ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА в МАШИНОСТРОЕНИИ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ

Н. Д. Кузнецов

В связи с созданием широкофюзеляжных самолетов с большой пасса - жировместимостью еще более возрастает значение надежности авиацион­ной техники, и в частности двигателей. Повышение уровня параметров двигателей для достижения высокой экономичности связано с интенсифи­кацией всех рабочих процессов. Применение высоких степеней сжатия и температуры газа перед турбиной существенно усложняет обеспечение высокой надежности, выдвигая этот показатель в качестве первосте­пенного.

Надежность закладывается при проектировании, отрабатывается на стадии доводки, обеспечивается в серийном производстве и реализуется в эксплуатации машины.

Важнейший этап — разработка, т. е. проектирование конструкции маши­ны. На рис. 1 представлена схема, поясняющая методологию оптималь­ного конструирования. Главным вопросом является оптимизация основ­ных газодинамических параметров. Поиск оптимума в этой области направ­лен на обеспечение заданных выходных параметров двигателя, в том числе и показателей надежности. Важным моментом в этом процессе является соединение и взаимодействие теоретических исследований и экспериментов.

Конструкторские решения, как правило, принимаются в результате поиска оптимума в многоэкстремальных задачах. При этом учитываются такие подчас противоречивые факторы, как необходимость обеспечения заданных прочностных показателей, выбор материалов с определенными свойствами и технологических процессов с учетом влияния технологичес­кой наследственности.

Один из ответственных этапов — выявление и прогнозирование крити­ческих состояний. К сожалению, в этой области существующие теорети­ческие методы пока еще недостаточно эффективны, и конструктор чаще всего вынужден полагаться на специальные эксперименты. В последнее

Рис. 1. Основные вопросы методологии оптимального конструирования

время большое развитие получили специальные системы диагностирова­ния, позволяющие с большой достоверностью предсказывать возникнове­ние критических ситуаций. Однако возможно проявление и непредсказуе­мых критических состояний, связанных как с несовершенством методов расчета, так и с наличием отклонений при изготовлении деталей и эксплуа­тации машины. На этот случай конструктор обязан предусмотреть спе­циальные системы контроля и защиты.

На современном авиационном двигателе имеется ряд систем, контро­лирующих определенные, жизненно важные параметры и автоматически обеспечивающих защиту двигателя от развития критических состояний.

Методология оптимального конструирования включает в себя также и необходимость максимальной математизации физических процессов. Однако при этом рациональное применение, например, методов теории вероятностей возможно лишь на основе предварительного конкретного анализа рассматриваемых явлений и их закономерностей.

В современных условиях оптимальное конструирование невозможно без использования вычислительной техники. В частности, ЭВМ нашли широкое применение при разработке и внедрении систем автоматизирован­ного проектирования - САПР.

С помощью САПР эффективно решаются многоэкстремальные задачи с учетом термогазодинамических, прочностных, весовых и технологических требований. По целому ряду деталей с помощью САПР уже сейчас выпус­каются рабочие чертежи.

Однако практика показывает, что даже оптимально спроектированный двигатель все же требует длительной доводки. Причина заключается прежде всего в наличии ряда проблем, возникающих при проектировании. Требо­вание резкого повышения параметрического совершенства двигателей приводит к появлению новых, более высоких уровней внешних условий и воздействий. Для реализации этого требования необходимо находить принципиально новые конструкторские решения.

Несовершенства и недостатки спроектированного двигателя часто воз­никают из-за отставания развития прикладных наук от уровня развития техники. Это относится к конструкционной прочности, газодинамике, теории горения и другим отраслям знаний. Отсюда возникают проблемы достоверности и возможности выполнения расчетов.

Имеются также трудности с определением качества выполненных проект­ных работ, связанные с отсутствием четких критериев оценки, наличием довольно большого объема новых технических решений в проекте.

На рис. 2 перечислены основные проблемы достоверности и возмож­ности выполнения расчетов при проектировании. Из рисунка видно, что в каждой области имеются показатели, которые либо не поддаются расчету, либо рассчитываются с недостаточной достоверностью.

Рассмотрим в качестве примера область газовой динамики, в которой не поддаются расчету газодинамическая устойчивость компрессоров, авто­колебания и вращающиеся срывы, эксплуатационные влияния и помехи. Достоверность расчетов снижают такие факторы, как многорежимность и широкий диапазон внешних условий, ограничения и упрощения расчет­ных схем, узкий диапазон правомерности моделирования.

Отсюда появляется возможность возникновения отказов, дефектов и

53

других недостатков опытного двигателя, которые приходится устранять в процессе продолжительной и дорогостоящей доводки (рис. 3).

Испытанию полноразмерных двигателей предшествуют испытания на специальных установках для отдельных деталей, узлов и систем по отработ­ке прочности газодинамических процессов, процессов горения и регули­рования. От полноты и качества этой ’’поузловой” отработки в значи­тельной степени зависит эффективность отработки полноразмерного двигателя.

Таким образом, подавляющее число дефектов опытного двигателя — это дефекты прочностного характера. Поэтому особое внимание уделяется обеспечению конструкционной прочности на основе рационального выпол­нения конструирования, расчетов на прочность, выбора материалов и технологии изготовления, а также учета эксплуатационных факторов.

С этой целью при конструировании производится выбор силовой схемы, предусматривается резервирование и дублирование наиболее ответствен­ных элементов, а также разрабатываются системы защиты и контроля. Важно яри этом обеспечить однозначность положения деталей в работаю­щем двигателе, а также предусмотреть мероприятия по снижению пере­менных напряжений для максимально возможного исключения дефектов усталостного характера.

Как видно из сказанного, работоспособность машины определяется одновременным влиянием большого количества факторов, имеющих под­час противоречивый характер. В этих условиях разрешение противоречий является основным методом работы. При этом следует учитывать все фак­торы, которые могут привести к снижению работоспособности машины на стадиях проектирования, производства и эксплуатации.

При определении расчетной работоспособности необходимо принимать во внимание такие факторы, как свойства материалов, изменение условий в процессе работы, ресурс машины, а также несоответствие условий рабо­ты принятым в расчете. Фактическая работоспособность определяется дей­ствующими факторами нагружения, однозначностью и стабильностью схем нагружения, наличием и накоплением остаточных явлений, последствиями функциональных нарушений, а также погрешностями в эксплуатации. При этом потребная работоспособность машины может быть задана как коэф­фициентом запаса, так и предельными значениями или диапазоном ее зна­чений.

Этап доводки двигателя более трудоемкий и продолжительный по вре­мени, чем этап проектирования, и характеризуется большим напряжением в работе. Доводка — это период неудач и успехов, проявления острых эмо­ций, оправдавшихся надежд и разочарований, неожиданных трудностей, пора ’’загадок” и ’’открытий”, провалов и радостных находок, переоценки некоторых ’’умных” идей и замыслов и иногда открытие истины в простых решениях, забытых, отвергнутых ранее. Чем выше уровень параметров, определяющих напряженность, чем больше новых конструкторских реше­ний, тем труднее и напряженнее процесс доводки. При этом необходима хорошая организация и система работы по обеспечению надежности.

Важными элементами этой системы являются точность и своевремен­ность информации об отказах и дефектах, своевременность их разбора, регламентированные сроки на все виды работ по их устранению, строгая

индивидуальная и коллективная ответственность за устранение дефектов. Каждый выявленный дефект записывается за конкретным исполнителем или группой исполнителей, и ведется непрерывный контроль за их деятель­ностью по устранению дефектов. Сборка машин запрещена без мероприятий по устранению дефектов, лимитирующих испытание.

По мнению автора, каждый дефект, отказ, недостаток имеет строго детерминированную причину или совокупность причин, а их проявление (время и условия) носит вероятностный характер.

В соответствии с описанной выше системой любой недостаток конструк­ции и технологии, выявленный при доводке, не остается без исследования причин его возникновения и без внедрения необходимых мероприятий по устранению дефектов. Стендовая отработка базируется на проведении экспериментальных, длительных, эквивалентных и специальных испытаний. Демонстрация надежности двигателя производится по согласованным программам.

Необходимо заметить, что доводка и отработка надежности — это довольно длительный и трудоемкий процесс. Опыт показывает, что при создании нового двигателя на испытания затрачивается 11 ООО—16 ООО газо - часов, наработанных в 180—230 испытаниях.

В завершающей стадии отработки двигателя, когда получены все основ­ные характеристики, определяющие технический уровень, проверена дли­тельными испытаниями надежность двигателя на установленный ресурс и таким образом определена окончательная компоновка двигателя, проводит­ся обширная программа специальных испытаний (более 50 различных ви­дов). К составлению, рассмотрению и утверждению методик таких испыта­ний привлекаются отраслевые институты и эксплуатирующие организации. На выполнение этих испытаний затрачивается несколько тысяч газочасов.

В основном такие испытания подразделяются на четыре группы:

1. Определение вибрационного состояния деталей, узлов и двигателей в целом; оценка вибрационных напряжений в различных деталях, а также уровня вибраций корпусов, критических скоростей вращения, крутильных и высокочастотных колебаний, автоколебаний; испытания на резонансных оборотах.

2. Исследование работоспособности систем двигателя: топливной и масляной, запуска, противообледенения, противопожарной, блокировок, защиты и др.

3. Термометрирование ответственных узлов и деталей: камеры сгора­ния, турбины, опорно-упорных подшипников, элементов топливной систе­мы, маслосистемы; оценка термостабильности топлива и масла; определе­ние поля температур перед турбиной.

4. Проверка эксплуатационных характеристик и надежности двигателя. Сюда относятся испытания газодинамической устойчивости компрессора, устойчивости процессов горения, по оценке влияния отборов воздуха, испытания в условиях максимальных и минимальных окружающих темпе­ратур, проверка на надежность основных узлов и двигателя в целом, оценка летно-эксплуатационных характеристик в термобарокамере и на самолете.

К специальным видам испытаний относится проверка двигателя при попадании на вход птиц, льда и др. При испытаниях в двигатель забрасыва­ют предметы, имитирующие крупных птиц весом не менее 1,8 кг, средних 56 птиц весом 0,3—0,4 кг, одновременно 2—3 шт.; мелких птиц весом 0,03 кг, одновременно 50—70 шт. При этом имитируются условия встречи птиц с самолетом на взлете и до высоты 2500 м и относительной скорости до 400 км/ч, поэтому заброс предметов производится при помощи специальной пневматической пушки. Также производится заброс льда с размерами кусков 10X30X75 мм, одновременно 10—15 шт.; града с диаметром градин до 50 мм, одновременно до 20 шт. на 1 м2 площади входа; ливне­вого дождя с диаметром капель до 2 мм и суммарным весом воды до 50 г на 1 м3 расхода воздуха; песка с размером частиц от 0,1 до 2 мм в количестве 0,8 г на 1 м2 расхода воздуха; щебня; кусочков бетона; мелких металлических предметов.

Большое значение придается обеспечению технологической надежности опытного двигателя. При испытании натурных узлов и двигателей в целом, наряду с конструктивными дефектами, выявляются и производственные дефекты, связанные с недостатками технологии и ее исполнения.

Первым условием технологического процесса является обеспечение требований чертежа по геометрическим размерам и выполнение условий сохранения свойств материала. При этом должны быть выбраны опти­мальные режимы обработки, тип и характеристика оборудования и инструмента, а также определены необходимые контрольные опера­ции, разработаны средства контроля для получения достоверных результатов.

Для предотвращения появления производственных дефектов важная роль отводится опережающим исследованиям и отработке технологических процессов для обеспечения соответствующих запасов в целях необходимого снижения отрицательного влияния технологических факторов. Это дости­гается выбором рациональных методов и режимов отработки, применением упрочняющих методов обработки, а также поиском принципиально новых методов обработки. Большое значение приобретают методы неразрушаю­щего контроля как на стадии проведения технологических операций, так и при окончательном изготовлении деталей, а также в условиях их службы в конструкциях в целях оценки исчерпания запасов работоспособности.

Технологическая ’’наследственность” имеет место практически при при­менении любого способа обработки и сопровождается такими сопутствую­щими явлениями, как изменение микро - и макрорельефа, появление не - сплошностей и остаточных напряжений, образование наклепа, изменение фазового и структурного состава, возникновение новых химических соеди­нений, внедрение инородных веществ и элементов, изменение исходного химического состава и геометрической формы, развитие анизотропии свойств.

При выполнении технологических процессов необходимо исключить появление вредных остаточных напряжений растяжения, а также не допус­кать нарушений требований к состоянию поверхности.

На рис. 4 показано влияние технологических факторов на выносливость титановых лопаток компрессора, откуда видно, что подбором вариантов технологии механической обработки выносливость пера лопаток может быть увеличена с а_t — 16^-22 до 65—70 кг/мм2.

При применении операций фрезеровка + шлифовка + полировка на по­верхности пера лопатки наводятся остаточные напряжения растяжения,

57

достигающие у поверхности значений до 40 кг/мм2. Вследствие этого на пере лопатки появляются усталостные трещины (рис. 4, в). Исключение операции шлифовки уже позволяет получить на поверхности пера напря­жения сжатия и повысить усталостные свойства. Применяя операции фре­зеровка + полировка + обдувка гидродробью, можно довести напряже­ния сжатия на поверхности пера до уровня 40 кг/мм2 на глубину 0,2 мм2 с повышением выносливости пера в 2—2,5 раза. Методы упрочнения позво­ляют также повысить контактную выносливость ножек лопаток из сплава ВТ-8.

Механизм влияния остаточных напряжений на предел выносливости наглядно виден из диаграммы Хэя (рис. 5).

При работе детали даже при незначительной амплитуде напряжения оа вследствие добавления к рабочему растягивающему статическому напря­жению пст остаточного растягивающего напряжения оост на поверхности возникает и развивается усталостная трещина.

На рис. 6 показана схема полого вала турбины, на внутренней поверх­ности которого вследствие несовершества технологии и ее исполнения имелись риски, дробления, надиры, включения материала резца, уступы. Дефект был устранен шлифованием цилиндрических и полированием конических поверхностей, внедрением пневмодробе струйной обработки наружной и внутренней поверхностей, а также улучшением контроля.

Методы поверхностно-пластической деформации (ППД) в ряду случаев могут быть использованы для повышения прочности деталей, работающих при малоцикловом нагружении. Анализ результатов испытаний образцов из сплава ЭИ698ВД, обработанных микрошариками (материал UIX-15, 0160—200 мкм, v = 70 м/с, t = 3 мин), показал, что упрочнение обеспечи­вает задержку зарождения и развития усталостной трещины.

Упрочнение деталей методами ППД широко применяется при изготов­лении двигателей для самолетов Ту-154, Ил-62, Ил-86. Для упрочнения око­ло 60% всех деталей используются такие методы, как гидродробеструйный, пневмодробейструйный, пневмодинамический, обработка микрошариками, алмазное выглаживание, раскатывание. Этими методами упрочняется 94% деталей компрессора, 90% трубопроводов, 46% деталей турбины и 14% остальных деталей. Методы ППД позволяют обеспечить повышение предела усталостной прочности деталей в 1,5—2 раза, износостойкости и контакт­ной выносливости в 2—4 раза, ликвидировать вредные концентраторы напряжений от механической обработки и в конечном итоге повысить надежность деталей и ресурс двигателя.

Применение при изготовлении деталей авиадвигателей прогрессивных технологических процессов является важным резервом достижения высо­ких служебных свойств. Так, например, переход на отливку лопаток турби­ны методом направленной кристаллизации позволяет увеличить ресурс их работы в 2-2,5 раза. Еще больший выигрыш дает изготовление лопаток с монокристальной структурой.

Как уже отмечалось, большую часть прочностных дефектов составляют дефекты, связанные с переменными нагрузками. Значительное число дета­лей авиационного двигателя подвергается воздействию широкого спектра

переменных возбуждающих нагрузок, возникающих от окружной неравно­мерности газовых сил, неуравновешенности роторов, пульсации давления, динамических нагрузок в зацеплении, кинематической передачи возбужде­ния, срывов вихрей, автоколебаний и др. Существующая тенденция роста нагрузок на детали также способствует повышению уровня вибровозбужде­ния. Это требует разработки специальных мер борьбы с вибрацией, вклю­чающих уменьшение уровня возбуждающих сил, частотную отстройку, увеличение вибропрочности, изменение форм колебаний, амортизацию и демпфирование.

Рассмотрение резонансной диаграммы рабочих лопаток показывает на­личие густого спектра собственных частот и частот возбуждения, что, есте - 60

ственно, затрудняет частотную отстройку. В этом случае эффективными являются конструктивные методы демпфирования рабочих лопаток (см. рис. 7).

Особенно эффективно применение бандажной полки, влияние которой на вибрационные напряжения в рабочей лопатке турбины показано на рис.8. На лопатках с бандажной полкой замеренные вибрационные напряжения в 4 раза меньше, чем на лопатках без полки и, кроме того, отсутствуют колебания с частотой основного тона (/0 = 940 Гц, /, = 1520 Гц).

Широко применяются также демпфирующие опоры для трубопроводов. Практика показывает, что демпфирующие опоры позволяют снизить уро­вень напряжений в трубопроводах в 4—5 раз.

На рис. 9 показаны конструктивные мероприятия по демпфированию лопаток направляющих аппаратов на основе применения демпфирующих втулок из металлорезины, демпфирующей стальной ленты, пластинчатых демпферов. Эти мероприятия позволяют снизить уровень максимальных напряжений в лопатках в 2 раза (см. также табл. 1—3).

Используются также новые методы и средства отработки надежности деталей и узлов, в том числе для исследования процессов многофактор­ного нагружения. В качестве примера на рис. 10 показан стенд для термо­вибрационных испытаний лопаток при рабочих температурах и нагрузках.

Широкое применение находит голографический метод поузловой от­работки прочности и надежности (рис. 11), который позволяет по интер - ферограмме, полученной на натурной детали, определить распределение напряжений. Как видно из рисунка, этот метод дает хорошую сходимость с данными тензометрирования; он применяется для исследования лопа­ток, шестерен, дисков, створок реактивного сопла, трубопроводов.

Перспективной является киноголографическая установка для иссле­дования колебаний вентилятора на работающем двигателе (рис. 12).

Важный этап работы — обеспечение надежности в серийном производ­стве. В этой работе должно быть предусмотрено участие разработчика в освоении серийного производства образцов, внедрение директивных тех­нологических процессов, определение особо важных операций, исследова­ние обеспечения надежности технологических процессов, а также осуще­ствление авторского контроля. При этом должна быть четко организо­вана работа по анализу недостатков серийных изделий с соответствую­щей информацией и разработкой планов совместных исследований реше­ний по дефектам.

При проектировании и доводке нового двигателя должны быть преду­смотрены мероприятия по обеспечению прочности машины при большом ресурсе (рис. 13). При этом анализируются и учитываются такие показа­тели и процессы, как статическая напряженность, температура и темпера­турные напряжения, общие вибрации и переменные напряжения в деталях, выносливость деталей, обнаружение неисправностей и предупреждение критических состояний, стабильность производства узлов и деталей.

При отработке надежности двигателя на большой ресурс широкое при­менение получили ускоренные испытания. Очень важны при этом конт­роль и поддержание надежности двигателей в эксплуатации. Наращивание ресурса двигателей при сохранении требуемого уровня безотказности обес­печивается за счет резервов, заложенных при проектировании, развитой системы контроля, диагностики и технического обслуживания с пере­ходом на эксплуатацию по техническому состоянию.

В качестве примера можно привести систему диагностики состояния двигателя в эксплуатации. При этом бортовой регистратор фиксирует на земле и в полете параметры двигателя, относящиеся к газовоздуш­ному тракту, к топливной и масляной системам и системе автоматического регулирования, а также дает сведения о вибрационном состоянии двига­теля (рис. 14). На основе этой информации в аэропорту производится статистическая обработка, оценка и прогнозирование технического состоя­ния по специальным согласованным методикам. На очереди — внедрение бортовых систем обработки информации и оценки технического состоя­ния, повышающих оперативность принимаемых решений.

Для дальнейшего развития научных основ обеспечения надежности машин важное значение имеет комплексное использование достижений фундаментальных и прикладных наук (рис. 15), что позволит по резуль­татам Глубокого изучения и анализа отмеченных процессов и явлений рас­крывать их закономерности и в конечном итоге создавать изделия с заранее заданными показателями надежности,

/7 027// V 0 0 7/ £ 0 027 0 0 /7 /2 Af 77

0/700 /77/0707/7/0

Фундаментальные науки

Анализ физико-химических процессов и явлений

Статистика и обобщение

Поиск и раскрытие законо­мерностей

Математизация процессов явлений, наблюдений

Изменение условий и взаи­модействия

Рис. 15. Научные и технические основы обеспечения надежности