某现役航空发动机寿命管理方法研究

詹禄禄

摘 要：航空发动机在寿命周期内服役使用时，既需要保证性能满足设计要求，又需要确保安全、可靠和经济地运行，因此需要通过一个连续且严格的过程对其进行寿命管理。制定航空发动机寿命管理计划，关键在于对断裂关键件和耐久性关键件寿命的管理。本文详细阐述了某现役航空发动机的一种寿命管理方法。

关键词：航空发动机;寿命管理;关键件

中图分类号：V263 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）13-0051-02

航空发动机在寿命周期内服役使用时，既需要保证性能满足设计要求，又需要确保安全、可靠和经济地运行，因此需要通过一个连续且严格的过程对其进行寿命管理。在长期的实践中发现，可通过制定航空发动机寿命管理计划，从安全性、可用性、可靠性、维护性、性能及经济可承受性等方面对发动机的健康状态进行全面的监测和管理。

欧美民用航空发动机寿命管理主要是对基于工程计划和制造计划确定的零部件寿命进行管理，即制定使用管理计划，以保证航空发动机限寿件的完整性，是因为限寿件的失效可能导致危害性发动机后果，而制定和实施“三个计划”，可以最大可能地避免发生限寿件的失效。军用航空发动机寿命管理在本质上与民航没有差别，其重点关注的还是对影响安全的、且有寿命限制的零件。不过因为军用产品不仅仅是安全，任务也同等重要，因此美军标对于可能影响任务完成的耐久性关键件也提出了寿命管理要求。

国内航空发动机使用管理模式主要学习自原苏联，一直采用整机总寿命和翻修间隔期进行寿命控制。因此对于航空发动机寿命管理只有形而上的概念，一般将其理解为记录寿命消耗，主要包括小时数/循环数换算率和大状态使用时间统计，即使如此，这些工作也很少针对零部件或单元体进行。虽然某些测仿或专利引进生产的发动机中，有零部件寿命管理相关内容，实际中也不重视相关要求。

1 某现役航空发动机寿命管理方法

制定航空发动机寿命管理计划，关键在于对断裂关键件和耐久性关键件的管理。

影响寿命管理计划制定的因素主要包括以下三个方面：一是服役用法和使用数据的收集;二是发动机使用维护大纲;三是修复备件和购买备件的数量等备件要求。

寿命管理是一个动态的过程，因此寿命管理计划不是一劳永逸，而是需要不断地更新。

1.1 发动机主要零部件定寿

该发动机通过载荷谱统计研究、综合飞行换算率确定、故障调研分析以及主要零部件的寿命计算和试验等工作，得到了发动机主要零部件的试验预测寿命。

1.2 规定寿命宣布

考虑到试验条件不能完全模拟实际使用环境，一般需逐步宣布零部件的规定寿命。

（1）循环寿命限制件。断裂关键件在服役之初一般是通过零部件试验或基于经验的计算方式给出关键部位、高可靠度的预定安全循环循环寿命（PSCL），如-3σ或B0.1寿命。可宣布零件的初始允许使用循环寿命等于1/2PSCL，到寿后随大修抽样返厂检查;如果没有问题，再宣布零件可继续使用到3/4PSCL;返厂检查没问题后，再宣布零件可达到全部PSCL许可。

要给出小时寿命，需基于发动机设计用法或外场实际使用用法，针对不同部位确定换算率，将寿命最短部位的寿命值作为零件/单元体预计安全使用小时寿命。可同时规定循环寿命和小时寿命。

（2）耐久性关键件。对于耐久性关键件，如叶片类零件，服役之初一般通过整机试验或计算分析给出中值寿命。但由于其寿命受实际用法影响很大，而且失效不会造成重大安全性问题或中断任务执行，因此一般综合考虑失效率、经济性等因素，随发动机或单元体翻修间隔逐步给定总寿命。

1.3 寿命消耗计算方法

该发动机进行了历程记录仪研制，其通过采集发动机高、低压转速、排气温度、油门角度、飞机起落架等信号，并进行实时计算，保存并实时显示低循环数、发动机各状态工作时间及其他监控结果。因此，后续历程记录仪列装，则可直接利用其进行寿命消耗计算。此外，也可基于载荷谱统计分析结果，估算零部件寿命消耗。

1.4 零部件可靠性增长研究

可靠性增长计划目的是为了提高发动机安全性和可靠性。一般而言，在发动机投入使用之初，可靠性水平一般难以达到成熟期目标值，因此应基于研制阶段的可靠性和安全性分析（如FTA、FMECA等）制定持续的零部件改进计划。

随着外场服役使用，发动机的薄弱环节逐步暴露，在统计分析影响发动机安全性和可靠性达标的基础上，按照影响的严重程度，优先安排对安全性和可靠性有重大影响的零件进行优化改进。

目前该发动机尚需开展以下几个方面工作：一是，技术质量问题进一步统计分类研究;二是，反设计研究;三是，技术质量问题持续解决;四是，修理技术深化研究;五是，成附件可靠性增长。

1.5 使用维护和修理要求

维护管理的目的是为了评估，当发动机不适合继续使用或需要开展维护工作时，执行维护管理计划后能有效地恢复到可使用的状态。也就是说，对发动机进行维护管理的目标包括：一是，获得装备固有的安全性和可靠性水平;二是，当装备性能降级时，在保证符合寿命限制的基础上，恢复其固有的安全性和可靠性水平;三是，为可靠性不达标的零组件的设计改进提供必要的信息;四是，在花费最少（包括当前的维护费和未来的非计划维护费）的前提下完成上述目标。

该型发动机现行使用维护手册能够满足发动机维护需求，因此该发动机主要零部件的寿命管理可直接利用现行有效的维护手册，后续随维护手册的更新，应同步更新发动机的零部件寿命管理计划。

虽然该发动机之前未制定过寿命管理计划，但修理技术条件一直在更新完善。制定寿命管理计划时，可直接利用该文件。后续随着修理条件换版，寿命管理计划也应同步更新。

1.6 使用用法更新

当飞机平台用法发生改变时必须进行用法统计更新。此外，考虑到不同时期，作战或训练的针对性可能不一样，也应定期统计更新实际用法。实际使用用法统计，通常应包括对高压或低压转速历程、起动次数、大状态时间、发动机排气温度等。

统计得到外场使用用法后，分析其与零件定寿时用设计用法的差异，基于分析结果，更新发动机寿命消耗算法，尤其是对于利用经验公式计算循环寿命消耗的情况。

對于以蠕变、磨损、疲劳蠕变交互作用等共同作用为破坏模式的耐久性关键件，使用用法的统计对于预计零件能否满足下个翻修间隔期十分重要;当缺乏使用经验时，应基于得到的实际使用载荷谱，更新发动机持久试车谱，在飞行前利用地面试验验证零件的寿命能力。

1.7 定期技术审查

随着技术水平提升、发动机使用数据和经验的积累，以及外场使用用法的更新，应定期审查发动机关键件的允许使用寿命，对于不合理的寿命值进行更新。

此外，对于盘和轴类零件，目前是基于安全寿命法给出的寿命，后续损伤容限定寿方法成熟以及材料数据足够后，应基于损伤容限定寿方法对该发动机全部盘和轴类零件进行定寿或寿命评估。

1.8 零部件延寿

对于通过试验方法确定循环寿命的零部件，如果试验中止时，零件没有检测出失效裂纹，且外场使用到寿后，失效概率也远远低于预期，则可通过利用新零件补充开展试验或计算分析进行延寿。

对于寿命主要受大状态使用时间限制的耐久性关键件，如果使用到规定寿命后，因其导致的发动机故障率较低，而且修理时经济性可承受，则其寿命可进一步延长。

当前该发动机的盘和轴均未试验到出现裂纹，后续若有需要，具备开展延寿的基础。涡轮叶片类零件，其能否延寿主要取决于大状态时间是否用尽;其它叶片类零件主要看其造成的发动机可靠性指标是否存在下降趋势。

2 结语

（1）制定航空发动机寿命管理计划，目的是为了从安全性、可用性、可靠性、维护性、性能及经济可承受性等方面对发动机的健康状态提供全面的监测和管理。其关键在于对断裂关键件和耐久性关键件的管理。（2）给出了某现役航空发动机的寿命管理方法。