Структура работ по обеспечению надежности ГТД.

Двигатель как сложное изделие состоит из большого числа систем, подсистем, узлов и агрегатов, и поэтому на этапах конструирования и испытаний производится отработка надежности каждого элемента и узла создаваемого изделия. Типовая структурная схема работ по обеспечению надежности сложного изделия представлена на схеме структуры. Разработчики двигателей в соответствии с заданием на разработку выполняют следующие работы по обеспечению безотказности и долговечности изделия.

 

Рис.1.1.Схема структуры работ по обеспечению надежности сложного изделия.

 

1. Собираются и изучаются данные по нагрузкам и внешним воздействиям, которые зависят от характера и протяженности маршрутов полета, характеристик маневренности и скороподъемности, а также от эксплуатационных характеристик и ресурса самолета. Уточняются требования к надежности двигателя и распределению продолжительности его работы на взлетном, максимальном, номинальном и крейсерском режимах и другие требования к эксплуатационным характеристикам двигателя.

2. Изучаются фактически достигнутый в эксплуатации уровень надежности двигателей и их основных узлов, являющихся прототипами или близкими по назначению и основным характеристикам к создаваемому двигателю. Особый интерес представляет изучение двигателей, снятых с эксплуатации из-за отказов или при полной выработке ресурса. Получаемая при этом информация позволяет правильно спроектировать узлы нового двигателя и предупредить появление многих отказов, ограничивающих заданный уровень надежности.

3. На основании данных по нагрузкам и внешним воздействиям и анализа фактической информации о результатах эксплуатации узлов и деталей изделий или их аналогов уточняются требования к отдельным элементам нового двигателя и производят подбор необходимых материалов с учетом их прочностных характеристик, обрабатываемости, производственных возможностей и стоимости.

4. Уточняется состав технических и организационных мероприятий, необходимых для выполнения заданных требований по надежности создаваемого двигателя. Одновременно разрабатывается комплексная программа обеспечения надежности и ресурса двигателей с конкретизацией выполняемых работ по отдельным узлам и двигателю в целом на каждой стадии разработки двигателя.   

На этом этапе закладываются конструктивные и производственные решения, обеспечивающие реализацию необходимого ресурса в эксплуатации.

Один из самых ответственных этапов комплексной программы – это этап испытаний, проводимых в подтверждение соответствия фактических показателей надежности изделия (двигателя) и его элементов заданным требованиям по надежности.

5. Проводится комплекс опережающих испытаний вновь создаваемых узлов и агрегатов на моделирующих установках, стендах и специальных летающих лабораториях. Одновременно оценивается правильность конструктивных и производственных решений по обеспечению надежности узлов и агрегатов, применявшихся на прототипах и используемых на новом двигателе.

6. Проводятся стендовые испытания двигателя в наземных и высотных условиях и на летающих лабораториях для определения действительных нагрузок и эксплуатационных характеристик основных узлов двигателя. При этих испытаниях осуществляется вибрографирование, тензометрирование, термометрирование двигателя и его узлов с имитацией различных климатических воздействий (высокие и низкие температуры воздуха, повышенная влажность и запыленность воздуха). Оценивается повреждаемость лопаток компрессора, при попадании посторонних предметов, птиц, льда и пр.        

В процессе этих испытаний фиксируются повреждения и отказы, условия их появления и последствия. Особенно важное значение имеет разборка двигателя с подробной дефектацией всех узлов и деталей.

Испытания двигателя продолжаются до тех пор, пока его технические и эксплуатационные характеристики не будут удовлетворять заданным требованиям.

7. Проводятся длительные ресурсные стендовые испытания двигателей, удовлетворяющих требованиям по тяговым, расходным характеристикам и по эксплуатационным параметрам. Работоспособность двигателя на переходных режимах и его основные эксплуатационные характеристики проверяются и отрабатываются на летающих лабораториях.

8. По результатам проведенных по п.п. 5—7 работ устанавливают назначенный ресурс, календарные сроки службы и допуски на основные параметры двигателя (частота вращения, температура газов за турбиной, уровень виброперегрузок на корпусе компрессора и т. п.), а также допустимую продолжительность наработки на основных режимах работы двигателя.

Дальнейшее увеличение назначенного ресурса проводится только на основании изучения результатов эксплуатации двигателей и их дефектации после выработки установленного ресурса и контрольной проверки продленного ресурса двигателей на эксплуатируемых самолетах.

Ресурс двигателя и всех его элементов агрегатов и систем, в конечном счете, зависит от прочностных характеристик, обусловленных правильным выбором материалов и запасов прочности.

В связи с тем, что на стадии проектирования трудно заложить одинаковую долговечность всех частей двигателя, в условиях практической эксплуатации выявляются отдельные «критические» элементы и агрегаты, имеющие недостаточную долговечность. Это обстоятельство существенно затрудняет процесс установления назначенного ресурса для двигателя, и потому в реальной эксплуатации имеют место три формы назначенного ресурса: фиксированный, дифференциальный и по фактическому состоянию.

Анализ возможных методов установления и продления ресурса двигателей показывает, что правильное его назначение требует учета большого числа факторов, в том числе физических, определяющих изменение функциональных свойств двигателя во времени, и экономических, определяющих целесообразность дальнейшего увеличения ресурса при конкретных условиях эксплуатации, обслуживания и ремонта.

Большое значение для обоснованного назначения ресурса имеет анализ связи между долговечностью и безотказностью. Ранее было указано, что отказы двигателей, проявляющиеся в полете, снижают уровень безотказности. Некоторые отказы приводят к досрочному съему двигателей, а выявляемая на земле и в полете их совокупность уменьшает готовность самолета к полету и приводит к повышению эксплуатационных расходов. При обосновании возможности увеличения ресурса необходимо учитывать такие экономические показатели, как суммарные затраты на изготовление, транспортировку и замену двигателей. При рационально назначенных ресурсах снижается количество двигателей, находящихся в эксплуатации, резко сокращаются простои при их замене на самолетах и эксплуатационные расходы.

Схема структуры работ также отражает методологию поузловой отработки частей двигателей, заключающуюся как в опережающем создании отдельных элементов и агрегатов, так и в их дифференцированной отработке на специальных стендовых установках. Практическая реализуемость такой методологии полностью отвечает требованиям создания модульных конструкций двигателей. В этом случае с меньшими затратами обеспечивается доводка безотказности и долговечности отдельных наименее надежных узлов и модулей до необходимого уровня. Таким образом, повышается эффективность доводки двигателей в процессе длительных ресурсных испытаний.

Испытания на надежность.

1. Цель испытаний на надежность. Основная цель испытаний на надежность — определить уровень надежности изделия и оценить его числовыми показателями. Знание уровня надежности изделия и его зависимости от основных факторов позволит решить широкий круг задач таких как подтверждение установленных характеристик надежности, выявление слабых мест изделия и разработка мероприятий по повышению его надежности, применение рациональной системы ремонта и ТО двигателя, определение эффективности экономической целесообразности дальнейшей эксплуатации двигателя, а также произвести проверку расчетов и прогнозов, выполняемых при проектировании изделия и оценить качество технологического процесса, обеспечившего его изготовление.

Испытания на надежность любого, а тем более сложного изделия являются весьма трудной задачей, поскольку они связаны со значительными затратами времени и должны учитывать широкий диапазон режимов и условий работы изделия. Результаты испытания, как правило, дают сведения о надежности изделий данного типа с большей или меньшей полнотой и степенью достоверности и позволяют получить одну из следующих характеристик:

Рис.1.2. Характеристики, получаемые в результате испытания изделия на надежность.

Испытания – это экспериментальное определение характеристик двигателя, т.е. уровня надежности, проводимое по специально разработанной программе или плану.

1. Законы распределения сроков службы (наработки) до отказа для каждого из выходных параметров изделия с учетом условий и режимов его работы. Эта характеристика является наиболее полной и позволяет определить все необходимые показатели надежности, и, в первую очередь, вероятность безотказной работы за данный период времени Р (t=Т). Однако получение законов распределения f(t), хотя и является весьма желательным, обычно трудно осуществимо. Оно требует большого статистического материала, который связан с длительными испытаниями и большими материальными затратами. Законы распределения могут быть практически получены лишь для простых изделий или образцов.

2. Случай, когда определены отдельные параметры законов распределения или получены данные, неполно характеризующие эти законы, является типичным результатом испытания на надежность многих объектов. Например, может быть определена вероятность безотказной работы изделия в течение заданного периода времени, но остается неизвестной характеристика безотказности для более длительного периода работы изделия или закон распределения сроков службы и его параметры определены лишь с известной степенью достоверности. По этой ограниченной информации также надо сделать заключение об уровне надежности изделия.

3. Сложность и продолжительность испытаний может привести к невозможности оценки изменения выходных параметров изделия во времени. В этом случае показателем может служить запас надежности по каждому из параметров, который хотя и не связан со временем, но дает определенную информацию о надежности изделия. В сочетании с методами прогнозирования эти результаты испытаний могут быть использованы для определения уровня надежности изделия.

4. Наконец, во многих случаях из-за сложности задачи вообще невозможно оценить уровень надежности изделия в абсолютных значениях, а лишь сравнить его в относительных показателях применительно к прототипу или аналогичным изделиям. Испытание может дать ответ, во сколько раз, например, возрастает безотказность или долговечность нового изделия, работающего в аналогичных условиях, что и прототип, не решая вопроса о действительном уровне надежности изделия.

Следует иметь в виду, что относительный уровень надежности может и не отражать действительного состояния дел. Например, безотказность изделия повысилась по сравнению с прототипом, однако и этот уровень может не удовлетворять требованиям ТЗ.

Таким образом, в результате испытаний на надежность могут быть получены как полные характеристики изделия, позволяющие решить все основные задачи надежности, так и ограниченные данные, которые могут быть использованы лишь в сочетании с методами расчета и прогнозирования.

При планировании и проведении испытаний всегда борются две противоположные тенденции: желанию получить наиболее полную характеристику надежности препятствуют длительность и стоимость испытания. Для высоконадежных изделий часто никакие затраты не могут ускорить получение информации о показателях надежности, и фактор времени является основным критерием при выборе метода и объема испытаний на надежность.

2. Виды испытаний на надежность. Информация о надежности может быть получена не только в результате испытаний; но и из сферы эксплуатации путем сбора и классификаций соответствующих данных. В данном конкретном случае рассматриваются лишь специально проводимые испытания на надежность, которые могут быть исследовательскими, проводимыми для изучения факторов, влияющих на надежность, и контрольными, цель которых – оценка уровня надежности данного изделия. По месту проведения испытаний они могут быть стендовыми, полигонными и эксплуатационными.

Стендовые испытания обеспечивают постоянное наблюдение за процессом потери машиной, узлом или сопряжением работоспособности и дают возможность получать необходимые сведения о надежности и долговечности объекта испытаний.

На стендах испытываются как отдельные узлы и механизмы двигателя, так и двигатель в целом. При разработке методики испытаний нужно стремиться к тому, чтобы режимы и условия испытаний в наибольшей степени соответствовали эксплуатационным.

Наибольшая трудность при испытании на надежность и долговечность заключается в длительности испытаний. Стендовые испытания продолжаются обычно до тех пор, пока не возникнет отказ или пока изделие не проработало заданного срока без отказа.

Поскольку сроки службы деталей и узлов современных двигателей достаточно велики, то во многих случаях приходится проводить испытания в более тяжелых условиях, чем нормальные условия эксплуатации.

Эксплуатационные и полигонные испытания опытных и серийных образцов двигателей широко применяются для получения данных о надежности и долговечности, изделий. При этом стремятся создать наиболее тяжелые условия эксплуатации, чтобы проверить работоспособность всех узлов и механизмов. Эксплуатационные испытания позволяют выявить недолговечные элементы двигателя, правильность взаимодействия узлов и механизмов и их работоспособность в реальных, условиях функционирования.     

Недостатком таких испытаний является, во-первых, не всегда достижимая длительность испытания, соответствующая нормальной эксплуатации (например, опытный образец двигателя нельзя заставить работать 5—10 лет), и во-вторых, результат испытания, характеризующий параметры надежности выбранного объекта (индивидуальная надежность), не дает представления о дисперсии сроков службы и даже об их средних значениях для данной модели двигателя.

Поэтому большое значение имеют ускоренные испытания, при которых необходимый объем информации о надежности получается в более короткий срок, чем при нормальных условиях и режимах эксплуатации. При проведений контрольных испытаний на надежность в ряде случаев рекомендуют их подразделять на испытания на безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость и долговечность.

Испытания двигателей на безотказность сводятся к контролю вероятности безотказной работы за заданное время или к определению наработки на отказ (средней наработки до первого отказа). Испытания на ремонтопригодность обычно проводятся для определения среднего времени восстановления или вероятности восстановления работоспособности изделия за заданное время. Испытания на долговечность предназначаются для контроля среднего или гамма-процентного ресурса. Испытания на сохраняемость предусматриваются для контроля вероятности сохранение показателей изделия в течение заданного срокам. Часто требуется информации обо всех основных показателях надежности изделия, и проведенные контрольные испытания должны одновременно дать сведения о безотказности, долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности и других показателях.