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1 # 一坑四彈
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2 # 航小北的日常科普
航空發動機專業的學生告訴你,航空發動機的壽命就是試出來的。不過此“試”非彼“試”也。
航空發動機的壽命並不是說搞一萬臺發動機,測試到都報廢,接著統計每一臺壽命多少,最後再做個平均。而是需要用另外的測試方法。
首先,我要說一個很違反常識的事情,那就是一般來說,航空發動機的壽命是在設計之前就已經定好了的。有人可能認為,航空發動機的壽命跟人的壽命是一樣的,最後能活多久偶然性很大,所以怎麼可能一個人一出生就告訴他,你壽命是XX年呢?
這個想法是很正常的,但是航空發動機的壽命顯然跟人的壽命不是一回事。有關航空發動機壽命的邏輯是這樣的:某一架飛機需要一臺航空發動機,為了保證飛機能夠隨時戰鬥,發動機要儘可能少維修,所以這臺發動機的壽命要是2000個小時。
因此,一臺發動機的壽命在一開始就是作為設計指標定好了的,而不是整個發動機都造完了、測試出來的。而且發動機的設計壽命確定是一門學問,必須要是整個行業最資深、最瞭解的人才可以做到,畢竟壽命定高了,各個部門的設計、生產能力跟不上,壽命定低了,又會造成巨量的浪費。
發動機設計的時候,航空發動機的壽命要最終轉化成部件的壽命。航空發動機是一種非常複雜的機械,其中的部件數量都是成千上萬的,所以設計起來不可能是一蹴而就,而是要分為各個部件來設計,所以航空發動機的壽命最後要轉化成部件的壽命,然後交給部件設計人員去按照這個標準設計相關的部件。
所以,發動機裡面有個很重要的改唸叫“部件定壽”,字面上的意思是,針對航空發動機裡面的某一個零件,你要確定他的壽命。
具體來說,就是某一臺發動機,如果想要達到一定的壽命,那麼至少來說,裡面的各個零部件的壽命應該是超過發動機的壽命的,因此在設計部件的時候,最終目的之一,就是要在部件定壽的時候使最終的部件壽命滿足設計要求。
尤其是航空發動機中有一些零部件叫“壽命關鍵件”,這些部件的定壽是非常嚴格的,甚至於為了防止實際生產和使用的時候有一些意想不到的情況,所以需要讓這些壽命關鍵件的遠遠超過實際需要。比如說,航空發動機裡面的渦輪葉片【下圖就是】,由於要承受巨大的離心力和極高的溫度,所以這些葉片的壽命很大程度上制約了航空發動機的壽命,所以對於這些零件的定壽,要遠遠超過實際需要的壽命——比如說發動機需要2000個小時的壽命,那麼渦輪葉片至少要能撐上6000個小時。
那麼零部件的壽命是怎麼確定的呢?這個時候問題就來了,零部件的壽命怎麼確定的呢?我在零部件定壽的時候要求某個零件要達到2000個小時的壽命,最後我怎麼確定這個零件達到了要求呢?
其實這個事情說起來也簡單——因為這畢竟只是一個零件,所以測試起來肯定就比整臺發動機都測試要容易很多很多。而測試零部件的壽命只有一個辦法:試驗。而試驗的要求就是儘可能模擬真實情況下這些零部件的工作情況。
比如說,下面這個圖就是航空發動機零部件設計裡面一個很重要的東西:載荷譜。簡單來說,就是我要告訴零部件設計的科研人員,你這個零部件是處在什麼環境下的,然後你根據這個東西來設計零部件、最後也是用這個東西來考核零部件的壽命。
最後,當然就是進行零部件考核的試驗了。有些時候,為了使考核結果更加可信,還要加嚴考核,意思就是原來這個零部件實際工作要承受100N的力,現在我讓他承受120N,然後到了固定的時間之後還沒有壞,那麼實際工作的時候肯定就更加不會壞了。【下面這張圖就是正在進行壽命試驗的渦輪葉片】
總之,有各種各樣的統計學方法、實驗方法都可以應用到零部件定壽,最後透過測試的結果來表明零部件的壽命是多少、是否滿足要求。
發動機整機也會進行壽命試驗,實際使用過程中也會實時觀察發動機壽命和維修情況,對零部件定壽做修改。最後發動機肯定也是要進行整機的試驗的,不管是在試車臺上【如下圖所示】,還是裝在飛機上,總之就是要進行很多的試驗,來確定這臺發動機是否滿足壽命要求。但是如果之前的零部件壽命分配、設計、測試都比較成熟、可信,所以基本上最後的結果八九不離十,如果有問題,發動機拆解之後尋找問題、解決問題,也可以很快把壽命提高到設計要求水平。
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3 # 新型多向進氣風扇
中國航空發動機一直落後於美歐俄等國,中國的航空發動機要想彎道超車,走在世界前列,必須要有技術創新。航空發動機的四大部分,進氣風扇,渦輪增壓器,核心機,尾噴管,在這些領域都要有所突破,在這四大部分中,進氣風扇是相對比較簡單的,受關注較少的部分,但也是更容易突破,出成績的部分。多向異面進氣風扇,進氣量相比目前所用進氣風扇有顯著增加,而作為以空氣為工作介質的機器,進氣量增加也能增加航發的推力和推重比,新概念風扇將是中國航空發動機取得突破的可能方向之一。
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還真是試出來的。
一臺全新的航空發動機被設計製造出來以後,沒人知道它能用多長時間。雖然在設計時會有一個預期的指標,以往的經驗和資料也會提供一些參考。但這些都是理論上的,並沒有經過實際檢驗,要想拿到一個準確的資料,最簡單、最科學也是最笨的方法就是試車。
航空發動機,作為世界上最精密的機器,實在是太複雜了,成千上萬個零件湊在一起,要想完美的工作,不是一件容易做到的事。雖然每一個零件,每一種材料用的都是最好的,結局往往沒有設想的那麼完美。
比如俄羅斯Al-31發動機,剛研製成功時,壽命僅僅50小時,低的可憐。美國F100-PW發動機,剛裝機使用時,故障率高得驚人,曾導致F15大面積停飛趴窩,部分零件只用了幾十個小時就必須更換。美國空軍怨聲載道,普惠公司卻振振有詞的指責是美國空軍野蠻的使用方法導致了高故障率和如此低的壽命。
由此可見,即使是在試車臺上試出來的壽命也不能作為裝機使用的實際壽命,必須要在實際使用環境下,才能給出可靠的壽命。
發動機設計定型最後一關是長久初始壽命試車,模擬發動機的工作環境,進行長期試車,看看發動機到底能不能在預計的壽命期內安全可靠的工作。只有通過了長久初始壽命試車考驗,發動機才能設計定型。試車完成後要將發動機完全分解檢查,評定部件的工作狀況是否良好,如果沒問題,OK,那麼定型給出初始壽命,比如初始壽命給壽500小時。
發動機的改進是一個不斷的過程,如果貫徹了發動機的技術改進措施,比如採用了新材料,新的加工技術是使發動機的可靠性得到了大幅度的提升。那就重新進行發動機壽命評定,在初始壽命的基礎上再加幾百小時。比如中國的渦扇10發動機,透過改進,初始壽命就從300小時增加到500小時。
美國發動機技術最強,發動機壽命可達3000小時以上,俄羅斯技術次之,大概在2000小時左右,我們的發動機1000出點頭。
這種方法也是工程常用的,比如汽車發動機就要進行12萬公里長程試驗,電氣裝置的MIBT平均無故障時間,也都是試出來的,實踐是檢驗理論最好的方法。