автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Контроль и нормирование параметров авиационного двигателя большого ресурса для многоцелевого самолета

На правах рукопяод

2 7 АВГ 2009

КОНТРОЛЬ И НОРМИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ БОЛЬШОГО РЕСУРСА ДЛЯ МНОГОЦЕЛЕВОГО САМОЛЕТА

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательньга аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2009

003475724

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре авиационных двигателей.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

доктор.технических наук, профессор Гумеров Хайдар Сагятовнч

доктор технических наук, профессор Куликов Геннадий Григорьевич кандидат технических наук Гребенюк Геннадий Петрович

Ведущее предприятие:

НТЦ им.А Люльки

. Защита состоится « 2-5 » огиг^Т^Д 2009 г. в Ю час на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете (450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12, УГАТУ).

С диссертацией • можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета

Автореферат разослан «_ 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета.

доктор технических наук, профессор Ф.Г. Бакиров

X;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы; Состояние отечественного двигателестроения и мер, направленных на вывод авиационного комплекса в целом из затянувшегося кризиса с конца 80-х годов, предполагают решение ряда задач с помощью реализуемой в настоящее время федеральной целевой программы в рамках приоритетных направлений политики Российской Федерации в области авиационной деятельности. При осуществлении данной программы «предусматривается развитие экспериментальной базы и методов экспериментальных исследований авиационной техники».

В современных экономических условиях весьма остро стоит проблема обоснованного использования «потенциального» ресурса авиационных двигателей, эксплуатируемых по стратегии технического обслуживания по наработке (с контролем уровня надёжности). Наличие «потенциального» ресурса, подтверждённого данными длительных испытаний двигателей, отработавших назначенный ресурс в эксплуатации, создаёт предпосылки к переходу на стратегию технического обслуживания и ремонта-по состоянию при сохранении су-ществбвавшего уровня контролепригодности, что предполагает использование соответствующей сервисной технологии по сопровождению двигателя в эксплуатации. Эксплуатация двигателя с контролем параметров, с учётом вида режимов работы и условий полёта на конкретном самолёте, с учётом тенденций взаимосвязей параметров, характерных для всего парка определённого типа двигателей, позволяют объективно реализовать методы оценки технического состояния двигателя по изменению параметров рабочего процесса и, тем самым, улучшить интегральные характеристики двигателя.

Эксплуатация по состоянию требует определённого уровня контролепри-годностй, в том числе по параметрам рабочего процесса, и совершенствования всей Системы технической эксплуатации. Однако контролепригодность двигателей на летательном аппарате (ЛА) в эксплуатации недостаточна - мало прямых измерений.

Наиболее полная информация о серийном двигателе характерна для приемо-сдаточных испытаний на стенде завода-изготовителя. В этих условиях и формируется первоначальная взаимосвязь различных термогазодинамических (ТГД) параметров (по результатам сборки и отладки параметров), отражающих качество проточных частей серии двигателей, то есть «технологическую, наследственность» по параметрам рабочего процесса. Необходимо исследование этой взаимосвязи параметров рабочего процесса серийных авиационных газотурбинных двигателей, позволяющей решать прикладные задачи оценки технического состояния проточной части двигателя на-различных этапах жизненного цикла с целью продления срока эксплуатации каждого двигателя.

Тема диссертации, посвященная оценке технического состояния проточной части авиационного ГТД на основе исследования статистической взаимосвязи параметров рабочего процесса серии новых двигателей для различных

режимов работы, а также оценке неслучайного изменения этой взаимосвязи при цоследовательном переходе в последующие эксплуатационные состояния (самолёт, ремонт и т.п.) является актуальной и соответствует современным требованиям, предъявляемым к газотурбинным двигателям с целью поддержания высокого уровня их эксплуатационной надёжности.

Объектом исследования являются серийные авиационные ТРДД(Ф)см АЛ-31Ф и АЛ-31ФП. В настоящее время в серийное производство и эксплуатацию внедряются современные модификации двигателя АЛ-31Ф (изделия "117С" и "117"), имеющие схожие газо-воздушные тракты и системы автоматического управления. Это позволит распространить разработанные в диссертации решения и методики оценки технического состояния на вновь разработанные и внедряемые двигатели.

Актуальность темы исследований отвечает «Основам политики Российской Федерации в области авиационной деятельности на период до 2010 года» и федеральной целевой программе «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 годы и на период до 2015 года».

Цель работы. Разработка алгоритмов и методики оценки технического состояния авиационного ГТД за счет контроля и нормирования параметров рабочего процесса в процессе выработки ресурса с целью повышения надежности двигателя, эксплуатируемого по состоянию.

Основные задачи исследования состоят в следующем:

1. Исследование влияния факторов эксплуатации на состояние двигателя и точность его оценки по параметрам рабочего процесса на установившихся режимах работы в изменяющихся условиях выработки технического ресурса

2. Разработка многомерной вероятностно-статистической модели с целью обеспечения контроля параметров двигателя на различных режимах работы

3. Разработка алгоритмов и методики оценки технического состояния двигателя при стендовых испытаниях по контролируемым параметрам рабочего процесса.

Объектом исследования являются серийные авиационные двухвальные ТРДЦсм(Ф) АЛ-31Ф и АЛ-31ФП.

Метод исследования расчётно-эксперйментальный с привлечением статистических данных испытаний ГТД в различных состояниях, теории воздушно-реактивных двигателей, теории испытаний двигателей, технических условий и программ испытаний и исследований авиационных газотурбинных двигателей.

Основные результаты исследования, выносимые на защиту:

1. Выявленное влияние факторов эксплуатации на Состояние двигателя в целях контроля и нормирования его параметров:

• изменение параметров при отклонениях температуры воздуха на входе двигателя от стандартных условий, позволяющее повысить точность отладки и контроля параметров двигателя

• закономерность изменения параметров двигателя в процессе ресурсных испытаний, позволяющая выполнять оперативную оценку и нормирование тех-

нического состояния и принимать решения об условиях продолжения испытаний

• особенности программы регулирования, влияющие на параметры рабочего процесса и точность их оценки.

2. Предложения по совершенствованию методики отладки параметров при ПСИ на основе вероятностно-статистической модели, позволяющие существенно повысить качество и надежность серийных (и вновь создаваемых) двигателей за счет целенаправленного сокращения рассеивания их параметров

3. Алгоритмы, методики и критерии оценки состояний проточной части двигателя в процессе стендовых ресурсных испытаний

Научную новизну диссертационной работы представляют:

1. Новая форма оценки закономерностей влияния факторов эксплуатации, присущих серийным двигателям, в условиях изменяющихся внешних условий й технического состояния двигателя в процессе выработки (и восстановления) технического ресурса;

2. Впервые разработанные методы вероятностно-статистических исследований, позволившие существенно повысить точность контроля и нормирования параметров двигателя на различных режимах в условиях ограниченной точности прямых и косвенных измерений;

3. Новые метод, алгоритмы и критерии оценки состояния двигателя, применительно к процессу стендовых ресурсных испытаний, по контролируемым параметрам рабочего процесса.

Обоснованность и достоверность результатов исследования обеспечивается :

• верификацией методов на основе статистических данных испытаний двигателей АЛ-ЗТФ и АЛ-31ФП в различных состояниях жизненного цикла;

• . предварительной обработкой данных испытаний (исключение грубых промахов, приведение к САУ), сопоставлением результатов расчётов со статистическими данными представительных выборок;

• использованием современных гибких программных комплексов и созданием на их основе математических моделей рабочих процессов двигателей произвольных схем, отражающих их'особенности.

• использованием современной многоканальной системы регистрации параметров двигателей при испытаниях, обеспечивающей высокий уровень объективности и полноты информации.

Практическая значимость. Проведённые исследования позволили создать методическое обеспечение для повышения эффективности контроля состояния двигателей типа АЛ-31Ф и нормирования параметров рабочего процесса на различных этапах жизненного цикла, обосновать методы и реализующие их программные средства, обеспечивающие оценку технического состояния проточной части двигателя при изменяющихся состояниях параметров рабочего процесса.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях, в том числе: РНТК «Проблемы современного машиностроения», Уфа, УГАТУ, 2004 г.; Ш РНТК молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной годовщине образования ОАО "УМПО", Уфа, УМПО, 2007 г.

Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались на НТС кафедры «Авиационные двигатели» УГАТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 печатные работы, в том числе 2 статьи и 2 материала докладов на Всероссийских научных технических конференциях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов работы, списка литературы (72 наименования),

Основная часть работы содержит 134 страницы, 60 рисунков, 21 таблица.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируется задача исследования, отмечается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, даётся краткая характеристика диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу стратегий повышения ресурса серийного авиационного ГТД и экономическому эффекту от перерхода на эксплуатацию по техническому состоянию (ЭТС) двигателей АЛ-31Ф.

Анализ различных стратегий повышения ресурса выявил необходимость выполнения следующих условий для перехода к ЭТС: . • стабилизация конструкции двигателя,

• стабилизация производства двигателя,

• стабилизация эксплуатации, обслуживания,

■ введение норм на допустимые повреждения, ■

- отработанность эксплуатационных норм на параметры;

• отработанность технологических процессов ремонта на авиаремонтных предприятиях,

• систематическое продолжение ресурсной циклической наработки для обеспечения повышения ресурса.

Производство и опыт эксплуатации двигателей АЛ-31Ф и АЛ-31ФП удовлетворяет вышеперечисленным условиям, что позволяет эксплуатировать их по техническому состоянию.

Переход к эксплуатации двигателей АЛ-31Ф и АЛ-31ФП по техническому состоянию также обусловлен экономическим эффектом, который составит 2870 тыс.рублей при затратах на проведение комплекса работ по определению возможности увеличения срока службы в размере 290 тыс.рублей на каждый двигатель.

Однако, для перехода к ЭТС необходимо решить проблему создания и

адаптации диагностических средств для непрерывного мониторинга оценки технического состояния как всего парка двигателей, так и индивидуально каждого двигателя на всём протяжении жизненного цикла. Для создания диагностических средств необходима разработка методики контроля и нормирования параметров рабочего процесса авиационного двигателя в процессе длительной наработки.

. Во второй главе рассмотрены различные программно-аппаратные комплексы (ПАК) анализа технического состояния двигателя в эксплуатации. ПАК осуществляют сбор и хранение информации всего жизненного цикла двигателя: результаты серийных и специальных испытаний, данные серийной эксплуатации и специальных проверок. Далее ПАК осуществляет анализ собранной информации и принятие решения о техническомсостоянии двигателя.

Для разработки ПАК двигателя необходимо выполнить большой комплекс исследовательских действий: усовершенствовать систему сбора, анализа информации, принятия решения; собрать сведения из эксплуатации; обработать эти сведения на полную глубину; собрать сведения о ремонте; определить "узкие места" и дать задание конструкторам, технологам, эксплуатационникам на их устранение; собрать сведения о результатах специальных проверок в эксплуатации; организовать анализ результатов специальных проверок, разработку новых средств; организовать разработку новых программ эквивалентных циклических испытаний на основе предыдущего опыта; организовать разработку положения об инспекциях для обеспечения ЭТС.

Существующий. ПАК анализа технического состояния двигателя АЛ-31ФП в эксплуатации (АРМ ДК, ИДС "ДОЗОР") регистрирует эксплуатационные параметры и дискретные сигналы в объеме, достаточном для перехода к эксплуатации по техническому состоянию. Однако, существующая система оценки'соответствия, параметров двигателя нормам ТУ не соответствует стратегии ЭТС, т.к. не позволяет отслеживать тренды изменения параметров по наработке. Для этого необходимо разработать и внедрить алгоритмы и методики оценки технического состояния авиационного ГТД по параметрам рабочего процесса в процессе выработки ресурса.

В третьей главе исследованы конструктивные особенности объекта исследования (двигателя АЛ-31ФП), выделены основные режимы контроля при проведении длительных испытаний и измеряемые параметры на этих режимах, а также влияние конструктивных отличий модификаций двигателя АЛ-31Ф на параметры рабочего процесса.

Для построения адекватной ММ двигателя и определения его технического состояния необходима.идентификация режимов работы. Из регламента длительных испытаний двигателя АЛ-31ФП выделены следующие режимы работы:

- Боевые: ФП, ФМ, М.

- Учебно-боевые: ФП, ФМ, М.

- Крейсерские: п2физ=93,92,90,84,79% и п2пр=92%.

При идентификации режимов учитываются ряд факторов:

- загрузка агрегатов;

- отбор воздуха;

- включение противообледенительной системы (ПОС);

- работа на основной или дублирующей системе управления, наработка на режиме и общая наработка.

В сложных технических объектах, каковым, несомненно, является авиационный газотурбинный двигатель, интегральные свойства формируются на основе множества частных характеристик его составных частей. В этих условиях оценка эффективности небольших конструктивных или технологических изменений становится труднейшей задачей. Например, сравнение характеристик регулируемого реактивного сопла ТРДЦФсм осесимметричной схемы и схемы с управляемым вектором тяги (АЛ-31Ф и АЛ-31ФП) В таблице 1 представлено различие параметров двух модификаций (двигатель ФП по отношению к двигателю Ф).

Таблица 1.

Режимы Дщ,% ■■' ДЙ2, % ДК,кгс ДСц, кг/кгсЧ . ДТ'г.К Двт. кг/ч ДО,,, кг/с

Режим М 0,2.7 , 0,05: -5 . 0,015 19,6 118,5 0,05

Режим Ф 0,27 ; 0,2 7 -164 0,027 1&;2 -39,9 0,05

Азгл дт'„,. к ДР\.кПа ДР'«,хПа ЛР'т.кПа Дт ¡Дй'юй'. Ля*« ■■

0,011 10,84 ■ -2,78 1,34 -0,723 0,018 0,005 -0,034

-0,03 8,47 -3,64 -од 1,105 0,021 -0,002 -0,034

В результате проведенного анализа отличий двух модификаций были получены следующие результаты:

• различные 'режимы.работы двух модификаций двигателя могут быть описаны единой математической моделью;

• для описания параметров двигателя модификации ФП достаточно внести в математическую модель двигателя Ф учёт утечек газа в механизмах поворота реактивного сопла. Величины этих утечек равны: для режима М -0,39%, для режима Ф -1,5%;

• модель режима Ф учитывает дополнительный отбор мощности на привод насоса форсажного топлива.

Проведенное исследование позволяет, построить математическую модель двигателя АЛ-31Ф, необходимую для разработки методики оценки технического состояния и нормирования параметров.

В четвёртой главе описано построение математической модели рабочего процесса среднестатистического двигателя АЛ-31Ф на основных контролируемых в процессе ресурсных испытаний режимах: '

- максимальном М;

- полного форсажа ПФ;

- крейсерских (бесфорсажных) режимах.

В качестве расчётного режима принят режим ПФ при Н = О, М = 0, САУ.

В таблице 2 приведены расчетные данные двигателя на режиме ПФ в

сравнении с данными испытаний.

Модель соответствует среднестатистическим значениям параметров, контролируемых в серийном производстве. Позволяет контролировать параметры в процессе ресурсных испытаний с учетом технического состояния. Математическая модель учитывает конструктивные особенности модификаций двигателя и загрузки агрегатов.

Таблица 2.

Параметры Стат-ка СКО Расчет по ММ 5, %

Пич» % 98,10 0,384 98,10 0

П2гар. % 99,48 0,237 99,48 . 0

ИвсрИХ 12486 59,22 12485 0,008

Сю*],, кг/кгс-ч 1,91 0,025 1,91 0

ж* Ор 1 япкр, ^ . 787 11,17 785,4 0,2

Ощср, кг/с 112,66 • 0,33 112,66 0

я Й 6,95 . 0,103 6,954 0,057

Т гпер» К 1620,9 16,37 1620,9 0

Щхр 0,63 0,028 0,63 0

Я хявер 3,53 ' 0,037 3,53 0

Я вир 22,02 0,29 22,02 0

Ры.™2 • . 302,74 0,61 302,7 0,013

^СМ2 909,6 3,19. 909,6 0

<Х2иер 1,14 - 1,138 0,175

- 0,48932 -

Проведя статистическую обработку данных испытаний и руководствуясь технологическим процессом проведения ПСИ, было восстановлено реальное протекание дроссельной характеристики двигателя. Полученная таким образом характеристика соответствуют математической модели нулевого уровня.

При построении характеристик учитывались только экспериментальные данные, соответствующие установившимся бесфорсажным режимам работы (выдержка на режиме не менее 30 секунд). Кроме того в обработке участвовали только значения параметров, измерение которых проводилось при температуре окружающей среды, близкой к 15°С.

Рисунок 1 - Зависимость Тт. „р = Дп]Пр)

На. полученных характеристиках возможно выделить особенности системы регулирования: основную и резервную систему управления ВНА, охлажде-

ния турбины, управления соплом. Эти дроссельные характеристики позволяют получить надежные зависимости для оценки изменений технического состояния двигателя.

Руководствуясь методикой обработки параметров двигателя, используемой в серийном производстве, и результатами ресурсных испытаний проводившихся в широком диапазоне температур от -30°С до +30°С, были получены линии пересчета соответствующие наиболее нагруженным бесфорсажным режимам работы (М, пг физ = 95 %, 93 %, 92 %).

На рисунке 2 в качестве примера приведена зависимости т пр =Яп\ пр) с линиями пересчета основных режимов. Линии пересчета остальных параметров имеют аналогичный вид. Как видно из рисунка эта линии пересекают базовую дроссельную характеристику под определенными углами. Легко заметить, что на режиме «М» линия пересчета состоит из двух прямых расположенных под разными углами к базовой дроссельной характеристике. Это объясняется тем, что на данном режиме в зависимости от температуры окружающей среды двигатель работает на разных законах регулирования, включая изменение п т при 7н > 288 К. Так как на дроссельных режимах двигатель работает на одной программе регулирования (FKv — const при п2 пр = const), то углы между базовой характеристикой и линиями пересчета на этих режимах можно принять равными между собой.

172яр,

%

| ! y-

; ! ! I

' j_ _L J L i'" i

1 ! ! i 1 i

i ! ! ' Г L

j ! i ¿'is 1

; 1 i ! ir,--

1 i ;

i 1 1 !

i rZ&f i i ;

I i

|

1 . i_____

! Г

i

96

98

100

е Режим "М" • Режим *1Йфнз=93%"

-Дроссельная .характеристика при ta=15C

----Линия пересчета режима "95%"

----Линия пересчета режима "92%"

• Режим *л2ф|3=95%" Ш Режим "г.2ф|з-92Уа'

----Линия пересчета режима "М"

----Линия пересчета режима "934"

102 104

п !яР, %

Рисунок 2 - Зависимость п2 пр =Апi пр) с линиями пересчета основных режимов

При проведении пересчета с помощью полученных прямых необходимо учитывать ггере-ходы с одного участка кусочно-линейной модели на другой, для чего в формулы пересчета параметров введено размерное значение тангенса угла наклона линии пересчета, соответствую-щего участку, которому принадлежит И] Пр - +

у

А v м

Л р

у

i-

гТ 1

1

1

Основным положением контроля параметров любого экземпляра серийного двигателя является проверка соответствия его параметров среднестатистическому двигателю с учетом характерного, определенного по статистн-ческим данным, рассеивания параметров: среднеквадратичес-кого отклонения и заданного интервала довериительной вероятности, например р=0,995, чему соответствует при нормальном распределении Рисунок 3 величина 2,5 ст.

При таком подходе определенную трудность представляет получение истинной величины ст для измеряемых параметров, учитывая ошибки измерений и обработки параметров, во-первых, а во-вторых, учет изменения величины а по режимам работы.

В результате проведенного исследования были получены результаты, представленные в таблице 3.

• Контролируемый раиим Сн=15С)

-Бээоваядросселыия яракгеристикэ

--Ляжя пересчета контрол^уемого режиме

Положение углов и Л/?

Таблица 3.

8G, 5Ч щ 0(г.,„д &Ч кед 5п'т.д Бт| „, 5FC 6Rc

0,408 0,763 1,308 2,955 0,964 0,992 0,808 0,72

Способ идентификации LP, HP.T5 1ЛР,НР, T5 LP LP, НР,Т5 НР НР НР НР

СТосп % 0,37 0,48 0,83 0,99 0,78 0,62 0,47 0,66

Способ идентификации LP LP LP НР НР НР LP T5

Коэффициент корреляции г (с параметром) 0,413 -0,777 -0,777 -0,943 -0,943 -0,787 -0,833 -0,388

&1*™» и,. 5гГ™ 5П W 5FC Sn*™ 8G.

виж/Оост 1.1 1,59 1,58 2,99 1,24 1,6 1,72 1,09

Из таблицы следует, что в отдельных случаях действительное рассеивание характеристик узлов двигателя значительно ниже получаемых по т. н. прямым измерениям. Так, остаточные среднеквадратичное рассеивание температуры газа перед турбиной и степени двухконтурности меньше полных кажущихся: состт"= К вместо от> = 14,08 К; о0СТп]= 0,015 вместо ат= 0,018. Полученные на основе этого исследования оценки рассеивания характеристик узлов следует использовать в индивидуальной ММ рабочих процессов.

Проведенное статистическое исследование ремонтных двигателей в сопоставлении с новыми свидетельствует об ухудшении характеристик узлов ремонтных двигателей, в том числе о некотором снижении расхода воздуха через компрессор. Тенденции ухудшения параметров в процессе ресурсного испытания скажутся, естественно, на тренде параметров.

Предложены следующие решения:

- допустить расширение норм на основные параметры двигателя, как тяга и удельный расход топлива, при условии, что другие показатели, определяющие надежность работы двигателя, останутся в пределах существующих норм. Такая корректировка норм ..должна быть допущена только при существенной наработке (например, не менее половины ресурса или после капитального ремонта). Прецеденты такого подхода имеются на других тинах двигателей. .

- допустить подрегулировку двигателя для введения всех параметров в "коридор" действующих норм ТУ (подход, требующий уточнения регламента эксплуатации).

Пятая глава посвящена методике 1рендового анализа параметров двигателя в процессе ресурсных испытаний. Блок-схема алгоритма анализа параметров рабочего процесса представлена на рисунке 4.

Еяяерлежыа тара.-лиггря работе процесса Виде нем» за-ркного режим». ' Осредн&ние тараметрох

Цриидаш х САУи знают ткяржках Оаасешп к апхенвсму р«жтр

Определю» бнжхозратпЕрамквпта Зодяо-

ивиЗшашзз^л'

'Ы

Создана угорярчикго тсат пар тсдов хю хралиафгбопас

Цшвяааршинш о Нет

Сообщав* ВытктреыдтЕрвтпрШ

Рисунок 4 - Блок-схема трендового анализа.

Методика трендового анализа параметров двигателя при ресурсных испытаниях должна включать в себя учёт фактора загрязнения проточной части.

и

Для выявления качественной и количественной картины взаимосвязи параметров при различном уровне загрязнения воздушно-газового тракта на примере двигателя АЛ-31Ф исследована их взаимная корреляция.

Из анализа полученных данных следует:

• принятые для контроля состояния двигателя параметры <3^, Rnр, G-щ, ж fTap взаимно тесно коррелированы;

• уменьшение расхода воздуха приводит к уменьшению тяги двигателя (рис. 5), расхода топлива и температуры газа за турбиной;

• изменение частоты вращения ротора высокого давления не коррелированно с расходом воздуха, что априорно не предвиделось.

чтр

С использованием экспериментальных характеристик конкретного двигателя и его математической модели выполнен анализ полученной экспериментально взаимосвязи контролируемых параметров.

Таблица 4 ^ этой челью были рассчитаны три варианта

1 2 3' влияния изменения расхода воздуха на параметры 8RJ5G7 1,86 ~цГ Т,89 двигателя (табл. 4).

5G/5G» ,1,82 2 2,01. Как следует из таблицы 4, значения всех коэф-5ГТ/50В 0,77 0,55 0,75 фициентов влияния достаточно близки.

Ъп21ЪОл_J_0,3 J 0,57 это значит, что решающим фактором изменения

контролируемых параметров при загрязнении является изменение (уменьшение) расхода воздуха через двигатель. Критическим, требующим промывки двигателя, следует считать уровень §(?„ = -3%. Критическую величину (для повышения точности) рекомендуется оценивать по эквивалентной величине с учётом весовых коэффициентов

5G Ga + WRbRl 1,9+ygSGT/l,9 + ЕГг8Г;/0,8 (1)

1+ WK+WG+WT

Методика статистического анализа, в которой используются только данные о фактической суммарной за ПСИ наработке, позволяет получить информацию, дающую возможность с приемлемой точностью оценивать качество изготовления и сборки, ремонта двигателей. Критерием качества отладки двигателя может служить время, затраченное на устранение дефектов в процессе ПСИ (средняя наработка - характерная наработка). Соответственно, отношение этих наработок является коэффициентом качества отладки двигателя. Полученные результаты расчета коэффициента качества позволяют сделать вывод, что необходимо совершенствовать методику контроля качества отладки параметров двигателя.

Рисунок 5 - Корреляция AGBnp и

Таблица 4.

1 2 3

Stf/SGa 1,86 1,9 1,89

5G/SG, 1,82 2 2,01.

5fT/5Gt 0,77 0,55 0,75

bn2/bGs 0 0,3 0,57

При использовании двух регулирующих параметров лт и ^ возможны следующие варианты:

1) регулирование лт при некотором постоянном значении щ;

2) регулирование щ при некотором постоянном значении %;

3) одновременное регулирование я-т и л,.

Изменение основных параметров двигателя при расчетах определяется с помощью метода малых отклонений. Суть метода заключается в том, что зависимость основных параметров двигателя от независимых переменных (в данном случае этими переменными являются степень понижения давления в турбине и частота вращения ротора низкого давления) представляются в виде линейной модели, т.е. в виде:

ОЛ, ¿7,тт

где

• Хт, Х^- соответственно отлаженные и исходные параметры двигателя;

• дХ/дщ и дХ/дхт-коэффициенты влияния;

• Лп,-изменение частоты вращения ротора низкого давления;

• Дя-Т - изменение степени понижения давления в турбине.

Функцией цели при оптимизации отладки параметров двигателя является следующее условие: сумма квадратов отклонений заданных ¡ = 1.~к параметров от требуемых, в рассматриваемом случае, среднестатистических значений Хер, Должна быть минимальна.

Задача в математической постановке имеет следующий вид:

. ^¿«¡¿¿щ^;- (3)

(6) (7)

^¿тт

1

Исследование отладки проводилось только для трех основных параметров: тяги, удельного расхода топлива и температуры газов перед турбиной. В качестве исходных, условно считающихся «до отладки», приняты данные, полученные по серийной технологии отладки, т. е. фактически соответствующие действующим нормам ТУ:

Критериями эффективности метода является среднеквадратичное отклонение (СКО) параметров и их принадлежность допустимым нормам ТУ. Результаты расчета приведены в таблице 5 ;

Таблица 5._^

СКО Р ско Суд СКО Т'г Доля двигателей, не соответствующих ТУ, %

Исходные данные 59,5 0,0086 14,0 0

1 вариант 92,3 . 0,0079 14,9 14 (10 по Р,1по СУ1,3 по К)

2 вариант 95,4 0,0076 13,6 14(9по Р, 2по Суд,3 по Т'г)

3 вариант 19,8 0,0051 10,4 0

4 вариант 11,4 0,0045 14,0 0

Как видно из таблицы, результаты, полученные при выполнении отладки одним только регулирующим параметром, не удовлетворяют поставленным условиям^ использование первых двух вариантов неприемлемо.

Анализируя поставленную задачу для 3-го варианта, можно сделать вывод, что это типичная задача квадратичного программирования.

Результаты отладки по 3-му варианту представлены в виде гистограмм параметров до и после оптимизации отладки на рисунках 6 и 7.

Р. т С^ мДотчас) К

30|—г-1 Í Z5 ! 20—К; ri—h- 30 2£ 20 — 20 15 i J¡¡

15--}. 0 —tL 1 ь 10 5 fT i rjj —r 10 5

7500 7700 7800 0.72 0.74 0.7315« 1600 1В40

Рисунок 6 - Распределение регулируемых параметров до отладки

Рисунок 7 - Распределение регулируемых параметров после отладки

Из всего вышеизложенного следует, что метод позволяет проводить более

качественную отладку двигателей. За счет, сужения диапазона рассеивания основных параметров повышаются функциональные качества двигателей, повышается надежность. Автоматизированная программа оптимальной отладки со: кращает трудоемкость испытаний, сокращая число возможных регулировок.

Разработанный трендовый контроль в безразмерной форме осуществляется следующим образом. Как показано в главе 4 математическая модель двигателя получена экспериментальным путем и представлена в линейно-кусочной форме. Для каждого режима имеются среднестатистические значения параметров, подлежащих контролю, среднеквадратичные относительные отклонения параметров и диапазон распространения режима от п^.

Индекс "СБ" имеют параметры по статистической базе.

Измеренный параметр Ршм приводится по обычным, формулам приведения к стандартным атмосферным условиям (САУ) и получает;значение Рщ,, затем он относится (пересчитывается) с учетом изменения ^ по зависимости вида:

Рпер=Р„рКП1И?-П1СБ)Пё(р1Лр)) (8)

: где:

^|^ДР/Дп1 - по базовой дроссельной характеристике;.

^ёО+ДЭ)^ ДР/ДП1 - по линии пересчета (глава 4).

. Формируется коэффициента качества параметра Р:

Кр=Рпер/РсБ. (9)

Для каждого отлаженного двигателя из статистической генеральной совокупности должно соблюдаться условие:

1-Зор<Кр< 1+3 с?. (10)

Это контроль по предельным значениям.

В процессе трендового контроля индивидуального двигателя тренд контролируется по величине:

АКр=Кр-Крбаз, (И)

где Кр баз - базовые значения коэффициента качества параметра Р, вместо абсолютных значений операции ведутся с коэффициентом качества для каждого : контролируемого параметра и на каждом контролируемом режиме.

В качестве критерия А (отклонение, требующее повторное измерение) может быть принята величина стр, а в качестве критерия В(отклонение, требующее анализа и принятия решения о продолжении испытания) целесообразно принять величину 2оР.

Критерий А в определенной степени характеризует скорость тренда и в случае подтверждения большой скорости изменения параметра необходимы анализ и принятие решения по эксплуатации.

При исследовании влияния наработки на изменение параметров рабочего процесса рассмотрены: наработка двигателя в процессе длительных стендовых испытаний.

На рисунке 8 представлен один из полученных трендов изменения контролируемых параметров двигателя по наработке в процессе длительных стендо-

вых испытаний.

В качестве основных причин снижения эксплуатационных параметров можно рассматривать:

- снижение КПД КНД и КВД, которое происходит из-за экологических причин (попадание на вход в изделие загрязненного воздуха и твердых частиц), а также из-за внутренних причин - совместного влияния увеличения радиальных зазоров при истирании и выветривании специальных покрытий на корпусах и налипания частиц специальных покрытий на поверхностях лопаток компрессоров и турбин;

- увеличение перетечек из внутреннего контура в наружный из-за расстыковки соединений корпусов;

- "изменение гидравлических площадей сопловых аппаратов ТВД из-за налипания на поверхности лопаток частиц спец. покрытий корпусов компрессора. .

На режиме "ФП" помимо этого существенное влияние оказывает нарушение работы регуляторов (Ст /Р2)Ф и л>.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана компьютерная математическая модель рабочего процесса двигателя АЛ-31Ф на основных контролируемых в процессе ресурсных испытаний режимах:

- максимальном М;

- полного форсажа ПФ;

- крейсерских (бесфорсажных) режимах.

Модель соответствует среднестатистическим значениям параметров, контролируемых в серийном производстве. Позволяет контролировать параметры в процессе ресурсных, испытаний с учетом технического состояния. Математическая модель учитывает конструктивные особенности модификаций двигателя и загрузки агрегатов.

2. В дополнение к среднестатистической модели получена вероятностно-статистическая модель - определены характеристики рассеивания параметров для контролируемых режимов. Оценка рассеивания уменьшена по сравнению с кажущейся, отражающей погрешности измерений и обработки, на основе анализа корреляции параметров.

Так, остаточные среднеквадратичное рассеиваиие температуры газа перед

Рисунок 8 - Тренд изменения тяги

турбиной и степени двухконтурности меньше полных кажущихся: аостт-= 11,7К вместо ат. = 14,08 К; аосгт= 0,015 вместо стш= 0,018.

~ 3. Выявлено влияние. Изменения атмосферной температуры на протекание дроссельной характеристики при ресурсных испытаниях, что дозволяет более корректно нормировать и контролировать параметры и пересчитывать их при приведении к стандартным; атмосферным условиям. Выделены участки дроссельных Характеристик, отражающие особенности программы регулирования.

4. Исследован процесс приемо-сдаточных испытаний в плане их продолжительности и качества выпускаемой продукции, что позволило разработать предложения по оптимальной отладке параметров двигателя.

5. Разработана методика контроля состояния, двигателя с учётом влияния эксплуатационных факторов на изменение характеристик, узлов двигателя в процессе, ресурсных испытаний. Установлены критерии оценки состояния параметров двигателя, в том числе нормированы критерии предельного загрязнения ГВТ на уровне 8Gb=-3%.

6. Разработаны метод,, алгоритмы и критерии трендового контроля пара; метров, двигателя в процессе ресурсных испытаний с учётом предельных отклонений и допустимого тренда, загрузки агрегатов, отбора воздуха и других изменений технического состояния двигателя.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях из перечня ВАК:

1. Волик A.A. К оценке технического состояния газотурбинного двигателя, работающего в условиях загрязнения'проточной части / A.A. Волик, Б.Р. Абдуллин, В.П. Алаторцев, Х.С. Гумеров // Вестник УГАТУ. Уфа: УГАТУ, 2007, Т.9, №1(19). С. 22-25.

2. Волик A.A. Эффективный метод для объективной, оценки малых эффектов в авиационных ГТД / A.A. Волик, Б.Р. Абдуллин, В.П. Алаторцев, Х.С. Гумеров // Вестник УГАТУ. Уфа: УГАТУ, 2008, Т.11, №2(29). С.21-24.

и другие:

3. Волик A.A. Анализ наработки двигателей АЛ-31Ф и АЛ-31ФП при приемо-сдаточных испытаниях в ОАО "УМПО"/ А.А.Волик// Сборник материалов третьей всероссийской научно-технической конференции молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной годовщине образования ОАО "УМПО" - Уфа: УМПО, 2007, С.8-10.

4. Волик A.A. Уменьшение кажущегося.рассеивания характеристик узлов двигателя на основе корреляционного анализа / A.A. Волик, Абдуллин Б.Р., Гумеров Х.С./ Проблемы и перспективы авиационного, двигателестроения: сборник статей УГАТУ-75 лет. - Уфа: УГАТУ, 2007, С.14-15

Диссертант гРт^^^оилД/ Волик A.A.

ЁОЛИК Андрей Александрович

КОНТРОЛЬ И НОРМИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ БОЛЬШОГО РЕСУРСА ДЛЯ МНОГОЦЕЛЕВОГО САМОЛЕТА

Специальность05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписало в печать 02.07.09. Формат 60x84 1/16. ■ Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт. 1.0. Уч. - изд. л. 0,9, Тираж 100 экз. Заказ №310.

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ 450000, Уфа - центр, ул. К. Маркса, 12

132

42. Шибанов Г.П., Адгамов Р.И., Дмитриев C.B., Кожевников Ю.В. Автоматизация испытаний и контроля авиационных ГТД. - М.: Машиностроение, 1977. -280 с.

43. Юлдыбаев, JI.X. Оценка рассеивания коэффициентов потерь газовоздушного тракта серийных ВРД / JI.X. Юлдыбаев, Х.С. Гумеров, В.П. Алаторцев,

A.M. Ахмедзянов // Испытания авиационных двигателей. Уфа: УАИ, 1976. № 4. С. 100-105.

44. Основы политики Российской Федерации в области авиационной деятельности на период до 2010 года (Утвержден Президентом Российской Федерации

B.Путиным 03.03.01 №ПР-241).

45. Федеральная целевая программа «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 годы и на период до 2015 года».

46. Методика автоматизированной системы контроля технического состояния двигателя Д-36 серии А самолетов Ан-74 по данным бортового регистратора. 0.80.00124-01 32.

47. Развитие системы диагностики двигателя Р95Ш с применением ПАК ДК-95Ш. (Алгоритмическое и программное обеспечение трендового анализа параметров двигателя.). Технический отчёт. М., 2005.

48. Двигатель АЛ-31Ф. Руководство по технической эксплуатации 99.ОЗРЭ.

49. Двигатель AJI-31ФП. Руководство по технической эксплуатации.

50. Технические условия на изготовление, ремонт, приёмку и поставку авиационных серийных двигателей для воздушных судов. ОТУ - 2006.

51. Рекламный буклет: Комплекс КСК ТС-ЗОМК (Комплекс средств контроля технического состояния самолёта типа Су-ЗОМК).

52. Рекламный буклет: Комплекс АРМ ДК (СД) (Автоматизированное рабочее место контроля силовой установки самолёта).

53. Пакет статистического анализа Statistica 6.0. StatSoft, Inc. 1984-2001.

54. ЦИАМ 2001-2005. Основные результаты научно технической деятельности. Том 1.- М.: ЦИАМ, 2005. - 472 с.

55. ЦИАМ 2001-2005. Основные результаты научно технической деятельности. Том 2.- М.: ЦИАМ, 2005. - 496 с.

56. Руководство по эксплуатации АРМ ДК

57. Инструкция по обработке параметров двигателя АЛ-31Ф 99.210.28МТ, 99.210.31МТ, М., НТЦ им. A.M.Люльки - 74 с.

58. Alatortsev, V. Inheritance of thermodynamic parameters in a gas turbine engine / V. Alatortsev, M. Alatortsev, H. Gumerov // Proceedings of 14-th International Symposium on Air Breathing Engines (ISABE). AIAA, 1999. - pp. 29-48.

133

59. Àretakis N., 2002, Non-Linear Engine Component Fault Diagnosis From a Limited Number of Measurements Using A Combinatorial Approach, ASME GT-2002-30031.-pp. 8-22.

60. Baker, J. D. Analysis of the sensitivity of multi-stage axial compressors to fouling at various stages / J. D. Baker // Master of science in mechanical engineering, September, 2002.-pp. 12-16.

61. Kurz, R., and Brun, K., 2001, "Degradation in Gas Turbine Systems," ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 123, pp. 70-77.

62. Meher-Homji, C. B., and Bromley, A., 2004, "Gas Turbine Axial Compressor Fouling and Washing," Proceedings of the Thirty-Third Turbomachinery Symposium, Turbomachinery Laboratory, Texas A&M University, College Station, Texas, pp. 163192.

63. Meher-Homji, G. B. Gas turbine axial compressor fouling and washing / C. B. Meher-Homji, A. Bromley // Proceedings of the thirty-third turbomachinery symposium, 2004. pp. 163-191.

64. Ogaji S.O. T., Sampath S., Marinai L., Singh R., Probert S.D. Evolution strategy for gas-turbine fault-diagnoses. School of Engineering, Cranfield University, Bedfordshire MK43 0AL, UK, 2004.

65. Ogaji S.O.T., Marinai L., Sampath S., Singh R., Probert S.D. Gas-turbine fault diagnostics; a fuzzy-logic approach. School of Engineering, Cranfield University, Bedfordshire MK 43 0AL, UK, 2005. - pp. 57-62.

66. Stalder, J. P. Salt percolation through gas turbine air filtration systems and its contribution to total contaminant level / J. P. Stalder, J. Sire // Proceedings of the joint power generation conference, New Orleans, Louisiana, Paper JPGC2001/PWR. - pp. 15.

67. Tarabrin, A. P. An analysis of axial compressor fouling and a blade cleaning method / A. P. Tarabrin, A. I. Bodrov, V. A. Schurovsky, J. P. Stalder // ASME International gas turbine and aeroengine congress, Birmingham, United Kingdom. 1996. ASME Paper No. 96-GT-363.-pp. 43-54.

68. Tarabrin, A. P. Influence of axial compressor fouling on gas turbine, unit performance based on different schemes and with different initial parameters / A. P. Tarabrin, A. I. Bodrov, V. A. Schurovsky, J. P. Stalder // ASME International gas turbine and aeroengine congress, Stockholm, Sweden. 1998. ASME Paper No. 98-GT. - pp. 89.

69. Y. G. Li, Performance Analysis Based Gas Turbine Diagnostics: A Review. Department of Power, Propulsion and Aerospace Engineering, School of Engineering, Cranfield University, Bedfordshire MK43 0AL, England, 2003. - pp. 47.

70. Volponi, A.J., 2003. Foundations of Gas Path Analysis I &II, Gas Turbine Condition Monitoring and Fault Diagnosis, Von_Karman Institute for Fluid Dynamics Lecture Series 2003. - pp. 38.

134

71. Aviation Week & Space Technology / January 13, 2003. p. 442. 257-276.

72. Gas Turbine - Gas Path Diagnosis Optimax Operations Products / ABB Switzerland Ltd. Power Technology Systems, 2005. - pp. 2.