CC BY
146
УДК 629.7.017
А. А. Прейс
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СТАРЕНИЯ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Д-30Ф6 ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Рассмотрен процесс старения авиационных двигателей Д-30Ф6 и его комплектующих узлов и агрегатов при эксплуатации по интенсивности отказов Х@).
Ключевые слова: старение систем, интенсивность отказов, двигатели, узлы, агрегаты, ресурсы.
С недавнего времени в средствах массовой информации и на страницах специальных изданий, посвященных авиации, все чаще стала затрагиваться проблема стареющего авиапарка гражданской авиации России.
Не обходит стороной проблема старения и авиационной техники, которая эксплуатируется в строевых частях Вооруженных Сил Российской Федерации.
И действительно, подавляющее большинство авиационной техники, находящейся на вооружении построена в период с 1979 по 1993 гг. Стратегические бомбардировщики ТУ-95МС и ТУ-22МЗ произведены в основном между 1982 и 1991 гг., после 1987 г. ТУ-160. Военно-транспор-тные самолеты среднего и тяжелого класса ИЛ-76 и «Руслан», атакже воздушный заправщик ИЛ-78 вошли в строй в подавляющем большинстве в период конца 70-х по конец 80-х гг., остающиеся на вооружении истребители СУ-27 построены в основном с 1987 по 1991 гг., МИГ-29 с 1986 по 1991 гг., истребитель-перехватчик МИГ-31 -с 1987 по 1993 гг.
Нельзя не отметить, что и на вооружении Военно-воз-душных сил «потенциального противника» находятся самолеты ветераны. На экспозиции МАКС-2007 была представлена авиационная техника зарубежного производства, которая построена в период с 1960 по 1997 гг. «Патриархом» выставки оказался В-52Н, который был произведен в 1960 г. Г-16 построен в 1991 г., воздушный заправщик КС-135 находится в эксплуатации с 1963 г.,аГ-15 прибывший из Англии построен в 1984 г., но самым молодым оказался С-17 «Глоубмастер», самолет построен в 1997 г.
По мере эксплуатации авиационной техники заложенные запасы работоспособности уменьшаются («расходуются»), изделие «стареет». Одними из основных критериев, которые подразумевают деление авиационной техники на «старую» и «новую», выступает налет, наработка и срок службы с начала эксплуатации изделия авиационной техники. Перечисленные критерии оправданы, но не отражают количественные изменения показателей надежности, которые непосредственно влияют на безопасность полетов и, как следствие, выполнение полетных заданий.
Да, по мере увеличения налета, наработки, уменьшается запас ресурса, но это не значит, что авиационная техника не надежна или стареет. При старении происходит процесс постепенного изменения свойств материалов, формы и размеров деталей изделия, их коррозия во времени и влияние ряда других факторов, вследствие чего начинает возрастать количество отказов и повреждений.
В данной работе предложено оценивать процесс старения авиационной техники по числовой характеристике, которая путем учета количества отказавших однотип-
ных объектов, позволила бы определить уровень надежности в любой момент времени. Этой числовой характеристикой является интенсивность отказов.
Она представляет собой долю изделий, отказавших на (/+1) интервале, от числа изделий, безотказно отработавших до начала данного интервала:
ЛТД/
где - число изделий, работающих к началу/-го интер-
вала времени; Дп1+1 - число изделий, отказавших на (/+ 1)-м интервале.
Таким образом, интенсивность отказов - это условная вероятность отказа изделия в единицу времени, имеющая размерность 1/ч.
Значение /.0) рассчитывается на основании статистических данных, полученных в процессе эксплуатации технических объектов.
Контроль за изменением этого параметра надежности в процессе эксплуатации очень важен, так как, например, его возрастание по мере увеличения наработки может служить сигналом старения отдельных элементов систем или всего изделия в целом, в результате усталости, износа.
Величина интенсивности отказов в различные периоды эксплуатации для большинства изделий различна. По характеру изменения этого показателя надежности (рис. 1) можно выделить три периода жизненного цикла изделия.
Первый период жизненного цикла - изделие новое, только начало эксплуатацию. Надежность изделия низкая, а интенсивность отказов высокая. Эго объясняется тем, что в изделие попадают элементы с не выявленными и пропущенными дефектами. Имеет место также и низкое качество сборки изделий, отклонение от принятой технологии ее проведения. Отказы, возникающие в начальном периоде эксплуатации, называются приработочными.
Наибольшее число приработочных отказов возникает в начальном периоде работы изделия, а затем по мере
их проявления и устранения интенсивность отказов начнет снижаться. В первом периоде могут возникать и конструкционные отказы, а также внезапные отказы, вызванные внешними факторами. Суммарная интенсивность будет складываться из интенсивности приработочных отказов и интенсивности отдельных случайных отказов по разным причинам.
В целях повышения надежности изделия в период приработки, это изделие до эксплуатации подвергается тренировке - испытанию по специальной программе. Тренировка позволяет отобрать наименее надежные объекты и не допустить их к эксплуатации.
Второй период жизненного цикла работы изделия называется периодом нормальной эксплуатации. После выявления и устранения приработочных изделие еще является «молодым», в это время износовые и усталостные отказы еще могут не появиться. Наступает период работы изделия, в течение которого в нем в основном могут возникать отдельные отказы, вызванные различными случайными факторами. В этот период интенсивность отказов при неизменных условиях эксплуатации изделия во втором периоде сохраняется примерно постоянной.
Третий период жизненного цикла работы изделия связан с его старением. Как только изделие начало выполнять свои рабочие функции и стала возрастать наработка I. в его элементах появляются необратимые процессы, связанные с износом, усталостью. В течение второго периода работы изделия эти необратимые процессы начинают накапливаться, степень повреждения растет, но до определенного времени она не достигает предельного значения и постепенные отказы практически не возникают. Однако после некоторой наработки они начинают проявляться и доля их постепенно увеличивается.
Ресурс изделия целесообразно ограничить первыми двумя периодами их работы, т. е. в третьем периоде они не должны работать. Однако в настоящее время требуемые ресурсы авиационной техники постоянно растут и определение наработки, при которой начинает заметно сказываться старение изделия, является сложной и ответственной задачей, на ее основе решается вопрос о назначении ресурса. При этом в первую очередь должны учитываться условия обеспечения безопасности полетов, а затем экономические соображения.
При написании статьи проводился анализ процесса старения авиационных двигателей Д-30Ф6, эксплуатирующихся в строевой части, по изменению интенсивности отказов.
В первую очередь, '/.(I) рассчитывалась для всего парка двигателей, по всем отказам и повреждениям, системам, узлам и агрегатам.
В эксплуатации находится 46 двигателей (\ = 46). Двигатели рассматриваются как невосстанавливаемый объект. За весь период эксплуатации было зафиксировано 36 отказов и повреждений. Число отказов Ап фиксировалось через интервалы времени Д/ = 50 час. Временной интервал разбивался с таким учетом, чтоб в него попадало не менее двух отказов и повреждений. Все данные по отказам и повреждениям, в зависимости от наработки, сведены в таблице.
Рассчитываем интенсивность отказов следующим образом:
Я, (0, 50 ч) = ~г7~г:= т~тт = 0,13 • 10 2 1/Ч;
X (50,100 ч)
46-50 2 300
7 7
43-50 2150
) 5 5
' 36-50 1800
) 6 6
' 31-50 1550
6 6
25-50 1250
0,32-10 2 1/ч;
0,27-10 2 1/ч;
0,38-10 2 1/ч;
0,48-10 2 1/ч;
Х(250,300ч) = ^— = —= 0,21-10 2 1/ч; у ’ 19-50 950
Х(300, 350 ч) = —-— = —= 0,35 -10 2 1/ч; у ’ 17-50 850
Х(350,400ч) = ^— = —= 0,28-10 2 1/ч; у ’ 14-50 700
Х(400, 450 ч) = —-— = —= 0,33 -10 2 1/ч. у ’ 12-50 600
Полученная зависимость Х(/) от времени (рис. 2) показывает, что интенсивность отказов начинает возрастать при наработке 50 ч и составляет
Х(0 = 0,13-10-21/ч; достигает своего максимума при наработке 250 ч и имеет вид
Х(/) = 0,48-10-21/ч, а затем снижается до значения
Х(/) = 0,35-10-21/ч
и сохраняет его примерно на одном уровне. Если начало возрастания /.(;) характеризуется отказом различных агрегатов по конструктивно-производственным недостаткам, то максимальное значения /.(;) объясняется началом старения отдельных узлов, агрегатов и элементов конструкции двигателя.
Количество отказов и неисправностей в зависимости от наработки
АГ, ч Аи,
А?! (0...50) 3
А?2 (50... 100) 7
А^з (100... 150) 5
Аг4(150...200) 6
Аг5(200...250) 6
Аг6(250...300) 2
Аг7(300...350) 3
Аг8(350...400) 2
Аг9(400...450) 2
Аг10(450...500) -
Агп (500...550) -
Для более детального исследования процесса старения была сделана выборка для двигателей, которые снимались с эксплуатации по отказам элементов конструкции.
Полученная зависимость /_(/) для двигателей, снятых с эксплуатации по отказам элементов конструкции (рис. 3) показывает, что интенсивность отказов возрастает при наработке 350 ч, составляет Я(Г) = 0,43 • 10 * 1/ч и продолжает свой рост до >.(/) = 0,68 • 10 3 1/ч при дальнейшей наработке. Рост интенсивности отказов объясняется началом процесса старения материалов, изнашиванием поверхностей сопряженных деталей конструкции двигателя в следствии работы этих узлов в тяжелых условиях.
Рис. 2. Интенсивность отказов и повреждений всего парка авиадвигателей
Основные причины, по которым снимались двигатели с эксплуатации: прогар сопловых аппаратов турбины высокого давления, прогар жаровых труб основной камеры сгорания, прогар топливного коллектора основной камеры сгорания, разрушение упругодемпферных опор компрессора высокого давления.
Х(/)71(Г31/ч
Рис. 3. Интенсивность отказов авиадвигателей, снятых с эксплуатации по отказам элементов конструкции
При анализе рассматривался процесса старения узлов и агрегатов, которые входят в состав авиационного двигателя. Это «узел 16» (реактивное сопло), трос регулирования сопла, который входит в узел обратной связи аг регата Регулятора Сопла (РС-3048МА) и ионизационный датчик пламени (ДПИ-1500-18), входящий в систему зажигания форсажной камеры сгорания.
Для реактивного сопла наиболее характерны следующие отказы: течь топлива по гидроцилиндрам управления, обрыв штоков гидроцилиндров управления, разрушение тяги силового кольца, срез болтов крепления гидроцилиндров. Полученная зависимость /_(/) для реактивного сопла (рис. 4) показывает, что интенсивность отказов начинает возрастать при наработке двигателей 200 ч Я(0 = 0,45 • 10 5 1/ч, и достигает Я(0 = 0,76 • 10 Ч/ч при наработке 400 ч.
Трос регулирования сопла снимался с эксплуатации по причине порыва. Порыв троса начинался при нара-
ботке двигателей 350 ч, интенсивность отказов для данной наработки составляет /.(;) = 0,54 • 10 Ч/ч и продолжался рост, при наработке 460 часов л(Г) = 0.79 • 10 51/ч. Полученная зависимость Я(£) для троса регулирования сопла представлена на рис. 5.
1/ч
-1- п
/-
1 7_
-^4 -у
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Рис. 4. Интенсивность отказов реактивного сопла
ЩЪО73 1/ч
Рис. 5. Интенсивность отказов троса регулирования реактивного сопла
Основные причины, по которым снимался с эксплуатации ионизационный датчик пламени (ДПИ-1500-18), прогар и оплавление. Прогар и оплавление ДПИ-1500-18 обусловлены его установкой в форсажной камере сгорания и, как следствие, его работа в условиях высокой температуры.
Перечисленные отказы начинают возникать при наработке в 90 ч. Для данной наработки Х(Г) = 0.65 • 10 Ч/ч и растет на протяжении всего периода эксплуатации (рис. 6).
вд?кг3 і/ч
Рис. 6. Интенсивность отказов ДПИ-1500-18
Из выполненного анализа процесса старения по изменению зависимостей Я(/) можно сделать вывод, что предельное состояние узлов и агрегатов, по причине их старения, начинается уже при наработке 100 ч и продолжает свой рост при дальнейшей эксплуатации. Для двигателей, которые снимались с эксплуатации по отказам элементов конструкции, старение начинается при наработке 350 ч, о чем свидетельствует увеличение У-(1).
Нельзя не отметить и тот факт, что замена узлов и аг- наступление предельного состояния, по причине старе-регатов двигателя, имеющих рост интенсивности отказов, ния элементов конструкции, снижает /.(;) для всего двигателя в целом, но не отдаляет
A. A. Preis
D-30F6 AIRCRAFT ENGINE DETERIORATION PROCESSES ANALYSIS IN OPERATION
The deterioration process of D-30F6 aircraft engine and its units and aggregates in operation by break down intensity X(t) is viewed.
Keywords: systems exhaust, breakdown intensity, engine, units, aggregates, resources.
УДК629.7.017
Л. Г. Шаймарданов, И. А. Толманов
ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ
Рассмотрено обоснованные необходимости оптимизации ремонтов современных авиадвигателей применительно к маршрутной сети полетов самолетов авиакомпании.
Ключевые слова: блоки, агрегаты, относительные отработки ресурсов.
Совершенствование авиадвигателей для самолетов гражданской авиации не ограничивается уменьшением их массы на единицу силы тяги и расхода топлива на килограмм тяги в час. Существенная доля эксплуатационных расходов затрачивается на поддержание надежности двигателей. Современные двигатели выполняются по блочно-модульной схеме, когда возможна замена деталей и узлов двигателя в условиях эксплуатации. Ряд крупных блоков может быть заменен без съема двигателя с самолета. Например, вентилятор, лопатки вентилятора и др. Эго замена «на крыле».
Модули и агрегаты двигателя делятся на два класса. Одним назначаются ресурсы в летных часах, другим - в циклах. Число циклов чаще всего определяется по числу взлет-посадок. Поскольку число посадок должно быть равно числу взлетов, циклы определяют по посадкам. Заменой модулей, деталей и агрегатов поддерживается надежность и, следовательно, летная годность двигателей.
Поскольку степенью отработки ресурсов агрегатами и блоками двигателя в определенной мере характеризуется и выработка запасов по их надежности, для косвенной оценки надежности может быть использован параметр в виде средней относительной отработки ресурсов агрегатами и блоками двигателя, определенный в виде
где п - число блоков и агрегатов двигателя; /, - относительная отработка ресурса г'-м блоком (деталью, агрегатом), которые определяется как
где л - наработка /'-го блока (агрегата), час либо цикл; Т. - ресурс этого блока (агрегата), час (цикл).
Современный авиадвигатель содержит более 200 блоков и агрегатов, заменяемых в процессе ремонта на новые либо восстановленные в заводских условиях. Для постановки проблемы ремонта нет необходимости рассматривать полную комплектацию восстанавливаемых элементов, т. е. многие из них являются внешними навесными агрегатами, замена которых допускается в условиях эксплуатанта. Эго приводимые от вала двигателя насосы, генераторы, агрегаты внешней обвязки, такие как электроклапаны, краны, обратные клапаны и т. п.
В работе рассматриваются блоки и детали вентилятора и турбокомпрессора двигателя, такие как колесо вентилятора, его спрямляющий аппарат, форсунки, валы роторов двигателя и их подшипники, диски компрессора и турбины и т. п. (всего 46 блоков и деталей). В целях упрощения расчетов и более наглядного представления результатов они объединены в группы с близкими значениями чисел ресурсов по налету и циклам. Так по налету часов рассматриваются три группы изделий: с ресурсом 10 ООО ч 3 изделия в группе, 12 ООО ч - 6 изделий и с 20 ООО ч -1 изделие.
По ресурсу в циклах:
9 изделий с ресурсом - 3 500 циклов;
7 изделий с ресурсом - 5 500 циклов;
4 изделий с ресурсом - 8 500 циклов;
15 изделий с ресурсом - 10 000 циклов;
8 изделий с ресурсом - 12 000 циклов.
Графически значения средней отработки ресурсов
изделиями, эксплуатирующимися по ресурсу в летных
