陈光/文
近30年来,发动机厂家在提高发动机可靠性上做了大量工作,使民用客机发动机的固有可靠性得到极大提高,为双发客机获得120min或180min的延程飞行(ETOPS)的批准奠定了基础。
例如,1972年4月投入营运的 RB211-22B发动机,在使用1年后基本空中停车率为0.68次/1000h,而1989年投入营运的 RB211-524G/H,在使用1年后,空中停车率仅为0.04次/1000h,在使用2年后,达到低于0.01 次/1000h的水平,如图1 所示,即平均两次停车间的间隔时间由1470h增大至100000h,增大了68倍。
为波音777研制的发动机的可靠性要求更高,三家公司均以空中停车率基本为零为研制目标之一,这是因为波音777要求在飞机投入营运之初即获得180minETOPS的批准(参见“波音777及其所用发动机的一些设计特点”)。三大发动机公司(罗·罗、普惠与GE)在研制波音777用发动机时,为提高可靠性,主要采取了改进研制方法,设计中采用先进技术并吸取以往经验教训等措施。
图1 、RB211系列发动机空中停车率随时间的变化
在研制波音777的发动机时,三家公司均采用了20世纪80年代后期发展起来的,并在20世纪90年代中逐渐完善的新研制方法,即 GE 公司的并行工程,罗.罗公司的同期工程,与普惠公司的一体化生产与发展计划。
一、普惠公司
普惠公司由于 F100-PW-100性能虽然很先进,但可靠性不高,因而对 100型进行改进,用加强零组件即提高发动机重量的办法来提高可靠性,发展了可靠性提高的220型发动机(参见“F100-PW-220—F100-PW-100的提高可靠性改型”)。
但是,由于在 220型中采用了一些先进技术,在试制中小量生产时还能应付,但在正式转产时却遇到麻烦,即在投产的第1年(1986年)中,在组织生产中出现了一些重大难题。结果,花了很大力气去克服才使生产工作进行下去,不仅延误了投入使用的时间,而且也增加了额外费用。这是普惠公司在发展F100-PW-220型发动机时吸取的一个重要教训,即仅由设计人员参与一种新型发动机,特别是在采用许多先进技术时是不够的。
根据研制F100-PW-220型发动机的经验教训,引发了普惠公司在1987年对发动机研制观点做了一个重大转变,建立了称之为“设计到加工”多功能小组的概念,使得在发动机设计过程中,就吸收制造、材料、供应与质量等方面的工程人员参与,即在发动机设计之初,就全盘考虑各方面的问题,使得在此基础上通过验证的先进发动机,能很快转入批生产,投入使用中去。
美国空军在普惠公司这一新思想的基础上,于1990年采用了更为广泛的多功能小组概念,它包括了整个发动机的寿命循环中从方案论证到外场支援的各个阶段参与工作的各种人员。这种由几十个到一百多个的多功能小组参与发动机发展全过程的系统工程称为“一体化制造与发展”IPD工程,其最终目的是让用户能得到一种各方面得到平衡的产品。普惠公司不仅在PW4084中,也在最先进的军用发动机F119中采用了IPD工程。
二、 罗·罗公司
与此同时,罗·罗公司也做了类似的研制方法的转变,采用了类似于普惠的IPD的系统工程方法,只是名称取得不同而已,称为同期工程(SE)。
三、 GE公司
GE 公司采用并行工程(CE)。并行工程是由美国国防部先进研究计划管理局(DARPA)主持,GE公司航空发动机部研究发展中心(GEAE CRD)进行研究的。他们认为并行工程是一种革命性的工程发展方法,它同时考虑研究、发展、设计和制造与使用的问题,以期在相对较短的时间内,了解在采用高新技术、先进材料与工艺时,对部件与组件最终结果的影响,以便快速的获得最优设计,使从方案设计到形成可供使用的产品的周期缩短1/3~1/2,并相应减少研制费用与风险。传统的航空发动机研制方法是采用所谓的序列发展法,如图2所示。
新的技术如新材料与新工艺需经过预先研究才能掌握,并应经过试验验证方能应用于发动机设计中。采用序列发展法研制发动机时,一项新技术往往需要经过长达17~20年的周期才能投入实际应用。此外,在材料与工艺等方面有些问题有时在发动机投产后,甚至在交付使用后才暴露。一旦发生这些问题势必会造成大返工,大幅度增加额外费用的支出,更重要的是影响发动机的可靠性,影响飞机的正常出勤。
图3、采用并行工程时设计与制造的关系
并行工程、同期工程或一体化生产与发展等方法则是将设计与制造甚至使用、维修、后勤供应与成本等作为一个整体来考虑,尽可能地平行考虑设计与制造及使用中的问题。设计与制造阶段的安排如图3所示。设计阶段划分为相互交叉的总体设计、单元体设计与部件设计阶段,在每个阶段都要考虑相应的制造方法、材料确定与工夹具以及零组件制造。
这样,在发动机方案设计阶段就能充分考虑后续的技术要求与约束条件,可以进行多方案选择并快速获得最优化设计。此外,在设计—制造过程中,根据某个因素的变化可以考虑到全部技术要求与约束条件的变化,不致形成顾此失彼,互不协调以致返工的局面。
为贯彻并行工程,GE公司按设计任务例如复合材料风扇叶片、空心风扇叶片与低污染燃烧室等建立起类似普惠公司的多功能小组的“多学科研究发展小组”,每个小组中除有关设计、制造与材料的人员外,还有后勤供应、维修与成本核算等诸方面人员参加。
计算机在并行工程中的应用
计算机技术是并行工程的技术基础与主要的工具。企业中的计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM与计算机辅助工程CAE的应用,有可能建立一个统一的信息系统来考虑生产(包括设计、成形和制造等)、过程控制与组织管理,建立一个生产—过程控制—组织管理(PPO)的数据模型。理想的PPO 模型用规范的与统一的表达方式储存在公共数据库内。有了这样一个数据模型,利用现有的计算机硬软件就可以比较容易地建立一个并行工程系统。
PPO 数据模型的核心部分可以取代制造中所使用的蓝图。此外,PPO 中的许多辅助部分可将设计意图传递给制造与后勤维修,并将制造与后勤维修中的约束条件要求反馈给设计。当设计、制造与后勤维修各部分有变化时,进行通讯联系以协调各个部分之间的响应。
除计算机之外,并行工程的一个重要方面是用各种材料与工艺试验及早验证设计方案的可行性。例如 GE公司已在较早的时间内完成了 GE90用的复合材料风扇叶片优化设计、涡轮盘等离子喷镀等项验证工作。
在采用并行工程或同期工程或IPD后,由于生产人员、材料供应人员等等从设计的第一天起,就参与了发动机的设计工作,考虑了研究发展中的发动机,能在定型后立即投入批生产。因此,为新发动机发展的加工方法不仅适用于研制用的发动机中,而且也能用于日后批生产时的发动机中。
这样,研制中发动机所获得成果(可靠性、耐久性与性能等),就能在批量生产的发动机中反映出来,也即研制中的发动机基本能代表批生产的水平。在以往发动机研制中,经常出现对研制用的发动机,采取精工细凿,利用试验车间的条件,加工出来了,但在投入批量生产时,却达不到设计要求,F100-PW-220转产时就遇到这个问题。采用并行工程等方法后,可以避免这个问题。
例如,PW4084供研究与发展用的发动机中,80%的零件是用今后批生产时的工艺、工装加工出来的,供飞机试飞用的14台发动机也是用同样的工艺与工装加工出来的。因此,采用并行工程发展新型发动机,不仅可以缩短研制周期、节约费用与减少风险,更重要的是它能使研制的发动机是一种兼顾性能与可靠性的“平衡设计的发动机”。
波音公司研制波音777时,也采用了并行工程的系统工程方法。以往的经验是,一种发动机装到一架新飞机上时,通常需要两年甚至更多的时间来研究发动机与飞机短舱的协调配合问题。在波音777研制中,由波音公司、发动机公司及使用波音777的航空公司等的高级技术人员组成“共同工作小组”来协调发动机与飞机的配合工作,包括维修工作。
例如,有 GE公司和英国航空公司(它是装 GE90的波音777的第一家用户)参加的、为解决GE90发动机与飞机短舱协调配合的共同工作小组,于 1989年就将飞机公司与发动机公司各自提供的以CATIA(ComputerAidThree—
dimensionalInteractiveApplication)通用计算机程序包编制的程序,协作建立了一个一体化的推进系统模型。
由于有了这个模型,飞机公司与发动机公司可以同时以相同的载荷、应力与变形来进行分析计算,以优化发动机的总体布局与安装系统。同时利用这个模型,安排发动机维修用的窗口,并验证其合理性。