F100-PW-100發動機在發展中,始終追求高的性能———高的推重比,相對地忽視了發動機的可靠性與維修性。因而在使用中帶來比較大的問題,即發動機工作可靠性差,大大影響了飛機的正常使用。
到1979年4月約五年時間內,外場使用的發動機已有1100餘臺,累計工作時間約為二十五萬飛行小時,卻出現了大量故障,其中:風扇失速/懸掛失速47次,故障率為2.18次/1000EFH,渦輪工作葉片、靜子葉片損壞47次,故障率為0.188次/1000EFH,主煤油泵故障60次,故障率為0.20次/1000EFH,加力燃油泵軸承故障10次,4號主軸承故障8次,以上各種故障綜合後的故障率為2.688次/1000EFH;另外,它的電調裝置可靠性也不高,平均故障間隔時間僅為150 EFH。
由於出現的故障太多,造成當年美國空軍缺少90~100臺F100發動機,補充備件需耗費約1.5億美元,使F15 戰鬥機大量「趴地」,成為當時困擾美國空軍的最棘手問題之一。美國空軍不得不讓GE公司利用用於B1轟炸機的F101發動機的核心機,發展一種用於F15、F 16與F100相競爭的發動機,即F110GE 100發動機,形成了由兩家發動機公司同時為F 15與F16提供推力相當,但型號不同的發動機的局面,一直沿用至今。
當出現兩種型號發動機為F 15與F16採用的競爭局面後,普惠公司深感F100PW 100可靠性不高帶來的後患,於是,下決心進行改進。改進的途徑是犧牲性能即降低推重比來提高可靠性。也即在保持原來發動機推力不變的前提下,將易出故障的零組件進行加強,使發動機重量略有增加來達到可靠性提高的目的,於是發展了推重比為 7.4、可靠性較高的F100 PW 220發動機,該發動機於1986年投入使用。
為考核F100 PW 220的可靠性與耐久性,在原來試驗的基礎上,補充進行了三種試驗,即:4000TAC循環的加速任務試驗(AMT),高 Ma下的耐久性試驗與高周疲勞試驗。參見「F100 PW 220———F100 PW 100的提高可靠性改型」。
F100 PW 220在通過這三種考核試驗後,表明它在可靠性與耐久性方面均較 100 型有大幅度的提高,而且在外場不需對發動機的調節系統進行調節(因為它的FADEC具有自調特性),還取消了對移動油門杆的一些限制。
F110 GE 100發動機試驗情況
F110 GE 100是GE 公司在它為B 1轟炸機研製的F101的基礎上衍生發展的,用於美國空軍F16C/D與F 15E等戰鬥機。在衍生改進中,先研製出一種稱為F101用於戰鬥機的衍生型發動機,即 F101DFE,然後再發展成 F110的。在發展中,採用了類似於F100 PW 220的試驗,即採用加速任務試驗。表2中列出F110與F101DFE 試車時數與循環數。
表2、F101DFE與F110發動機試驗情況統計由表2可見,F110加速任務循環積累的時數多於F100 PW 220的,它的11285TAC循環,按每年工作250h與每小時相當2TAC循環計,相當外場工作22年。
根據投入使用後2.5年的時間看,F110的可靠性遠比F100PW 100的好,例如,非計劃返修率,F16上用的F110發動機為2.8次/1000EFH,而F100發動機為16.9次/1000EFH;用於 F15C/D的F100發動機為6.0次/1000EFH。
F414發動機試驗情況
F414發動機是美國GE 公司為滿足美國海軍對F/A 18 戰鬥/攻擊機進行性能改進,發展最新型號 F/A18E/F的要求,在 F404與 F412的基礎上發展的一種新型號發動機。與F404發動機相比,F414的推力增加了35%,推重比由F404的7.5加大到9.0。
F/A 18E/F 戰鬥/攻擊機於2001年進入服役,它是美國在20世紀末投產的唯一新型戰鬥機。為了儘量減少F414投產後的更改設計,提高可靠性,也為了減少費用和風險,GE公司與美國海軍為F414安排了一個廣泛的試驗計劃。這個計劃與F100 PW 220的試驗項目,又有較大的改進與發展,代表了20世紀90年代軍用發動機的試驗計劃。
該試驗計劃中,包括全尺寸的部件試驗與整臺發動機試驗。具體內容有:全尺寸部件試驗,首臺發動機試車(FETT,FirstEngineToTest),首飛前定型試車(PFQ,PreliminaryFlightQualification),首飛及飛行試驗,小批量投產定型試車(LPQ,LimitedProductionQualification)及大批量投產定型試車(FPQ,FulProductionQualification)。
FETT 前的全尺寸部件試驗是減少風險的關鍵措施。由於高壓渦輪是在F412 相應部件基礎上發展起來的,其性能已在F412試車中得到驗證。因而在F414部件試驗中未試驗。除高壓渦輪部件外,F414的全尺寸部件試驗包括了風扇、高壓壓氣機、燃燒室、低壓渦輪、加力燃燒室和可調噴口。
在F414的整機試驗計劃中,地面試車用14臺發動機(另有10臺備份發動機),飛行試驗用21臺發動機(7架飛機)。首飛前試車累積時間6523h,總的地面試車時間達到10164h。雖然這個計劃與1977年開始的 F404 GE 400的試車計劃有些相似(F404地面試車用14臺發動機,10臺備用發動機,總試車時數為9532h),但在實質上卻有較大差別。
首先,F404試車計劃是按 MIL E 5007D的規定安排的,即只有飛行前評定試驗(PFRT,PreliminaryFlightRatingTest)與合格鑑定試驗(QT,QualificationTest)兩項,而F414有前述的 PFQ、LPQ、FPQ三項。F404從FETT到 QT 完成花了約2.5年時間,而F414到完成PFQ將用5年時間(即由1993年起到1997年底)。其次,F404的持久試車進行了PFRT中的60h與 QT中的2臺每臺兩個150h,共660h。而F414持久性鑑定試車的苛刻度則大大提高,即在有進氣畸變條件下進行300h加速模擬任務持久試車(ASMET,AcceleratedSimulatedMissionEnduranceTest),試車前後還要進行45h的高周疲勞上下「臺階」試車。
需要指出的是,ASMET與 MIL E 5007D 中PFRT 的60h持久試車與 QT 的兩個150h持久試車的試車程序完全不同,前者比後者要複雜與苛刻得多。第三,官方進行的 LPQ試車已從300h(即QT 的兩個150h)增加到1000h,而且在它的前後還要進行上下臺階試車。官方的FPQ 試車也是1000h,且試車的發動機熱端部件需用經過LPQ試車後的零件。1000h的 ASMET試驗,相當4000TAC循環的 ASMET。
F414試驗計劃中的分階段與試驗內容基本是按 MIL E005007F(AS)規範的規定進行的,但比它的要求還要嚴格些。MIL E 005007F(AS)是美國海軍在 MILE 5007D的基礎上修訂的《航空渦輪噴氣發動機和渦輪風扇發動機通用規範》,於1988年1月1日頒布實施的。
在 MIL E 005007F(AS)中,PFQ中的持久試車是60h的加速模擬任務持久試車ASMET,在其前後還要進行上下臺階高周疲勞/推力瞬變試車各5h 時;LPQ 階段中進行兩種持久性試車,一種是300h的 ASMET持久性驗證試驗 DPT,其前後各進行上下臺階高周疲勞/推力瞬變試車各25h;另一種是1000h的ASMET試車。在FPQ階段進行1000h的ASMET。
顯然,與前述的MIL E 5007D 中規定的PFRT、QT兩個階段及其試驗內容來比,新的規範要嚴格得多,反映在試驗內容與條件上也大為不同,試驗時間也長得多。但是,由前述的F414試車計劃看,F414的考核內容與時間,比新規範的規定還要多,其目的就是要在發動機發展試驗中,嚴格考驗發動機,儘早暴露一些可能存在的缺陷,達到提高可靠性的目的。
定型後加速循環耐久試驗
發動機在定型或取得適航管理當局例如美國FAA頒發的適航證後,試驗工作特別是加速循環的試驗仍不停止,以進一步暴露發動機中隱藏的問題,進行改進,提高發動機的可靠性。
例如,普惠公司推行的「定型後加速循環耐久試驗」(PACER,Post CertificationAcceleratedCyclicEnduranceRunning),國際航空公司(IAE)的「領先於機群」(LeadtheFleet)計劃均屬於此類試驗。這種試驗雖然稱為定型後的試驗,實際上為了更快更早地發現問題,有些發動機在研製中,在定型前就採用專門的發動機進行此項試驗。
例如 CF6發動機在投入航線營運前的1.5年已開始執行此項試驗計劃,到該發動機正式投入航線營運時,已積累了3600多個循環,相當一臺發動機正常航班運行2年的服役期,該計劃要完成20000個循環。JT9D 7R4的PACER要進行19000個循環,每個循環相當1~5個航班循環。
IAE的 V2500發動機於1989年5月投入營運,在它的發展計劃中,安排了「領先機群」的試驗計劃,該計劃於1990年中開始執行,用1臺發動機在德國的 MTU公司試車臺上,完成了9200次模擬飛行試車,也即在地面上模擬飛行條件進行試車,超前於使用發動機的服役期,9200個模擬飛行任務相當於提前於機群使用的三年。試驗後分解檢查,在30000件零件中,只有15件零件需更換。
根據試驗結果,對這些需要更換的零件進行分析,修改了設計。換上修改的零件重新裝配後再繼續進行「領先機群」的試驗,預計要累積14000次飛行,以提前於使用使發動機暴露問題,並予以解決,避免在航線使用中出現問題,以提高發動機可靠性。
PW4000發動機在研製中,提出的PACER計劃,規定了它的任務或目的是: (1)在使用發動機前積累循環數; (2)先於使用,發現並解決出現的問題; (3)在渦輪上限溫度下試驗,加大試驗的苛刻度;(4)在含鹽大氣中試驗,考驗發動機零件的耐鹽腐蝕性能。
PW4000於1987年6月20日投入航線營運,同月開始了PACER 試驗,到1989 年5 月,有8臺發動機參與PACER的試驗,通過 PACER試驗,暴露了一些問題,經過分析後相應地採取了一些改進措施。
GE 公司在發展GE90的衍生型 GE90 115B 時,也採用類似的定型後加速循環耐久試驗,他們稱之為「GE90 115B成熟化試車計劃」,該計劃始於2003年年中,為期四年,將使用3臺發動機,領先於機群發動機模擬並評估發動機在航線使用20年的情況,便於及早發現可能在航線使用中出現的問題,並及時採取相應措施,提高發動機的可靠性與維修性(參見「GE90發動機的發展與設計特點」)。
軍用發動機中,同樣也採用了類似的試驗,例如F100 PW 220發動機於1986年7月裝備部隊投入使用,但它的PACER試驗於1985年已開始進行,到1987年8月完成了8000個循環。
F110-GE-100安排了10項PACER 計劃,以便先於外場使用暴露問題。