着许多先进的、能判断发动机健康状态的各种技术的发展,从20世纪70年代中后期起,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再给出发动机的规定寿命,而是使用者根据发动机健康状态,判断发动机是否需翻修还是可以继续使用,发动机的寿命变成了视情寿命。在采用视情寿命概念后,同一型号的多台发动机,寿命各异,甚至差别极大。现在大多数民用高涵道比涡扇发动机均采用视情寿命。

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在20世纪五、六十年代,航空发动机翻修寿命较短,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同时规定了小时数与循环数,那么,在发动机使用中,只要某一参数达到规定值,发动机即不能继续工作而须送修或报废。

为什么要用循环数作为发动机寿命参数呢?

这是因为循环数是考核发动机主要零件的耐疲劳性的重要参数。当人们要将一根钢丝弄断时,没有人只是用劲拉将钢丝拉断,而都是反复正、反弯曲钢丝,经过几次反复弯曲后,钢丝就被折断了。

钢丝被弄断,是它在反复正、反弯曲后,材料疲劳了,失去了它原有的强度而造成的。因为当弯曲钢丝时,钢丝截面的一面受到压缩,另一面受到拉伸,将钢丝向反向弯曲时,原来受压缩的地方变为受到拉伸,而受到拉伸的地方又变成受到压缩,这样经过多次的受拉受压的转变,材料出现疲劳。

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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;当飞机起飞时,发动机以最大转速工作,叶片产生巨大的离心力传给轮盘,轮盘上承受了最大的离心应力;当飞机着陆后发动机停车,作用于轮盘上的离心应力又为零,这样,轮盘就反复承受着从零到最大再到零的作用力作用,积累到一定次数后,轮盘就会疲劳。因此,规定了发动机循环数的寿命。

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、机匣与轴等仍然规定有死的寿命(小时与循环数),这些零件称为“有限寿命的零件”,各种型号的发动机都有专门的“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。当根据发动机健康情况,认为发动机状况良好,可以继续工作时,如果这时有某一个“有限寿命的零件”寿命到期,则需换下这个零件所在的单元体,换上一个还未到规定寿命的单元体后,发动机继续工作。

飞机也有寿命要求,一般用飞机的日历寿命来表示,它是指从飞机制造出厂那天开始计算,达到安全而经济的最大服役期限,以年为计量单位。飞机的日历寿命大体上可以根据飞机设计时规定的总飞行小时,再根据飞机的飞行大纲和年度计划确定飞机一年的飞行小时数,折算而求得;另外,飞机的日历寿命还要依据飞机金属材料的腐蚀和非金属材料的老化损伤程度来确定。

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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,但是在实际使用中,随着技术的发展,特别是一些监测飞机健康状态技术的发展,使飞机的日历寿命也不断增长,例如 B-52轰炸机是1955年年中服役的,到现在已近60年了,美军还计划将76架B52H延用到2020年。

发动机虽然是飞机的一个主要组成部分,但它的寿命与飞机的日历寿命无直接关系,当发动机到了寿命,不论飞机还有多少寿命,都须从飞机上卸下,换上新发动机后,飞机才能继续使用。

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