通过机载传感器和油门杆历程,在合理的置信度下逼近得到部件的使用寿命消耗和剩余寿命。在机载状态下实现发动机日历寿命累计,统计发动机一类、二类循环,生成寿命统计报告;飞行结束后将其传输给地面,在地面健康管理系统中根据航空发动机限寿部件清单,采用雨流计数法或低循环疲劳寿命消耗模型等算法,对航空发动机限寿部件剩余寿命进行计算,生成寿命消耗报告;根据寿命消耗速率,预计维护时间,为发动机维护提供支持。航空发动机寿命指发动机主要结构件失效之前,整机能够安全可靠运转的持续时间。
航空发动机寿命管理依赖于航空电子测控技术的发展和对寿命消耗监视技术认识的水平,也与发动机控制系统的发展密切相关。20世纪40年代至60年代,飞行员通过手动记录发动机转速连续变化的峰谷值,返回地面后根据转速峰谷值计算此次飞行关键件的使用寿命消耗。70年代到80年代,维修理念开始从定时维修向视情维修发展过渡,显著提高对寿命监视的要求,开始采用发动机历程记录仪记录飞行中发动机基本参数,并将这些记录下载到地面站用于分析消耗的低循环疲劳数。英国国防部将开发的发动机涡轮叶片寿命监测器应用于“鹞式”战斗机,而美国联合技术公司等机构将使用寿命消耗监视作为航空发动机寿命管理概念形成的里程碑。
此后,随着发动机状态监控技术的迫切需求以及电子科技的发展,发动机历程记录仪也由最初的监视低循环疲劳寿命单一功能逐步向多功能的状态监控发展,如F100发动机历程记录仪可以同时监控超温、超转、低压涡轮进口温度传感器失效等。进入21世纪以来,基于机载历程记录仪理念和技术手段,发展出了发动机预测与健康管理系统,其寿命监视部分与发动机状态监控系统高度融合。如F119发动机可以在线计算关键部件的使用寿命消耗情况,包括热端部件的持久/蠕变寿命、低循环疲劳寿命、起动次数、加力点火次数、发动机工作时间和飞行时间等使用参数;F135发动机分层区域预测与健康管理系统可以在线计算和跟踪关键部件的使用寿命消耗情况,并能够根据任务剖面实时计算关键系统和零部件的剩余寿命情况,从而实时评估发动机遂行预订任务的能力。
航空发动机寿命管理目标是通过监视发动机中有寿命限制的零部件,如压气机轮盘、涡轮盘、叶片和主轴等的寿命消耗,保证发动机和飞机的飞行安全和适航性要求,尽可能多地利用其使用寿命,降低经济成本。同时,跟踪所有串换限寿部件的寿命使用情况,以便于安排航空发动机寿命期计划内和非计划内的修理或大修。
航空发动机寿命使用监视是寿命管理技术的核心,包括寿命消耗评估和剩余寿命预测。寿命使用监视利用发动机监测参数和飞行参数,通过热状态与应力应变状态监视及分析,获得损伤累计推算出寿命消耗,结合飞行任务载荷历程,进一步推算剩余寿命,基本原理如图所示。
航空发动机寿命管理技术一般通过机载和地面健康管理系统共同实现,机载部分主要负责在线跟踪记录零部件的使用和寿命消耗情况,测量的参数主要有高压转速、低压转速、排气温度、扭矩、气动压力、工作时间、空速等;地面部分根据记录的航空发动机载荷历程,预测零部件的剩余寿命和技术状态,并对后续修理保障和使用做出管理决策。
航空发动机寿命管理技术逐步由常规部件简单使用循环统计向精确的部件寿命使用跟踪发展,寿命使用评估算法能够精确跟踪限寿部件的使用寿命以保障其接近到寿前始终保持在翼状态。常规部件简单使用循环统计一般通过记录发动机的工作时间或总循环数,将其关联到限寿部件低周疲劳寿命实现累积寿命消耗分析,并依据保守的发动机安全寿命假设规划维修操作。精准的部件寿命使用跟踪模型一般通过跟踪时变的压力、温度和转子转速变化,以累积使用寿命并驱动部件的物理失效实时模型,实现使用寿命的跟踪和剩余寿命的准确估计。
航空发动机寿命管理技术的应用与发展,对于航空发动机维修保障产生积极影响。发动机寿命使用监视和部件管理可显著减少发动机寿命周期内费用,增强发动机的后勤管理规划能力,改善发动机的使用安全性;通过对未来任务的准确评估和对先前任务寿命消耗的掌握,可为未来备件需求做出准确预测,对备件库存进行优化;由于掌握了发动机和部件的剩余寿命信息,可通过机会维修分摊系统拆装、调试等固定维修费用;根据发动机部件寿命评估情况为指挥机构提供决策依据,确保飞机的高出动率和完好率;可自动完成分析工作,向维修设施提供准确、及时的数据,大大降低维修人员工作强度,提高工作效率。