Анализ факторов влияющих на величину ресурсов.

Для авиационного двигателя эксплуатационный ресурс это основа его долговечной и надёжной работы в различных климатических, температурных и др. условиях. Надёжность и высокая работоспособность двигателя - это залог безопасности полётов.

Эксплуатационный ресурс - это период, в течение которого изделие может эксплуатироваться.

Эксплуатационная наработка - это количество применений изделия в течение его эксплуатационного ресурса.

График 1 - График изменений эксплуатационного ресурса авиационных ГТД российского производства

Величина закладываемого эксплуатационного ресурса складывается из многих факторов, таких как, способ изготовления деталей, технологии и материалы применяемые как при изготовлении каждого отдельного компонента авиационного двигателя, так и на каждой стадии его сборки, а также стендовые и лётные испытания.

Развитие понятия ресурса ГТД. В настоящее время эксплуатация ГТД производится как «по состоянию» (для изделий у которых можно средствами технической диагностики и контроля заблаговременно определить «безопасные разрушения»); при этом эксплуатация ГТД по состоянию сочетается обычно с профилактическим обслуживанием по регламенту отдельных модулей; так и по регламенту (для изделий у которых нет возможности обнаружить средствами контроля «безопасные разрушения» и конструктивно не обеспечивается «безопасность отказов». Основные проблемы возникающие при внедрении эксплуатации по «состоянию»:

Создание таких конструкций ГТД, которые имели бы контролепригодные и ремонтопригодные конструкции для такой эксплуатации.

Разработка надежных средств технической диагностики, которые позволяют своевременно выявить «безопасное разрушение» и сами не являются источниками дефектов. Контроль состояния двигателя не должен превращаться в случайный набор измерений, устройств контроля, методов диагностики. Этот контроль должен образовывать систему взаимозаменяющих методов, тесно связанных с конструкцией двигателя, его назначением и характером использования. Для того чтобы полученная тем или иным способом информация о состоянии двигателей соответствовала поддерживанию в эксплуатации требуемой его надежности, необходимо эффективно использовать эту информацию для принятия практических инженерных решений.

Надежность и ресурс ГТД являются составляющими более общего показателя ГТД-качества.

Под надежностью авиационных ГТД чаще всего понимают только узкое понятие - его безотказность в работе, т.е. свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течении всего заданного срока службы в заданных условиях эксплуатации. Безотказность в работе у авиационных ГТД весьма высокая. Так, например, по статистике ИКАО из 100 % авиационных катастроф за последние 15 лет, менее 10 % произошли за счет отказа двигателей.

Анализ досрочно снятых двигателей показывает следующие основные причины их выхода из строя:

· Несовершенство конструкции.

· Неудачная технология или нестабильность производства.

· Низкое качество или нестабильность материала.

· Дефекты комплектующих изделий (изделий смежников).

· Нарушение правил эксплуатации и обслуживания двигателей.

Это в свою очередь у 80 % досрочно снятых двигателей приводит к:

а) повышенной вибрации;

б) усталостным разрушениям лопаток;

в) дефектам маслосистем по опорам;

г) исчерпанию длительной прочности лопаток;

д) разрушению элементов камеры сгорания.

В качестве критерия эксплуатационной надежности принимают коэффициент досрочно снятых двигателей на 1000 часов эксплуатации: К1000дсд. Назначенным ресурсом двигателя (или его детали - напр. лопатки, диска) называют ожидаемую (расчетную) величину суммарной наработки до некоторого его предельного состояния, при достижении которого эксплуатация должна быть прекращена независимо от состояния ГТД. Такое понятие ресурса может быть удовлетворительно описано физическими или статистическими моделями только для отдельных деталей ГТД. Такие модели отражают исчерпание долговечности элемента с учетом его нагружения. Когда же переходят от элемента двигателя к такой сложной системе как ГТД, включающей в себя многие элементы с разнообразными процессами их нагружений, то понятие назначенного ресурса становится менее определенным. Поэтому его принимают равным минимальному значению назначенного ресурса у тех основных деталей ГТД, которые не подлежат замене. «основными деталями» ГТД называют детали, разрушение, или последствия разрушения, которых могут привести к катастрофическим последствиям. К таким отказам относятся:

ü разрушение элементов ротора, обломки которых не удерживаются внутри корпуса;

ü нелокализованные пожары;

ü невозможность выключения двигателя.

К основным деталям, лимитирующим ресурс, чаще всего относятся рабочая лопатка турбины ВД и диск последней ступени турбины НД.

В связи с необходимостью ремонтировать часть (подлежащих замене) деталей двигателя в пределах назначенного ресурса, возникает необходимость в понятии так называемого межремонтного ресурса. Межремонтный ресурс - это ресурс определяемый временем наработки, в течение которого целесообразно (экономически) и допустимо (по надежности) использовать двигатель в данных условиях эксплуатации. Обычно межремонтные ресурсы ГТД подразделяют на «ресурс до 1 капитального ремонта (или 1-ый межремонтный) и другие «межремонтные ресурсы».

Во многих случаях за жизненный цикл двигателя в эксплуатации делают 2 ремонта, т.е. существуют 3 межремонтных ресурса.

При назначении ресурса ГТД важнейшим моментом является правильный учет взаимосвязи между величиной ресурса и надежностью. Критерии, характеризующие выполнение двигателем основных функций и эксплуатационные затраты будут определять эффективность системы установления ресурса. То есть должна существовать оптимальная величина ресурса. На практике для того, чтобы достигнуть оптимального ресурса используют различные виды испытаний ГТД. На ранних этапах доводки ГТД при небольших его ресурсах, когда суммарная наработка газочасов невелика (что, как показывает опыт, соответствует и невысокой надежности двигателя), испытания ГТД ведут на первоначальный типовой ресурс = 125...500 часов. У нас в РФ обычно это 150 часов - для гражданских двигателей.

В процессе такой доводки ГТД решаются 2 основные задачи:

Идентификация опытных образцов ГТД с их проектными математическими моделями для внесения при необходимости изменений в конструкцию чтобы обеспечить получение запроектированных характеристик и свойств двигателя.

Выявление слабых мест, неудачных конструктивных и технологических решений и их устранение.

Доводка сопровождается значительными конструктивными изменениями (чертеж некоторых деталей иногда изменяют до 5 раз ).

Современными прогрессивными методами ускоряющими доводку являются:

а) поузловая доводка ГТД, параллельно с доводкой двигателя в целом;

б) опережающая отработка газогенератора.

Процесс экспериментальной доводки авиационного двигателя условно разбивается на несколько основных этапов:

А) Апробация и отработка работоспособности конструкции до ресурса от нескольких часов до 1/4 первоначального типового ресурса.

Б) Отработка необходимых характеристик и эксплуатационных свойств двигателя при стендовых испытаниях.

В) Обеспечение уровня надежности и долговечности достаточного для начала летной эксплуатации (стендовые и летные испытания).

Последний этап включает в себя помимо серии специальных испытаний (тензометрирование, вибрографирование и т.п.) также проведение летных испытаний и нескольких длительных стендовых испытаний по 150- часовой программе эквивалентно-циклического испытания.

Ниже приведена суммарная наработка по режимам.

· Взлетный - 18 ч 45 мин.

· Максимальный продолжительный - 45 ч при tн мax.

· Крейсерские - 62 ч 30 мин. (не менее 15 установившихся режимов в интервале: между максимальным продолжительным режимом и режимом малого газа при включенных самолетных отборов воздуха.

· Переходные режимы - 23 ч 45 мин. (запуски, приемистость, сброс газа и земной малый газ.

Количество проб приемистостей - 300;

запусков - 100;

реверсов - 200.

За время испытаний должно быть выполнено 100 переключений средств механизации компрессора. На всех этих режимах должна быть обеспечена полная загрузка всех самолетных агрегатов. Не менее чем на 25 % времени включается противообледенительная система. Приведенные значения показывают значительную долю нагруженных режимов (взлетный и максимально продолжительный) - 42 %. Взлетный режим в этой программе составляет 12,5 %, тогда как в эксплуатации всего 4 %.

По окончании испытания двигатель разбирают и контролируют состояние деталей. Если во время испытания и по результатам дефектации деталей отклонений от ТУ не наблюдалось, дается положительное заключение о годности двигателя к началу летной эксплуатации. Доводка ресурса ГТД завершается сертификацией двигателей, т.е. установлением соответствия двигателя требованием норм летной годности (НЛГ). (Фактически это означает положительную оценку результатов всех стендовых и летных испытаний).

В целом доводка авиационных ГТД - сложный и длительный процесс: от ее начала до эксплуатации на ЛА обычно проходит от 40 до 80 месяцев (3,5 - 6,5 лет).

Средняя стендовая наработка опытных образцов до начала летных испытаний за последние 20 лет находится на уровне 5000 часов, но иногда достигает 10 000 часов. Существует определенная статистическая зависимость между доводочной наработкой газочасов и надежностью ГТД:

При этом двигатель сертифицируется дважды:

ü сертификация двигателя до «установки на самолет» сертификация;

ü самолета вместе с двигателем «при его установке на серийный самолет».

Суммарная наработка до начала эксплуатации ГТД вместе с летными испытаниями достигает 13 000...20 000 часов. На доводку при стендовых и летных испытаниях сегодня расходуют в среднем 20 - 30 опытных образцов ГТД (для сверхзвуковых ЛА иногда до 60 - 70).

Однако методы доводки необходимо совершенствовать (резервы ее совершенствования имеются): пример - если к концу доводки наработка на отказ в полете составляет 3000 - 6000 ч, то после нескольких лет серийного производства удается увеличить её почти на порядок.

Применяются длительные эксплуатационные испытания ГТД на повышенный ресурс. Цель таких испытаний - наращивание ресурса ГТД и его эксплуатационное обоснование. Как указывалось в первоначальной основой для оценки предельно возможных значений ресурса ГТД является расчетная долговечность дисков и лопаток турбины и др. ответственных «основных» деталей двигателя. Эти материалы по расчетной долговечности являются первоначальной основой оценки назначенного ресурса ГТД, т.е. расчетной величины ресурса до предельного состояния двигателя. Всякая доводка ГТД по межремонтному ресурсу может производиться только в пределах назначенного ресурса, т.е. до предельно допустимых расчетных величин наработки. В настоящее время ставится задача обеспечения при проектировании ГТД назначенного ресурса двигателя равного среднему ресурсу планера ЛА, т.е. до 30 000 часов. Расчетная долговечность дисков у некоторых современных ГТД давно уже соответствует 20 000...30 000 часам. Однако это нельзя сказать о многих других деталях ГТД. На ранних этапах эксплуатации ГТД применяют систему установления ресурса двигателя на основе величины ресурса наиболее слабого его элемента, работающего в самых напряженных условиях эксплуатации. В этом случае целью является увеличение межремонтных наработок двигателем. При такой системе доводки ресурса двигателю устанавливают каждый раз новое фиксированное значение межремонтного ресурса по достижению которого он направляется на разборку и ремонт вне зависимости от технического состояния.