Об экономической оптимальности величины ресурса авиационных ГТД Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7.036:539.4

А. В. Шереметьев

ОБ ЭКОНОМИЧЕСКОМ ОПТИМАЛЬНОСТИ ВЕЛИЧИНЫ РЕСУРСА АВИАЦИОННЫХ ГТД

В статье рассмотрены факторы, влияющие на экономическую оптимальность величины ресурса авиадвигателей. Приведено определение стоимости одного часа жизненного цикла двигателя С¥Ш56-3. Представлены необходимые условия повышения экономической эффективности эксплуатации авиационных ГТД.

Увеличение ресурса (долговечности), который является составляющей частью надежности, соответственно, приводит и к повышению последней. Повышение надежности, как и повышение ресурса (составляющей надежности) требует значительного объема работ, значительных затрат средств и времени. Прошедшие десятилетия развития авиационных ГТД прошли под знаком непрерывного роста ресурсов: от нескольких сотен часов до десятков тысяч часов (рис. 1 [2], 2).

Когда ресурсы двигателей не превышали 1000 часов, экономическая целесообразность их повышения не вызывала никаких сомнений ввиду, как минимум, двух обстоятельств: высоких расходов эксплуатирующих организаций (кривая Сэк на рис. 3) и сравнительно небольших расходов на работы, связанные с увеличением ресурсов (кривая Срс1 рис. 3). Здесь и в дальнейшем в качестве единицы ресурса будет использоваться час работы двигателя.

Рис. 1. Рост ресурсов двигателей АИ-20 (1), АИ-24 (2), АИ-25 (3) по годам эксплуатации

Рис. 2. Рост ресурсов двигателей с большой степенью двухконтурности Д-36 (1), Д-18Т (2), Д436Т1 (3)

© А. В. Шереметьев, 2009

- 36 -

Иная ситуация возникает при обосновании больших значений ресурсов (> 20000 часов). С одной стороны, эксплуатационные расходы уже существенно снижаются (величины расходов в эксплуатации на 1 час работы двигателя), а при небольших величинах эксплуатационных расходов дальнейшее их снижение приносит все меньшую экономическую выгоду. К тому же, в соответствии с законом убывающей предельной отдачи [3], начиная с некоторого значения ресурса, эксплуатационные расходы могут возрасти.

С другой стороны, для увеличения ресурсов требуется все более увеличивающийся объем испытаний (см. рис. 3).

Существует экономически оптимальная величина ресурса, при которой суммарные затраты на увеличение ресурса будут наименьшие (?оП1).

Внедрение в практику работы разработчиков двигателей электронно-вычислительной техники, использование численных методов и моделей высокого уровня, пакетов прикладных программ (например, АМБУБ) в сочетании с накопленным опытом по созданию авиационных ГТД и высокой квалификацией инженерных кадров позволили разработать и успешно применять расчетные методы установления ресурсов.

Это дало возможность существенно снизить затраты и сократить календарные сроки установления ресурсов (на рис. 3 сокращение затрат на установление ресурсов представлено кривой С^). Одновременно, значительно отодвинулось значение экономически оптимального ресурса вправо (см. рис. 3).

Для различных двигателей и даже для одного и того же двигателя, но установленного на разных самолетах, будут существовать свои значения оптимального ресурса, поскольку эксплуатационные расходы могут различаться в зависимости от типа двигателя, типа самолета, плеча полета, эксплуатирующей компании и т.п.

Ресурс двигателя может быть очень большим, однако, при этом он будет далек от экономически оптимального. Показателем оптимальности ресурса может служить суммарная величина затрат на 1 час устанавливаемого ресурса.

Отклонение ресурса двигателя от экономически оптимального может быть связано со специальными требованиями к двигателю, накладываемыми при проектировании. В этом случае эффективность применяемых конструктивных решений может «оказаться максимально достижимой в условиях наложенных ограничений»

[4].

Стремление к установлению экономически оптимального ресурса явилось одной из причин появления понятия ресурсного проектирования

[5].

Под ресурсным проектированием авиационных ГТД следует понимать такую систему создания двигателей, при которой на стадии проектирования определяется долговечность деталей двигателя, обеспечивается полный учет условий эксплуатации и производится оптимизация уровня рабочих параметров, показателей эффективности и величины ресурса.

Рис. 3. Зависимость изменения затрат от величины ресурса двигателя

1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2009

- 37 -

Таблица 1 — Затраты при плановых ремонтах двигателя СБМ56-3 с тягой 23500 фнт [7]

№ съема Наработка до съема, час Суммарная наработка, час Стоимость ремонта, $ Стоимость заменяемых деталей, $

1 8500 8500 800 000 -

2 6500 15000 900 000 650 000

3 6500 21500 950 000 410 000

4 6500 28000 950 000 265 000

Развитие технической (безразборной) диагностики, модульности конструкции, контроле-пригодность двигателей и накопленный опыт эксплуатации позволили осуществить эксплуатацию авиационных ГТД по техническому состоянию. Экономический эффект от эксплуатации по техническому состоянию очень велик [4]:

— на 20% сокращается число запасных частей;

— число запасных двигателей уменьшается почти в 2 раза;

— себестоимость обслуживания и ремонтов сокращается примерно на 25%.

Практически повсеместный переход на эксплуатацию по техническому состоянию, с заменой отдельных модулей без съема двигателей с крыла самолета, повлек за собой пересмотр понятия ресурса двигателя в целом.

Для сложной, многокомпонентной системы, «каковой является авиационный газотурбинный двигатель модульной конструкции, обладающий свойством восстанавливаться» [6], понятие ресурса двигателя приобретает условный характер. На первый план выходит экономическая целесообразность восстановления двигателя при ремонтах и стоимость одного часа жизненного цикла. Экономическая целесообразность восстановления двигателя при ремонтах зависит от стоимости ремонта и стоимости замены деталей, ограничивающих ресурс (таблица 1)[7].

Используя данные, приведенные в таблице 1, можно определить затраты при ремонтах, отнесенные к одному часу эксплуатации двигателя СБМ56-3 с тягой 23500 фунтов (10657 кГ) по формуле (1):

С р + Сд

Сэ =-

эр

(1)

где Ср — стоимость ремонтов;

Сд — стоимость заменяемых деталей; N — отработанное число полетных циклов; т — время полетного цикла, час. Складывая все затраты в колонках 4 и 5 таблицы 1, разделив на число выполненных при этом полетных циклов (28000 циклов) и продолжительность полета (1,4 часа), получим $125,64 [7]. Добавив к величине Сэр стоимость нового двигателя, отнесенную к одному часу эксплуата-

ции, и стоимость расходуемого топлива за один час работы двигателя, получаем стоимость одного часа жизненного цикла двигателя СБМ56-3 (формула 2)

Си

Сдв + Сд + С

Тц ^

Р + С уд КСт ,

(2)

где Сдв — цена нового двигателя;

Суд — удельный расход топлива;

Ст — цена 1 кг топлива;

Я — тяга двигателя.

Для каждого двигателя существует оптимальная продолжительность работы на крыле самолета (до ремонта). Например, для двигателя РW4000 оптимальное время эксплуатации на крыле составляет 3500...4500 полетных циклов.

Это связано с возможностью ремонта и восстановления структуры и свойств лопаток ТВД. Более длительное время пребывания двигателя на крыле приводит к высокой степени утилизации лопаток [8]. Поэтому очень важно вести точный учет наработки деталей двигателя в эксплуатации в часах и полетных циклах. Ошибка в определении наработки может привести к существенному удорожанию ремонта.

При ремонте лопаток используются методы порошковой металлургии, лазерной и микроплазменной сварки. Ограничения возможности ремонта связаны с трещинами и утонением стенок лопаток.

Восстановление структуры и свойств лопаток производится путем специализированного температурного циклирования. Это позволяет использовать те же лопатки в течение значительно более продолжительного периода работы в составе двигателя. При этом достигается существенная экономия средств. По данным зарубежных источников, восстановление и ремонт 30000 рабочих лопаток может принести экономию до $ 8000000.

Ресурс деталей целесообразно обеспечивать при проектировании таким образом, чтобы замен основных деталей в эксплуатации было по-воз-можности меньше. Планировать замены деталей (не относящихся к основным), ограничивающих ресурс, следует путем совмещения замены с ремонтами двигателей (посещением цеха).

Для того, чтобы избежать вынужденного съема двигателя с крыла из-за окончания ресурса основных деталей, большинство авиакомпаний, эксплуатирующих авиационные ГТД, придерживаются политики «остатка ресурса» (минимального срока службы деталей). Суть дела заключается в том, что большинство деталей, ограничивающих ресурс, вырабатывают свой срок службы в интервале 1500...3000 полетных циклов от своего предельного срока службы.

Например, передний вал ротора ТВД двигателя СБб-50 имеет предел 11500 полетных циклов, но, вероятно, будет утилизирован после 9500...10000 полетных циклов (таблица 2) [8].

Таблица 2 — Стоимости и неиспользуемые остатки ресурсов основных деталей зарубежных двигателей

Двигатель Стоимость основных деталей, млн. $ Неиспользуемые остатки ресурса, цикл

1 Л9Б 2,1 2000

2 PW4000 2,44 2000...3300

3 СБ6-50 2,1 1400...2500

4 СБ6-80С2 2,7 2000.2500

В этом случае обеспечивается снижение стоимости одного часа жизненного цикла двигателя, что увеличивает конкурентоспособность двигателя.

Помимо плановых причин съема (исчерпание запаса по температуре выхлопных газов, восстановление запасов устойчивости КВД, исчерпание сроков службы деталей, ограничивающих ресурс и др.), значительную долю занимают внеплановые.

Внеплановые съемы двигателей могут вносить большие коррективы в схемы ремонтов и замен деталей, ограничивающих ресурс. Количество внеплановых съемов двигателя может составлять 50% от общего числа съемов.

Так, например, для двигателей семейства РW4000 внеплановые причины съема составляют 35...45% от всех съемов.

Для двигателей СБб-50 причиной 25% съемов является исчерпание запаса по температуре выхлопных газов, другие 25% съемов обусловлены необходимостью замены основных деталей, исчерпавших ресурс, а остальные 50% съемов составляют внеплановые съемы [8]. Для повышения экономической эффективности эксплуатации авиационных ГТД необходимо:

— установить с минимальными затратами ресурс деталей двигателя;

— обеспечить оптимальное пребывание двигателя на крыле самолета за одну постановку;

— обеспечить своевременную замену деталей, ограничивающих ресурс (избежать досрочного съема двигателя по причине нехватки ресурса

основным деталям или исчерпания запаса по температуре газа);

— точно определять текущую повреждаемость деталей в часах и циклах в зависимости от условий эксплуатации (автоматизированные счетчики наработки);

— оперативно определять объем работ и необходимые замены деталей при внеплановых съе-мах двигателей;

— с учетом внеплановых съемов вести корректировку объемов работ при последующих ремонтах двигателя, сроков пребывания двигателя на крыле и пр.

Наиболее удобно осуществлять перечисленные работы, используя наземные автоматизированные системы мониторинга эксплуатации двигателей. Одним из существенных элементов таких систем являются алгоритмы подсчета выработанного ресурса [9].

Проведенный анализ оптимальности ресурсов авиационных ГТД позволяет сделать следующие выводы:

1. Существует экономически оптимальный ресурс двигателя для заданных условий эксплуатации.

2. Экономически оптимальный ресурс двигателя может существенно изменяться с изменениями затрат на установление ресурса.

3. Для повышения экономичности эксплуатации двигателей следует использовать наземные автоматизированные системы мониторинга эксплуатации двигателей.

Перечень ссылок

1. Косточкин В. В. Надежность авиационных двигателей и силовых установок / В. В. Косточкин. — 2-е изд. — М. : Машиностроение, 1988. — 272 с.

2. Шереметьев А. В. А. Г. Ивченко — основоположник создания авиационных ГТД большого ресурса / А. В. Шереметьев // Вгсник двигу-нобудування. — 2003. — № 2. — С. 11-14.

3. К. Р. Макконелл Экономикс: принципы, проблемы и политика / К. Р. Макконелл, С. Л. Дрю; пер 16-го англ изд. под ред. И. В. Башниной — М. : ИНФРА-М, 2007. — 940 с.

4. Акимов В. М. Основы надежности газотурбинных двигателей / В. М. Акимов. — М. : Машиностроение, 1981. — 208 с.

5. Ресурсное проектирование авиационных ГТД / [Б. Ф. Балашов, И. А. Биргер, Н. Г. Бычков и др.] ; под ред. И. А. Биргера // Труды ЦИАМ. — М. : ЦИАМ, 1990. — № 1253. — 208 с.

6. Муравченко Ф. М., Шереметьев А. В. О целесообразности эксплуатации авиационных ГТД по техническому состоянию / Ф. М. Му-равченко, А. В. Шереметьев // Вюник дви-гунобудування. — 2003. — № 1. — С. 7-11.

ТЗЗМ1727-0219 Вестник ддвигателестроения № 1/2009

— 39 —

7. Costs Analyse Of The Engines CFM56-3B1/ B2/C1 Maintenance /Aircraft Commerce, The Journal For Commercial Aircraft Business. — Issue № 33. — Feb/March 2004. — Р. 27-33.

8. Шереметьев А. В. Анализ опыта эксплуатации зарубежных ГТД по техническому состоянию / А. В. Шереметьев // Ашацшно-костчна тех-нжа i технолопя. — 2003. — Вип. 40/5. — С. 5-8.

9. Комплекс программно-методических средств для эксплуатационного мониторинга выработки ресурса основных деталей авиационного двигателя Д-18Т / [Д. Ф. Симбирский, А. В. Олейник, В. А. Филяев, и др.] // Авiацiй-но-космiчна технка i технолопя. — 2003. — Вип. 42/7 —С. 96-101.

Поступила в редакцию 12.01.2009

У cmammiрозглянуто факторы, ят впливають на eKOHOMiHHy оптимальтсть величины ресурсу. Наведено визначення вартостi оМе1 години життевого циклу двигуна CFM56-3. Подан необхiднi умови тдвищення економiчноi ефективностi експлуатаци авiацiйних ГТД.

The article provides rationale concerning the factors that affect the economically sound optimum level of aero engine service life. The method to determine one-hour CFM56-3 engine life cycle cost is described. Conditions required to boost profitability of aircraft gas turbine engine run are exposed.