一种航空发动机提前换发率的预计方法与流程

1.本发明涉及一种航空发动机提前换发率的预计方法，属于航空发动机技术领域。


背景技术：

2.航空发动机提前换发率(uerr)作为衡量航空发动机可靠性的一种参数，其度量方法为：在发动机每一千飞行小时中，由于发动机故障造成提前更换发动机的次数。发动机提前换发率长期通过外场使用数据统计评估进行验证，缺少一种可以支撑论证阶段、方案阶段和工程研制阶段进行指标早期预计的方法，无法通过设计手段保证提前换发率的指标来满足需求。
3.航空发动机提前换发率是影响飞机战备完好性的重要指标之一。提前换发率不达标，必然导致用户备份发动机实际部署数量无法满足发动机基层级的修复需求，出现因可用发动机不足导致飞机战备完好性不足的情况。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种航空发动机提前换发率的预计方法。
5.本发明通过以下技术方案得以实现。
6.本发明提供的一种航空发动机提前换发率的预计方法，包括依次进行的步骤如下：
7.步骤一，确定航空发动机整机寿命期间的故障率；
8.步骤二，确定航空发动机整机基层级条件下可修复故障概率；
9.步骤三，确定不考虑换发维修策略时的航空发动机提前换发率；
10.步骤四，确定考虑换发维修决策时的航空发动机提前换发率。
11.在所述确定航空发动机整机寿命期间的故障率步骤中，计算航空发动机整机寿命期间的故障率λ为：
[0012][0013]
式中：
[0014]
t
bf
—航空发动机整机平均故障间隔时间。
[0015]
在所述确定航空发动机整机基层级条件下可修复故障概率步骤中，主要分为如下步骤：
[0016]
g)通过发动机修复性维修任务分析，确定基层级修复性维修项目及维修单元；
[0017]
h)通过可靠性分配及预计，确定第i项维修单元的故障率λi；
[0018]
i)通过维修单元的故障模式影响及危害性分析(fmeca)，确定第i项维修单元故障模式及故障模式频数比；
[0019]
j)通过维修单元的基层级维修方法，确定第i项维修单元可修复的故障模式及相应的故障模式频数比α
rij
；
[0020]
k)基于第i项维修单元可修复的故障模式及相应的故障模式频数比，计算第i项维修单元的可修复故障概率λ
ri
；
[0021]
l)计算航空发动机整机可修复故障概率λr。
[0022]
所述可修复故障概率λ
ri
计算式如下：
[0023][0024]
式中：
[0025]
λi—航空发动机第i项维修单元的故障率，i＝1、2、3、
…
、n，n为维修单元项目数；
[0026]
α
rij
—航空发动机第i项维修单元、第j项可修复故障模式的故障模式频数比，j＝1、2、3、
…
、m，m为维修单元可修复故障模式的项目数。
[0027]
所述计算航空发动机整机可修复故障概率λr计算式如下：
[0028][0029]
式中：
[0030]
λ
ri
—航空发动机第i项维修单元的可修复故障率，i＝1、2、3、
…
、n，n为维修单元目数。
[0031]
所述确定不考虑换发维修策略时的航空发动机提前换发率步骤为：当不考虑航空发动机换发维修策略，仅考虑因航空发动机在基层级出现不可修复的故障需要提前更换发动机的情况，计算航空发动机提前换发率uerr'：
[0032]
uerr
′
＝1000s(λ-λr)
[0033]
式中：
[0034]
s—航空发动机工作时间与飞行时间的换算系数；
[0035]
λ—航空发动机整机寿命期间的故障率；
[0036]
λr—航空发动机整机可修复故障概率。
[0037]
对所述航空发动机工作时间与飞行时间的换算系数的确定，为：对于单次任务时间较短(1至2小时)、出动率较高的飞机而言，换算系数取值范围为1.1＜s≤1.2；对于单次任务时间较长(2小时以上)、出动率较低的飞机而言，换算系数取值范围为1＜s≤1.1。
[0038]
所述确定考虑换发维修决策时的航空发动机提前换发率步骤，以下步骤确定：
[0039]
a)采用基于功能复杂度的平均修复时间分配方法、确定维修单元的修复时间m
cti
；
[0040]
b)根据飞机对航空发动机的安装拆卸要求确定发动机更换时间t
da
；
[0041]
c)计算采用换发维修决策时的换发维修概率pda：
[0042]
当：m
cti
＞t
da
，λ
rk
＝λ
ri
[0043][0044]
式中：
[0045]
λ
rk
—修复时间大于发动机更换时间的维修单元的可修复故障率，k＝1、2、3、
…
、p，
p为修复时间大于发动机更换时间的维修单元项目数；
[0046]
λ
ri
—航空发动机第i项维修单元的可修复故障率，i＝1、2、3、
…
、n，n为维修单元项目数。
[0047]
λr—航空发动机整机可修复故障概率。
[0048]
d)根据飞机典型任务出动架次剖面，确定规定时间内高强度任务的飞行时间占总飞行时间的占比p
hs
；
[0049]
e)计算考虑换发维修决策时的航空发动机提前换发率uerr：
[0050]
uerr＝1000s[λ-(1-p
da
p
hs
)λr]
[0051]
式中：
[0052]
s—航空发动机工作时间与飞行时间的换算系数；
[0053]
λ—航空发动机整机寿命期间的故障率；
[0054]
λr—航空发动机整机可修复故障概率；
[0055]
p
da
—采用换发维修决策时的换发维修概率；
[0056]
p
hs
—高强度任务的飞行时间占比。
[0057]
所述基于功能复杂度的平均修复时间分配方法的选用，包括以下三类：基于故障率的分配方法、基于相似产品的等比例分配法、基于功能复杂度的分配方法。
[0058]
本发明的有益效果在于：本发明在航空发动机论证阶段、方案阶段、工程研制阶段早期支撑提前换发率指标的预计工作，评估航空发动机可靠性、保障性设计实现的可行性与协调性，为可靠性、保障性指标论证、方案设计与工程设计提供依据，实现了一种可以支撑论证阶段、方案阶段和工程研制阶段进行指标早期预计的方法，通过设计手段保证提前换发率的指标来满足需求，避免出现换发率不达标而出现用户备份发动机实际部署数量无法满足发动机基层级的修复需求的情况，及出现因可用发动机不足导致飞机战备完好性不足的情况。
附图说明
[0059]
图1是本发明的方法步骤流程图。
具体实施方式
[0060]
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
[0061]
参考图1。
[0062]
本技术提供的一种航空发动机提前换发率的预计方法，包括步骤如下：
[0063]
1.确定航空发动机整机寿命期间的故障率
[0064]
根据用户需求确定航空发动机整机的平均故障间隔时间指标，确定航空发动机寿命期间的故障率。
[0065]
由于航空发动机属于复杂的机电产品，通过周期性或视情预防性维修工作将发动机可靠性维持在一定水平，可以将航空发动机在寿命期间的故障分布近似为指数分布。因此按照式(1)计算航空发动机整机寿命期间的故障率λ：
[0066]
[0067]
式中：
[0068]
t
bf
—航空发动机整机平均故障间隔时间。
[0069]
2.确定航空发动机整机基层级条件下可修复故障概率
[0070]
主要步骤如下：
[0071]
a)通过发动机修复性维修任务分析，确定基层级修复性维修项目及维修单元；
[0072]
b)通过可靠性分配及预计，确定第i项维修单元的故障率λi；
[0073]
c)通过维修单元的故障模式影响及危害性分析(fmeca)，确定第i项维修单元故障模式及故障模式频数比；
[0074]
d)通过维修单元的基层级维修方法，确定第i项维修单元可修复的故障模式及相应的故障模式频数比α
rij
；
[0075]
e)基于第i项维修单元可修复的故障模式及相应的故障模式频数比，按照式(2)计算第i项维修单元的可修复故障概率λri；
[0076][0077]
式中：
[0078]
λi—航空发动机第i项维修单元的故障率，i＝1、2、3、
…
、n，n为维修单元项目数；
[0079]
α
rij
—航空发动机第i项维修单元、第j项可修复故障模式的故障模式频数比，j＝1、2、3、
…
、m，m为维修单元可修复故障模式的项目数；
[0080]
f)按照式(3)计算航空发动机整机可修复故障概率λr。
[0081][0082]
式中：
[0083]
λ
ri
—航空发动机第i项维修单元的可修复故障率，i＝1、2、3、
…
、n，n为维修单元目数。
[0084]
所述航空发动机基层级维修单元、维修方法及可修复故障模式
[0085]
为确保发动机提前换发率满足需求，必须提升航空发动机在基层级的可修复能力，因此需要进行维修单元、故障模式及维修方法的分析，确定需要在基层级修复的维修单元及其故障模式。根据涡喷、涡扇、涡桨、涡桨等航空发动机的结构特点，其基层级可维修单元及故障模式确定如下：
[0086]
a)lru/lrm
[0087]
主要以外场可更换单元(lru)、外场可更换模块(lrm)为维修对象。维修方法以lru/lrm的更换为主。当基层级条件下可通过更换方式完成lru/lrm的维修时，lru/lrm的可修复故障模式涵盖lru/lrm的所有故障模式，可修复故障模式频数比为lru/lrm所有故障模式频数比之和，即等于1。
[0088]
b)外部结构件
[0089]
主要以独立的外部管路、支架、管接头、密封圈、紧固件、卡箍等零组件为维修单元。维修方法以更换为主，变形、划伤、压痕、漆层脱落等故障模式可通过校正、打磨、喷涂等简单的结构修理进行修复。当基层级条件下可通过更换完成外部结构件的维修时，外部结构件的可修复故障模式涵盖外部结构件的所有故障模式。当基层级条件仅允许通过简单的结构修理进行外部结构件维修时，可修复故障模仅包含变形、划伤、压痕、漆层脱落等。
[0090]
c)维修单元体/流道结构件
[0091]
采用维修单元体设计的发动机，按照维修单元体划分，以带加力的涡轮风扇发动机为例，一般包括：风扇、核心机、低压涡轮、加力燃烧室和可调喷管等。维修单元体的维修方法以更换为主，划伤、压痕、漆层脱落故障模式可通过打磨、喷涂等简单的结构修理进行修复；未采用维修单元体设计的发动机，一般仅进行风扇进气整流机匣、风扇一级转子叶片、加力扩散器及可调尾喷管的维修，维修方法以更换为主，部分故障模式可通过校正、打磨、喷涂等简单的结构修理进行修复。当基层级条件下可通过发动机维修单元体、流道零组件的更换完成维修时，维修单元体/流道结构件的可修复故障模式涵盖维修单元体/流道结构件所有故障模式。当基层级条件下仅允许通过简单的结构修理进行维修单元体/流道结构件的维修时，可修复故障模仅包含划伤、压痕、漆层脱落等。
[0092]
3.确定不考虑换发维修策略时的航空发动机提前换发率
[0093]
当不考虑航空发动机换发维修策略，仅考虑因航空发动机在基层级出现不可修复的故障需要提前更换发动机的情况，按照式(4)计算航空发动机提前换发率uerr'：
[0094]
uerr
′
＝1000s(λ-λr)
……………………
(4)
[0095]
式中：
[0096]
s—航空发动机工作时间与飞行时间的换算系数；
[0097]
λ—航空发动机整机寿命期间的故障率；
[0098]
λr—航空发动机整机可修复故障概率。
[0099]
所述航空发动机基层级换发维修决策
[0100]
航空发动机基层级换发维修决策需要根据飞行任务对飞机出动率的需求确定。当飞行任务繁重，对飞机出动率需求较高时，如果出现需要维修的故障，可能需要进行换发维修决策。当换发维修时间小于修复性维修项目的维修时间时，可以启用备份发动机提前更换故障发动机。将换下的故障发动机在维修车间或者返回修理厂进行修复后，重新作为备份发动机进行部署。
[0101]
所述航空发动机工作时间与飞行时间的换算系数的确定
[0102]
航空发动机由于地面滑行、使用保障和维修保障的原因，其实际工作时间一般都高于飞行时间，其换算系数主要受到以下因素的影响：
[0103]
a)飞机单次任务平均飞行时间。单次任务平均飞行时间越短，则因地面滑行、使用保障和维修保障所需的发动机地面工作时间占比越大，换算系数越大，反之换算系数越小；
[0104]
b)发动机预防性维修频次。发动机预防性维修频次越大，则寿命期限内的发动机预防性维修次数越多，因维修运转所需的发动机地面工作时间占比越大，换算系数越大，反之换算系数越小；
[0105]
c)发动机平均故障间隔时间。发动机平均故障间隔时间越短，则寿命期限内的发动机修复性维修次数越多，因维修运转所需的发动机地面工作时间占比越大，换算系数越大，反之换算系数越小。
[0106]
换算系数可根据寿命时间内发动机地面使用耗用的工作时间与飞行时间计算确定。根据统计数据显示，对于单次任务时间较短(1至2小时)、出动率较高的飞机而言，换算系数取值范围为1.1＜s≤1.2；对于单次任务时间较长(2小时以上)、出动率较低的飞机而言，换算系数取值范围为1＜s≤1.1。
[0107]
4.确定考虑换发维修决策时的航空发动机提前换发率
[0108]
在航空发动机外场实际使用过程中出现需要维修的故障时，会出现因飞行任务紧张，采用换发维修决策通过直接更换发动机修复故障的情况，此时需要考虑规定时间内飞机高强度出动任务的时间占总飞行时间的占比，以及判断换发维修时间小于修复性维修项目的修复时间采用换发维修的概率。考虑换发维修决策时的航空发动机提前换发率按照以下步骤确定：
[0109]
a)采用基于功能复杂度的平均修复时间分配方法、确定维修单元的修复时间m
cti
；
[0110]
b)根据飞机对航空发动机的安装拆卸要求确定发动机更换时间t
da
；
[0111]
c)按照式(5)计算采用换发维修决策时的换发维修概率pda：当：m
cti
＞t
da
，λ
rk
＝λ
ri
[0112][0113]
式中：
[0114]
λ
rk
—修复时间大于发动机更换时间的维修单元的可修复故障率，k＝1、2、3、
…
、p，p为修复时间大于发动机更换时间的维修单元项目数；
[0115]
λ
ri
—航空发动机第i项维修单元的可修复故障率，i＝1、2、3、
…
、n，n为维修单元项目数。
[0116]
λr—航空发动机整机可修复故障概率。
[0117]
d)根据飞机典型任务出动架次剖面，确定规定时间内高强度任务的飞行时间占总飞行时间的占比p
hs
；
[0118]
e)按照式(6)计算考虑换发维修决策时的航空发动机提前换发率uerr：
[0119]
uerr＝1000s[λ-(1-p
da
p
hs
)λr]
………………
(6)
[0120]
式中：
[0121]
s—航空发动机工作时间与飞行时间的换算系数；
[0122]
λ—航空发动机整机寿命期间的故障率；
[0123]
λr—航空发动机整机可修复故障概率；
[0124]
p
da
—采用换发维修决策时的换发维修概率；
[0125]
p
hs
—高强度任务的飞行时间占比。
[0126]
所述基于功能复杂度的平均修复时间分配方法的选用
[0127]
平均修复时间的分配主要包括以下三类：
[0128]
a)基于故障率的分配方法，即故障率越高的维修单元分配的修复时间越少，故障率越低的维修单元分配的修复时间越多。
[0129]
b)基于相似产品的等比例分配法，即基于相似产品维修单元的修复时间比例关系，采用类比法进行平均修复时间的分配。
[0130]
c)基于功能复杂度的分配方法，即考虑维修单元功能与维修接口、故障检测隔离、检验调试的关系，功能越复杂，维修接口越多，故障检测隔离、检验调试越复杂，分配的修复时间越多，反之，分配修复时间越少。
[0131]
以故障率为主要因素进行指标分配的方法，由于忽略了工作单元因功能复杂性及功能实现途径所决定的维修接口类型及数量等因素，即维修接口越多，其维修性定量指标应越高。又由于功能复杂性越高的工作单元往往其故障率越高，分配的维修性指标越低，这
导致以故障率为主要因素的维修性指标的分配结果与工程实际数据严重背离。特别是在工作单元故障率呈现数量级差距时，该情况尤其严重。这使得传统的以故障率为主要因素的平均修复时间定量指标分配方法无法用于工程实践。对于正向研制的新研产品，由于缺少相似产品数据支撑，难以采用基于相似产品的等比例分配法。因此本方法推荐采用基于功能复杂度的平均修复时间分配方法，通过维修单元分配的功能项目及功能类别，确定维修复杂度，再基于维修复杂度因子进行修复时间的分配，可以较为准确的确定维修单元的修复时间。
[0132]
例如，某型航空发动机配装某战斗机的具体指标参数如下：发动机整机平均修复时间mttr为180min，发动机整机平均故障间隔时间mtbf为210h，发动机拆卸及安装时间t
da
为240min。
[0133]
1.确定航空发动机整机寿命期间的故障率
[0134]
按照式(1)计算航空发动机整机寿命期间的故障率λ＝0.0047619。
[0135]
2.确定航空发动机整机基层级条件下可修复故障概率
[0136]
通过修复性维修任务分析，确定基层级修复性维修项目及维修单元；根据可靠性分配及预计报告，确定维修单元的故障率λi；通过维修单元的故障模式影响及危害性分析(fmeca)，确定维修单元故障模式及故障模式频数比；根据维修单元的基层级维修方法，确定维修单元可修复的故障模式及相应的故障模式频数比α
rij
；基于维修单元可修复的故障模式及相应的故障模式频数比，按照式(2)计算维修单元的可修复故障概率λ
ri
；
[0137]
各基层级维修单元的名称、故障率、可修复故障模式频数比、可修复故障概率及平均修复时间的数据见下表1。
[0138]
表1基层级维修单元可修复故障数据计算表
[0139][0140]
按照式(3)计算航空发动机整机可修复故障概率λr为0.0042724。
[0141]
3.确定不考虑换发维修策略时的航空发动机提前换发率
[0142]
当不考虑航空发动机换发维修策略，仅考虑因航空发动机在基层级出现不可修复的故障需要提前更换发动机的情况，同时考虑本型发动机配装的飞机单次任务时间较短、出动率较高的飞机，通过对寿命期间发动机地面工作时间、发动机飞行时间的预计，计算确定发动机工作时间与飞行时间的换算系数s为1.12，按照式(4)计算航空发动机提前换发率uerr'：
[0143]
uerr'＝1000
×
1.12
×
(0.0047619-0.0042724)＝0.55次/1000飞行小时
[0144]
4.确定考虑换发维修决策时的航空发动机提前换发率
[0145]
采用基于功能复杂度的平均修复时间分配方法，将发动机整机平均修复时间(mttr＝180min)作为输入来确定各维修单元的平均修复时间m
cti
；根据飞机对航空发动机的安装拆卸要求确定发动机更换时间t
da
为240min。
[0146]
确定维修时间大于发动机更换时间的维修单元的可修复故障率λ
rk
，具体每个维修单元的λ
rk
见表2，再按照式(5)计算得到采用换发维修决策时的换发维修概率p
da
为0.5838。
[0147]
表2提前换发率计算表
[0148][0149]
根据配装飞机的典型任务出动架次剖面，确定高强度任务的飞行时间占比p
hs
为0.2418。
[0150]
按照式(6)计算考虑换发维修决策时的航空发动机提前换发率uerr为
[0151]
uerr＝1000
×
1.12
×
[0.0047619-(1-0.5838
×
0.2418)
×
0.0042724]＝1.22次/1000飞行小时