陳光/文
近30年來,發動機廠家在提高發動機可靠性上做了大量工作,使民用客機發動機的固有可靠性得到極大提高,為雙發客機獲得120min或180min的延程飛行(ETOPS)的批准奠定了基礎。
例如,1972年4月投入營運的 RB211-22B發動機,在使用1年後基本空中停車率為0.68次/1000h,而1989年投入營運的 RB211-524G/H,在使用1年後,空中停車率僅為0.04次/1000h,在使用2年後,達到低於0.01 次/1000h的水平,如圖1 所示,即平均兩次停車間的間隔時間由1470h增大至100000h,增大了68倍。
為波音777研製的發動機的可靠性要求更高,三家公司均以空中停車率基本為零為研製目標之一,這是因為波音777要求在飛機投入營運之初即獲得180minETOPS的批准(參見“波音777及其所用發動機的一些設計特點”)。三大發動機公司(羅·羅、普惠與GE)在研製波音777用發動機時,為提高可靠性,主要採取了改進研製方法,設計中採用先進技術並吸取以往經驗教訓等措施。
圖1 、RB211系列發動機空中停車率隨時間的變化
在研製波音777的發動機時,三家公司均採用了20世紀80年代後期發展起來的,並在20世紀90年代中逐漸完善的新研製方法,即 GE 公司的並行工程,羅.羅公司的同期工程,與普惠公司的一體化生產與發展計劃。
一、普惠公司
普惠公司由於 F100-PW-100性能雖然很先進,但可靠性不高,因而對 100型進行改進,用加強零組件即提高發動機重量的辦法來提高可靠性,發展了可靠性提高的220型發動機(參見“F100-PW-220—F100-PW-100的提高可靠性改型”)。
但是,由於在 220型中採用了一些先進技術,在試製中小量生產時還能應付,但在正式轉產時卻遇到麻煩,即在投產的第1年(1986年)中,在組織生產中出現了一些重大難題。結果,花了很大力氣去克服才使生產工作進行下去,不僅延誤了投入使用的時間,而且也增加了額外費用。這是普惠公司在發展F100-PW-220型發動機時吸取的一個重要教訓,即僅由設計人員參與一種新型發動機,特別是在採用許多先進技術時是不夠的。
根據研製F100-PW-220型發動機的經驗教訓,引發了普惠公司在1987年對發動機研製觀點做了一個重大轉變,建立了稱之為“設計到加工”多功能小組的概念,使得在發動機設計過程中,就吸收製造、材料、供應與質量等方面的工程人員參與,即在發動機設計之初,就全盤考慮各方面的問題,使得在此基礎上通過驗證的先進發動機,能很快轉入批生產,投入使用中去。
美國空軍在普惠公司這一新思想的基礎上,於1990年採用了更為廣泛的多功能小組概念,它包括了整個發動機的壽命循環中從方案論證到外場支援的各個階段參與工作的各種人員。這種由幾十個到一百多個的多功能小組參與發動機發展全過程的系統工程稱為“一體化製造與發展”IPD工程,其最終目的是讓用戶能得到一種各方面得到平衡的產品。普惠公司不僅在PW4084中,也在最先進的軍用發動機F119中採用了IPD工程。
二、 羅·羅公司
與此同時,羅·羅公司也做了類似的研製方法的轉變,採用了類似於普惠的IPD的系統工程方法,只是名稱取得不同而已,稱為同期工程(SE)。
三、 GE公司
GE 公司採用並行工程(CE)。並行工程是由美國國防部先進研究計劃管理局(DARPA)主持,GE公司航空發動機部研究發展中心(GEAE CRD)進行研究的。他們認為並行工程是一種革命性的工程發展方法,它同時考慮研究、發展、設計和製造與使用的問題,以期在相對較短的時間內,瞭解在採用高新技術、先進材料與工藝時,對部件與組件最終結果的影響,以便快速的獲得最優設計,使從方案設計到形成可供使用的產品的週期縮短1/3~1/2,並相應減少研製費用與風險。傳統的航空發動機研製方法是採用所謂的序列發展法,如圖2所示。
新的技術如新材料與新工藝需經過預先研究才能掌握,並應經過試驗驗證方能應用於發動機設計中。採用序列發展法研製發動機時,一項新技術往往需要經過長達17~20年的週期才能投入實際應用。此外,在材料與工藝等方面有些問題有時在發動機投產後,甚至在交付使用後才暴露。一旦發生這些問題勢必會造成大返工,大幅度增加額外費用的支出,更重要的是影響發動機的可靠性,影響飛機的正常出勤。
圖3、採用並行工程時設計與製造的關係
並行工程、同期工程或一體化生產與發展等方法則是將設計與製造甚至使用、維修、後勤供應與成本等作為一個整體來考慮,儘可能地平行考慮設計與製造及使用中的問題。設計與製造階段的安排如圖3所示。設計階段劃分為相互交叉的總體設計、單元體設計與部件設計階段,在每個階段都要考慮相應的製造方法、材料確定與工夾具以及零組件製造。
這樣,在發動機方案設計階段就能充分考慮後續的技術要求與約束條件,可以進行多方案選擇並快速獲得最優化設計。此外,在設計—製造過程中,根據某個因素的變化可以考慮到全部技術要求與約束條件的變化,不致形成顧此失彼,互不協調以致返工的局面。
為貫徹並行工程,GE公司按設計任務例如複合材料風扇葉片、空心風扇葉片與低汙染燃燒室等建立起類似普惠公司的多功能小組的“多學科研究發展小組”,每個小組中除有關設計、製造與材料的人員外,還有後勤供應、維修與成本核算等諸方面人員參加。
計算機在並行工程中的應用
計算機技術是並行工程的技術基礎與主要的工具。企業中的計算機輔助設計CAD、計算機輔助製造CAM與計算機輔助工程CAE的應用,有可能建立一個統一的信息系統來考慮生產(包括設計、成形和製造等)、過程控制與組織管理,建立一個生產—過程控制—組織管理(PPO)的數據模型。理想的PPO 模型用規範的與統一的表達方式儲存在公共數據庫內。有了這樣一個數據模型,利用現有的計算機硬軟件就可以比較容易地建立一個並行工程系統。
PPO 數據模型的核心部分可以取代製造中所使用的藍圖。此外,PPO 中的許多輔助部分可將設計意圖傳遞給製造與後勤維修,並將製造與後勤維修中的約束條件要求反饋給設計。當設計、製造與後勤維修各部分有變化時,進行通訊聯繫以協調各個部分之間的響應。
除計算機之外,並行工程的一個重要方面是用各種材料與工藝試驗及早驗證設計方案的可行性。例如 GE公司已在較早的時間內完成了 GE90用的複合材料風扇葉片優化設計、渦輪盤等離子噴鍍等項驗證工作。
在採用並行工程或同期工程或IPD後,由於生產人員、材料供應人員等等從設計的第一天起,就參與了發動機的設計工作,考慮了研究發展中的發動機,能在定型後立即投入批生產。因此,為新發動機發展的加工方法不僅適用於研製用的發動機中,而且也能用於日後批生產時的發動機中。
這樣,研製中發動機所獲得成果(可靠性、耐久性與性能等),就能在批量生產的發動機中反映出來,也即研製中的發動機基本能代表批生產的水平。在以往發動機研製中,經常出現對研製用的發動機,採取精工細鑿,利用試驗車間的條件,加工出來了,但在投入批量生產時,卻達不到設計要求,F100-PW-220轉產時就遇到這個問題。採用並行工程等方法後,可以避免這個問題。
例如,PW4084供研究與發展用的發動機中,80%的零件是用今後批生產時的工藝、工裝加工出來的,供飛機試飛用的14臺發動機也是用同樣的工藝與工裝加工出來的。因此,採用並行工程發展新型發動機,不僅可以縮短研製週期、節約費用與減少風險,更重要的是它能使研製的發動機是一種兼顧性能與可靠性的“平衡設計的發動機”。
波音公司研製波音777時,也採用了並行工程的系統工程方法。以往的經驗是,一種發動機裝到一架新飛機上時,通常需要兩年甚至更多的時間來研究發動機與飛機短艙的協調配合問題。在波音777研製中,由波音公司、發動機公司及使用波音777的航空公司等的高級技術人員組成“共同工作小組”來協調發動機與飛機的配合工作,包括維修工作。
例如,有 GE公司和英國航空公司(它是裝 GE90的波音777的第一家用戶)參加的、為解決GE90發動機與飛機短艙協調配合的共同工作小組,於 1989年就將飛機公司與發動機公司各自提供的以CATIA(ComputerAidThree—dimensionalInteractiveApplication)通用計算機程序包編制的程序,協作建立了一個一體化的推進系統模型。
由於有了這個模型,飛機公司與發動機公司可以同時以相同的載荷、應力與變形來進行分析計算,以優化發動機的總體佈局與安裝系統。同時利用這個模型,安排發動機維修用的窗口,並驗證其合理性。
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