автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Информационное и конструктурско-технологическое обеспечение повышения эффективности автоматизированной системы диагностирования РТД

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИИ ДЕПАРТАМЕНТ ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

На правах рукописи

ЕГОРОВ АНАТОЛИИ НИКОЛАЕВИЧ

Ш^ОРМАЦИОШОЕ И КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

диагностирования гтд

(Специальность: 05.22.14 - эксплуатация воздушного транспорта)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискашо ученой стоиот кандидата технических наук

Москва - 1990

Работа выполнена на кафедре "Ремонт летательных аппаратов и авиаднигати-гой" Московского института инженеров гражданской авиации.

Научный руководитель - кандидат технических наук Засимов В. 11.

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук Ямпольокий В.И. (ГосНИИГЛ), кандидат технических наук Подобедов В.А. (ВВИЛ им.проф.II.Е.Жуковского).

Ведущая организация - завод 400 гражданской авиации.

Защита диссертации состоится 1993 г.

на заседании специализированного Совета К.ОТ^.иэ.ш, в московском институте инженеров гражданской авиации (Мслша, Кронштадтский

С диссертацией моано озн'.кашться в библиотеке МШ1ГА.

бул., д.20) в ауд. К

в

часов.

Автореферат разослан

1993 г.

Учений секретарь Совета К.072.05.01

специализированного

Романов

;

Л.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Современное состояние развития отечественного воздушного транспорта характеризуется крайне сложными условиями эксплуатации и ремонта авиационной техники САТ). Запаздывание поступления новых типов воздушных судов увеличивает долю физически и морально устаревшего авиационного парка, имеет место большой процент выработки ресурса. Низкая контролепригодность большинства типов эксплуатируемых объектов АТ и, в особенности, газотурбинных двигателей (ПД) создает значительные трудности при определении их технического состояния (ТС) в условиях эютлуатациошюго предприятия ГА, что в раде случаев приводит к отказу или необоснованному досрочному съему двигателя (ДСД) и направленно его в ремонт.

Обеспечить безопасность и регулярность полетов, снизить затраты времени и средств на техническое обслуживание и ремонт ПД в отих условиях мозно лишь за счет повышения эффективности оценки ТС объекта, сшкения вероятности принятия неправильного решения о возможности продолжения эксплуатации конкректного летательного аппарата или авиадвигателя. Системный подход к этой проблема применительно к ГТД приводит и необходимости разработки автоматизированных систем диагностирования (ЛСД) различных кх типов, а такав совершенствования уже существулзцих ЛСД. Основные исправления дап-шго подхода применительно к ИД семейства Д-ЗОК (Д-ЗОНУ, Д-301Ш, Д-ЗОКУ-154 различных серий) вклэтают использование как математических методов для создают объективных алгоритмов диагностирования, баз данных, орпзнтировашшх, главным образом, на ПЭВМ, так и дополнительных средств измзрэшм параметров двигателя в наземных условиях для повышешш его контролепригодности.

Цель работы:

Разработка информационного и конструкторско-технологического обеспечения оптимизированного проектирования элементов АСД ГТД семейства Д-ЗОК.

Задачи исследования:

анализ эффективности используемых методов диапюстировшшя ПГД (првздэ всего по термогазодкнамичвеким зараштрам), а также средств получения информации о состоянии проточной части ГТД;

разработка численного метода повышения точности оценки состояли проточной части ГТД семеЯстгт Д-ЗШ на основа ого матвматиче-

. - h -

ской модели (MM);

разработ .а конструкции и технологии изготовления решетчатого силовоспринимавдего элемента интегрального измерителя внутренней тяги (импульса струи) 1ГД семейств.i Д-ЗО К, обеспечивавшего ин!>ор~ мацией функционирование ММ ГГД;

анализ жвсткостных и прочностных особенностей лопасти сило-воояринимаюцего элемента, разработка ее расчетной модели напряжен-. но-деформированное состояния;

анализ эффективности выбора конструкционного материала с пользованиом критериев различного вида и совершенствованле интегрального комплексного критерия эффективности материала для решетчатых систем (Фпси Ф^с-критерии);

сравнительная оценка эффективности г 'лавов на основе железа и титана по Ф - л Ф*с- критериям;

разработка и экспериментальная проверка работоспособности информационной с яы физико-механических свойств конструкционных сплавов на основе железа и методики принятия решения о выборе материала для решетчатых систем по'Ф-, и v-критериям.

Научная новизна.

Работа базируется ira результатах теоретических и эсперимен-тальшх исследований, полученных в разные года В.П.Фроловым, С.М.Белоцерковским, А.И.Тшеневым, А.Я.Черкезом, A.M.Ахмедзяговым, Л.В.Михненковым, В.П.Плауношм и др.

Исслэдованы способы получения и использования с податью ММ избыточной информации о хар; киристикю. проточной части ГГД для ■ повышения точности оценок его параметров состояния, что позволило определить минимальное число и оптимальную номенклатуру контролируемых параметров двигателей семейства Д-ЗОК и требования к точности технических средств иьмереьля (в частности, г системе измерения тяги ГГД указанного семейства), обеспечиваюцих повышение эффективности его диагностирования.

Показано, что в качестве измерителя тяги интегрального типа целесообразно использовать конструкцию с элементами решетчатого . (полипланного) типа. Тем самым, расширена область применения решетчатых крыльев - и условиях значительных угловых скоростей вращения.

Разработана Ш напряжен! ">-деформированного состояния вращавшегося решетчатого крыла <в ограничениях квазистат'.ческой задачи), позволившая провести его прочностной расчет и задать требования к

материалу конструкции.

УсоверикЗнгтаояан интегральный комплексный критерий оценки аф-фективности конструкционных материалов решетчатых элементов, а также разработаны критерии оценки материалов в паяных решетчатых конструкциях (как без уюта, так и с учетом работы в условиях переменного температурного поля). Разработашая программная реализация количественной оценки указанных критериев позволила формализовать и включить в CA1IP ТП процесс выявления номенклатуры материалов для решетчатых конструкций с учетом условий их изготовления и эксплуатации с последующи выбором ¡наиболее Оптимального материала (материалов).

Исследованы новыч возможности описания температурных зависимостей механических и теплофизических свойств сплавов на основе железа (с помощью простейших эмпирических .моделей л пределах и за пределами обследованного диапазона температур., с лошадью аддитивных и регрессионных вида моделей "состав-свойство"^ предоставляемые применением для этих целей методов i-eqpm (классификации и снижения размерности, а также математического аппарата корреляционного, регрессионного и дисперсионного анализа. Создан банк параметров ММ, наиболее точно описывающих указанные свойства «плавов, а Также его программная реализация.

Доказана нецелесообразность (ввиду .значительной величины .погрешностей) описания теплофизических свойств сплавов на основе хелеза с помощью простейших аддитивных -моделей.

. При описании регрессионными ММ температурных зависимостей механических и теплофизических свойств от состава сплавов на ¡основе железа показана необходимость (в отличие ют -описания тешюфиаичео-юи свойств сплавов на основе титана) дополнительной классификации сплавов на однородные группировки. Применительно jc теплофизшшским свойствам определена номэислатура одаородшх хдэдпвдровок.

Применение теории многофакторкого планируемою эксперимента для определен!« оптимальных параметров процессов -диффузионной сварш! и пайки разнородных материалов (на основе железа а титанаJ„ позволило значителыш уменьшить объем необходимых якснериметггаль-ных исследований при проецировании ТП изготовлошм ¿решетчатого элемента измерителя тяги.

Практическая ценность^

Разработанная методика повышения точности оценок 'параметров состояния проточной части двигателя семейства Д-ЗОК испольоонана

- б -

при разработке программно-алгоритмического обеспечения системы сбора и обрабо'пш информации по результатам контрольно-сдаточных испытаний, внедренной на заводе 400 ГА.

Разработанные расчетные метода оцешш механических и вашгафи-гических свойств сплавов использованы (ШКГЭнерпиГ, ШБ "Вышел") при проеч 'ир- ваши ТП пайки жаропрочных и ¡высог .¡прочных .сплавов, биметалличе ;ких конструкций, что позволило оптимизировать геометрические и прочностные характеристики соединений, при расчетах на прочность ответственных паяных изделий, при проектировании ТЛ пай-ют и сварки. Разработанная информационная база и программные средства. вошли в состав САПР технолога и позволили определить оптимальные температурные режимы изготовления решетчатых паяно-сварных изделий.

Результаты работы нами свою реализацию в учебном процессе МИИГА и способствовали повышению научного ¡уровня дипломных и курсовых работ, выполняемых на кафедре "¡Ремонт М и АД".

Достоверность полученных результатов,, ¡обоснованность научных положений, выводов и практических рекомендаций .подтверждайся большим объемом численных акеперимзнтов по -обработке исходной справочной информации с применение«! тестированных программных средств и физическими методам екслерименталыюи проверки расчетов. На защиту выносятся следующие положения: оптимизированная структура параметров состоят«! проточной части ГГД и числешшй метод повышения точности их оценки;

комбинированная (из материалов разной основы) конструкция силовоспршшмшядего елемента интегрального измерителя тяги ГГД и расчетная модель его напряженно-деформированного состояния;

усовершенствованный комплексный критерий и методика оцешш вффоктившети материалов в конструкциях решетчатого тшт;

информационная база данных поддержки критериальной оценки вф-фектшшости конструкционных материалов и ее программная реализация;

директивный технологический процесс изготовления силовоспри-нимавщегх). апемента интегрального измерителя тяги 1ТД. Апробация работы.

По материалам работы опубликовано 7 научно-технических статей, издаю 3 методических разработки и указаний по курсовому и доишнлюму провкти[Ю1)Ш11®. Результаты работы излокеии в отчетах НИР МИИГА, ((тдалыше этапы доклалдаались на внутривузолских НТК в

МИГА (Москва, 1989-1992, 3 выступления), на научно- техническом ¡еминарв в 1'ентральном Российском Доме знаний (Москва, 1990, I ыстуштение), на научно-техническом семинаре в ЦАГИ (Москва, 1991, [ выстуилите).

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, шести разделов (глав), зак-шчония, списка литературы (132 ссылки) и приложений. Работа изло-сена на 216 страницах машинописного текста, включая 51 таблицу и 14 иллюстрации.

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу (по материалам научно-технической литературы) состояния вопроса разработки таких олементов АСД ГГД, как ео информационное обеспечение и технические средства диагностирования (ТСД).

Вследствие большого объема параметрической информации, слок-юсти алгоритмов, по которым она должна обрабатываться, жестких требований в отношении сроков получения результатов успешное решетя задач диагностики невозможно без использования АСД ГГД. Эффективность АСД во многом определяется информационной ценностью контролируемых параметров ГТД, используемых в ее математическом эбеспечении.

Несмотря "на то, что тяга является ценным эксплуатационным и диагностическим параметром, проблема получения оценок- тяги с точностью, удовлетворяющей требованиям диагшетировшшя по термогазо-цинвмическим параметрам, не решена и имеет актуальное значение. Ее решение возможно при условии создания измерителя, обеспечивающего томимо высокой точности:

интегральгасть оценок тяги по сечению выходного реактивного сопла (общего или внутреннего контура);

стабильность оценок тяги, обусловленную стабильностью геометрических, механических, тепло-физических и др. параметров измерителя;

универсальность применения (без значительных доработок) на различных типах ГГД;

окештуатационную и ремонтную технологичность.

Достаточно полно указанным требованиям удовлетворяет способ, предусматривало)® измерение осевой состпалящой аэродинамической силы, лпйствугдай на установленное и поток тело в шу» врадандойся

лопасти (лопастей) з известным коэффициентом аэродинамического сопротивления и пропорциональной внутренней тяге ГТД (импульсу струи на выхода из сопла).

Предварительный анализ показал, что требованию, прздьг. шя-емому к аэродинамике силовоспринимапцих лопастей - по возможности меньшая зависимость коэффициента сопротивления лопасти Сх от числа Маха газового потока - наиболее полно отвечает полипланное (решетчатое) крыло - лопасть.

Однако, несмотря на хорошо разработанную теорию проектирования и изготовления полигшанных систем, требуются дополнительные исследования, обусловленные специфичностью конструкции и условий эксплуатации лопасти измерителя, в частности, большое значение имеет анализ напряженно-деформированного состояния, жесткостных особенностей конструкции, ее поведения в нестационарном силовом и температурном полях.

Наряду с необходимостью учета специфики конструкции и условий работы измерителя тяги, не снимается и общее для современного этапа развития проектирования (в самых разнообразных областях) требование оптимизации технологического процесса (ТП) производства изделий, включая выбор материала, рационального (по материалоемкости, трудоемкости) метода изготовления, параметров ТП.

К важнейшим условиям обеспечения надежной эксплуатации любых конструкций, а тем более решетчатых элементов' измерителя тяги интегрального типа (для которого' характерны высокие требования к стабильности работы при повышенных механических и температурных нагрузках), кроме правильного конструирования следует отнести и достижение требуемого качества ТП изготовления.

Очевидно, что адаптация типового ТП к конкретному образцу, характеризуемая большим числом вариантов решений, значительно затруднена без проведения предварительной оценки возможностей используемых материалов (ссужапцей область поиска до оптимальной) , их поведения в состава конструкции при эксплуатационных нагрузках. Решение этих задач лишь на основе экспериментов и опыта производственников требует значительных затрат времени и средств, что обуславливает необходимость широкого использования для достижения указанных целей методов численного анализа, математического моделирования, выработки критериев для оптимизации принимаема решений, применения ЭВМ и статистической обработки.

Таким образом, надежная, безопасная эксплуатация (в струе газов за соплом ГТД) измерителя тяга рассмотренной конструкции при

высоких требованиях к стабильности его выходных характеристик обуславливает повышенные требования к силовой схеме, материалу и технологии изготовления всех элементов измерителя, но, главным образом, его силовоспринимающих лопастей, работающих в условиях наиболее напряженных температурных, аэродинамических, и инерциальных нагрузок.

Во второй главе диссертации дается обоснование выбора объектов и методов исследования.

В соответствии с целью и задачами исследования объектами исследования данной работы являютбя:

газотурбинный двигатель семейства Д-ЗОК, представленный ММ его проточной части;

силовоспршшмащий элемент интегрального измерителя внутренней тяги ГГД семейства Д-ЗОК;

интегральные,комплексные критерии оценки эффективности конструкционных материалов;

информация о температурных зависимостях механических (»в, °о 2» Е> ^ и теплофизических («, к, ср) свойств сплавов на основе железа;

технологический процесс изготовления силовоспринимаицего элемента паяной полгалашюй (решетчатой) конструкции из сплавов на основа железа и титана интегрального измерителя внутренней тяга.

С целью решения изложенных выше задач в данной работе были использованы сведущие методы исследования.

1) Статистический анализ ММ. Необходимым элементом этого анализа является исследование с помощью теории ошибок чувствительности выходных параметров ММ, критериев, эффективности (главным образом - параметров состояния) к изменою® входных параметров -исходных данных (в частности - погрешности измерения параметров ГГД), что позволяет оценивать степень влияния различных факторов на конечные результаты функционирования ММ и использовать эту информацию при ее разработке и при анализе эффективности функционирования комшшгса "измеритель 1-го параметра ГГД - ММ ГГД".

2) Метод "параллельных матриц", основанный на возможности получения оценки одного и того же параметра состояния с помощью разных, "параллельных" формул, вклгчапцих различный состав контролируем« термогазодинамических параметров (коэффициенты при переданных, входящих в формулы, представлены в данном случае п вида матриц левой и правой частей Формул). Отклонения от истинно.« зн.1~ чения П иг параметра состояния будут вызваны нои^кнатноспг ММ и

погрешностями измерения.

3) 064Эметодологический подход в описании, многомерных структур данных свойств металлов и сплавов, примененный при разработке информационной базы для численных «оценок критериев, использующих температурные зависимости механических и теплофизических свойств сплавов на основе железа и титана, включает следующие положения.

Вся 1стзог упность сведений ® '«истых металла*. и сплавах представлена в виде сложного (многомерного) статистического массива экспериментальных данных, полученных различными авторами, в различное время, с различной степенью достоверности, т.е. исследо-ваше велось в условиях пассивного -эксперимента.

Нахождение вида зависимости между .количественными переменными внутри указанною массива обеспечивается применением статистических методов классификации и снижения ¡размерности в сочетании с корреляционным, регрессионным и дисперсионным анализом.

Представление и хранение даншх о свойствах осуществляется в виде параметров адекватных и устойчивых ММ.

В терминах теории классификации м снижения размерности тип прикладной задачи определен как сжатие »массивов обрабатываемой и хранимой информации для минимизации емкости -ее носителей и экономии памяти ЭВМ, решение которой сводится >к формированию ММ, удовлетворяющих требованию авто- и внешней информативности.

4) Статистические методы поиска эмпирических зависимостей многомерных структур данных, учитывая сложный характер динамики механических и теплофизических свойств сплавов, -а также принятые ограничения (соответствуйте принципу минимизации размерности модели), охватывали простейшие функции первого, второго -и третьего порядка (с применением метода линеаризации двумерных функций 'Путем замены переменных).

Выбор наилучшей модели осуществлен по минимальному -внаяению среднеарифметической процентной ошибки предсказания адекватных шо критерии Фишера, устойчивых моделей с минимальны остаточным СКО.

6) Вероятностно-статистическая оценка точности предсказания ММ осуществлялась методом толерантных пределов.

7) Физические методы исследования паяных соединений (сочетании маталографических методов (микро- и рентгеноструктурного анализа, высокотемпературной металлографии и др.) и микрометрических измерений (например, оценка высоты и радиуса галтелей паяного шва)) позволили получить но только качоствинные, но и количественные результаты, что дало возможность, в частности, использовать

их дня проведения многофакторного анализа и оптимизации процесса поучения паяного соединения.

В третьей главе с цель» оценки возможности использования в АСД проведен анализ адекватности ММ двигателей семейства Д-ЗОК, разработанной в МИИГЛ. Отклонения расчитанных по ММ коэффициентов влияния (расхода 6q и частоты вращения <5nt) от их экспериментальных значений, получетшх в ходе идентификационных испытаний, не превышают в среднем соответственно 10У. и 5%, что дает основание считать адекватной рассматриваемую ММ.

Рассмотрены возможности численного эксперимента по использованию избыточности информации, предоставляер^е ММ ГГД, для повышения эффективности диагностирования двигателей семейства Д-ЗОК.

I произведена оце)ша эффективности способа контроля состояния пробочной части двигателя с, использованием в качестве параметров состояния отклонений (от значений исходно-исправного двигателя на выбранном режиме диагностирования) к.п.д. вентилятора бт?о, компрессора <5г) ^ турбин высокого &п тви низкого 5г) т(| давления, а также утечек из внутреннего контура <5q. Погрешность при определении численных оценок указанных параметров состояния по предлагаемой методике не превышает ±(1.0-1.5)%.

2) Исследована возможность повышения эффективности диагностирования (точность оценки параметров состояния) за счет введения контроля одного-двух дополнительных термогазодинамических параметров (ТГДП). Показано, что расширение номенклатуры контролируемых . ТГДП ведет к повышению вероятности получения формул с оптимально "совместимым" сочетанием контролируемых ТГДП, а также к увеличению общего числа расчетных формул. В качестве одного из дополнительно контролируемых параметров предлагается выбрать внутреннюю тягу.

Анализ требований к точности системы измерения тяги деигатв-лей семейства Д-ЗОК показал, что оптимальной следует считать систему, обеспечивавшую погрешность не вше ±1%. Дальнейшее повышение точности измерения малоэффективно: при снижении погрешности измерения тяги в Л раза (с ±1 У. до ±0.25%) погрешность оценок факторор снижается всего в I.I-I.2 раза (рисЛ).

На основе теоретических предпосылок и анализа преимуществ и недостатков прототипов интегрального измерите.м тяги (КИТ) в 4-й главе разработаны технические требования к его конструкции, включающие:

требования к составу и конструкторскому исполнению ШТГ;

требования к погрешностям измерения тяги с помощьКИТ и его

Рис Л Погрешности оценки (при различной погрешности измерения тяги лр: а) изменения к.п.д. компрессора &т>к;

б) изменения уточек из внутреннего контура ¿я------ измерение тяги отсутствует

метрологическому обеспечению;

требования к надежности ЖГ;

требования к режимам, условиям эксплуатации и техническому обслуживанию ИМТ.

Показаны прэимущества использования в составе ИИТ силовоспри-нимаодего элемента (СВЭ) решетчатой конструкции, а именно:

малая зависимость коэффициентов с с "оот числа Маха, что дает возможность оптимизации профиля лопасти СВЭ по минимальному числу параметров. Так, при заданных козффициг ггге схо и размере планов а варьирование производится расстоянием а . между планами (расстояние а. обратно-пропорционально текущемк радиусу г, на который удален 1-й план от оси вращения СВЭ), а при заданных с^ и в-оопвъ варьирование производится размером ад;

возможность рационального пространственного распределения силовых элементов решетчатой лопасти СВЭ, обеспечивавшего высокую

весовую отдачу и хорошие аэродинамические качества.

Проведен анализ напряженно-деформированного состоя!сия лопасти СВЭ, как варианта шшшланной системы (ПС), работающей в специфических условиях нагружвния (значительные инерциальныв нагрузки, вызванные вращением лоцаети и высокая неоднородность поля рабочих температур).

Задача анализа жвсткостных особенностей лопасти СВЭ ШГ решалась в следующих ограничениях:

условия ншружения квазистатические ; ______конструкция.представляет собой тонкостенную консольную систему, состоящую из двух стоек и соединяющих их дисков, жесткую на растяжение-сжатие в направлении оси z (при действии продольной силы n) и на изгиб в плоскости xz (деформация обусловлена изгибающим моментом Му);

жесткость в плоскости rz конструкции незначительна, причем определяпцей деформацией является деформация сдвига, обусловленная действием поперечной силы Qy;

крутящий момент мк, воспринимаемый конструкцией, в основном определяется величиной "стесшгаюго" (изгибного) Як кручения.

В указанных ограничениях, рассмотрены уравнения равновесия ïy-o и ем -о для упругой линии с учетом искривления оси лопасти в плоскости vz .под действием распределенной (по длине СВЭ) нагрузки ч , которая представлена аэродинамической и центробежной составляющими

р v2

а. д. _о> г . а ц.о. х

<1 и G а - Ь « q oi -, q — гш v.

у vcp 2 чу му

dQ

v

—-1 + q и О

dz 'у

■dM .2

. При решении, используя вариационный метод Галэркина, получен-шй системы, были найдены (вцраяеяия для амплитудных (максимальных) значений прогиба v и .угла закручивания которые имеют место на конце лопасти:

•1.Л4 qUa -<0. 64 + R iySCÏÎ + OilC0 ibl 1 с о о vcp vc13»а »--!- •

'С 'C"_Jb*4 "

- О. 92 q*-

c1+iî >">_

ЕР'- 2q ~^--О. 92 q- - 3' .YC-P

4

pii ) ■ а ■ г----

Г> 3 «

ЕВ

где ч и рг~ скоростной напор и плотность струи газов, V- параметр, зависящий от зшсру'тки струи; й0, ь и 1 - геометрические параметры СЮ, - распределенная масса лопасти СВЭ; ко - жесткость лопасти на стесненное кручешш. ер"- жесткость на сдвиг участка лопасти на ;|Лино среднего шага м^жду дисками.

Полученные зависимости душ определения значений ж4орчаций и

напряжений, возникающих в ялемекгах лопасти в процессе ее работы, позволили цровести проверочный расчет на - прочность конструкции, изготовленной из различных материалов. Результаты расчета <табл.1), хорошо согласующиеся с ранее проведенным экспериментом на опытном образце Wí, дают основания считать перспективной комбинированную (из сплавов на основе хедаза и титана) конструкцию СВЭ.

Таблица I

Результаты прочностного расчета СВЭ ЙТГ

Конструкционны) материал Критический скоростной иа- . пор а , МПа Характеристики КМ при темп-ре эксплуатации Суммарные напряжения <7£, МПа

ЭИ833 0.1в7 а , МПа о. г 190 гг .* '

а . МПа в 390

ВТ20 о.оег а , МПа о. X 350 -

а , МПа о 430

ЭИ833+ВТ20 •О.И«! а , МПа о. 2 190 184.3

о , МПа в 390

Экстремальные условия эксплуатации (значительные механические и тепловые нагрузки) усложняют проектирование, как самой решетчатой конструкции СВЭ ЛИГ, так и технологического процесса ее изготовления. Пятая глава посвящена исследованию эффективности и выбо-. ру материалов для паяных решетчатых элементов средств измерения параметров ГГД.

Для выбора оптимальных материалов для полияланных панелей с ортогональной решеткой ранее был предложен интегральный комплексный критерий эффективности сплавов:

т

-лг"°" -» где в, о - коэффициенты,

»О J екрС2*Ю ► Т - 1.1) ат „„„„„„ „„»..,„ ,„,„„„..

то г определяемые числом

т 7, I планов п, относите. »па* . О ^ _

к*"/ I у:------+---1 <»т льным шагом ь и рао-

то г ест) аа предолегаюй нагруз-

кой ч .

Критерию Ф присущи ограничения, и для проектирования реальных решетчатых систем с учетом технологий их изготовления, условий эксплуатации критерий потребовал усовешонстгования.

Очевидно, что изменению режима диагностирования ГГД (диагностирование на различных режимах работы 1ТД) приведет к изменению значения распределенной нагрузки ч , а диагностирование различных

типов ГГД <с различным диаметром реактивного сопла) потребует варьирования.размера полипланной лопасти_к. шага решетки С и числа планов п. Следовательно, условия нагружения, т.е. значения ч и такие геометрические характеристики ПС, как Си п определяют значения о, т>% и вид подинтегральвдго выражения числителя, а в конечном итого и количественные значения Ф-критерия.

Для сопоставимости количественных оценок Ф-критерия (исключения влияния чл.п), предлагается использовать универсальную огибающую, ввд которой определен в результате численного эксперимента (пассивного многомерного регрессионного анализа) при варьировании 3-х факторов: а, Значения параметров ММ универсальной огибающей р^ представлены в табл.2, а ее динамика - на рис.2.

Таблица 2

Оценки параметров математической модели общего вида у-а<)+ лля расчета параметров модели вида

*»А «хр <ВХ ♦ СХ25.

Параметры. для расчета У |Параиетры для ¡расчета у Средняя абс. ?4-н»я ошибка

Л •О ; а ' л л 2 а а

94. * 45.3 -3. 2 962. 4 4. 7

в«40"л ! 246. 3 Ш7.5 ■6. 9 1147. 7 б. 3

273. Л 1 77. 9 3. 7 271. 7 ' 4. 2

Примечание: V - Л х - I; у - в, <5 х - п,

т. к

о.1 о.. |).<| о.а |.о 1.3 I гУ

Рис.Я Динамика огибчпцьЯ гуа щм , п«10, ч-1(ЖПа

Для учета условий изготовления (пайки) в Ф - критерий как дополнительное слагаемое знаменателя был введен ^показатель ^.характеризующий удельную массу паяной сотовой ячейки и выраженный через прочностные характеристики паяного крестообразного соединения

т

„ л г -ч* х'до о предел прочности паяного

м а о 43 1 , i в р « 4 i в

■>пр ь ь ^ J ' шва при расчетной температуре;

в

т

<°в*>р~ предел прочности КМ при при расчетной температуре с учетом разупрочнения в результате теплового воздействия в процессе пайки и эксплуатации. Тем самым был сформирован новый критерий Ф :

max ,

f CFy<T>> dT J о

Ф -

ПС

max - ^

J IfcTJ+MCT> JdT т

При работе СВЭ в струе газа аа турбиной имеет место сильный разогрев планов и тепловые напряжения '(до наступления установившегося режима) вдоль хорда плана могут стать соизмеримыми с пределом тек!чести или прочности материала плана, паяного шва. В этих условиях необходим учет способности материала противостоять тепловым, нагрузкам. С етой целью в Фпс-критерий через геомет-и.еские параметры конструкции (хорду ь и длину паяного шва i) из условия равного запаса термической прочности различных материалов

а а \ <1-и>

о. г о,2 ^

- в--в const « А,

а Б а Е

та*

где - коэффициент теплопроводности материала; а - температурный коэффициент линейного расширения материала; р - коэффициент Пуассона; «таж- максимальные термические напряжения; э - толщина стенки, восиримнимандей тепловой поток в направлении, пирпендикулярном оо плоскости; А-коэффициент (имеющий смысл коэффициента запаса прочности), значения которого задаются в диапазоне О.З-О.? были введены прочностные и теплофизические "войства КМ и припоя. «/*" >к"о-„""> *пр Х"Р<1-^ПР>

о. * ' о, ж

а - ь ----—-—-- --- , б « 1 - -

R результате получен новый комплексный интегральный расчетный

критерий *

Фт -

ПС

•»• о

так - -

J |РСТ>+Ч' <т> |ат

При. условии, что акм,»апр, выражение для м* имеет вид

гхр ч пр^. Пр. ХМ „КМ , » -„ <=> _ X Е , Ссг «> я

м' <т>"0. 43^ 5 - [ —- 1| .

"р 1 епр i >

Как видно из представленных критериев все они информационно емкие, требуяциэ для своего расчета (ориентировано!« на ЭВМ) температурные зависимости большого числа свойств сплавов.

С целью расширения информационной базы свойств сплавов (ранее был разработан ее фрагмент, охватывающий чистые металлы и титановые сплавы) были проведены исследования применительно к сплавам на основе железа.

Выбор объектов исследования осуществлен' в рамках слбдупцих основных ограничений и положений:

исследовалась ранее полученная достоверная вкспериментальная информация о свойствах металлов и сплавов;

из всех известных в настоящее время марок сталей исследовались толысо получившие широкое распространение в авиа- и двигате-лестроении;

из всего многообразия свойств сталей исследовались только информационно значимые, определяющие работоспособность сложнонапря-женных конструкций и соединений.

Задачи настоящего исследования решались на основе единого методологического подхода, рассмотренного вьше.

Реализуя направление исследования по формированию индивидуальных ММ свойств металлов и сплавов, были проанализированы способы описания температурных зависимостей механических и тешюфи-зических свойств сплавов на основе железа о помощью простэйпп.'х эмпирических моделей. Показано, что высокая точность описания указанных зависимостей достигается о помощью нелинейной или кусочно-нелинейной аппроксимации функциями второго и третьего порядка, приводимых к линейному пиду.

Сформирован банк параметров ММ температурных зависимостей механических и топлофизических свойств сталей, прозодона вероятностно-статистическая проверка работоспособности найденных мололоП.

-1В -

Фрагмент банка приведен в табл.3.

Разработано программное средство, реализующее работу сформированного банка ММ температурных зависимостей механических и теп-■иофизических свойств сплавов на основе железа в пределах исследованного диапазона температур.

Ранее была предложена методика оценки свойств чистых металлов и титановых сплавов-за пределами экспериментально исследованного диапазона температур. Развивая данное направление, создан банк параметров МЫ поправочных функций л=г<к> температурных зависимостей механических и теплофизических свойств сплавов на основа железа (фрагмент представлен табл.4> и разработана программная реализация

Таблица 3

Банк параметров ММ для оценки свойств сплавов на основе железа в пределах обследованного диапазона температур

Сплав Свойство Интервал температур, К Параметры ММ Вид ММ Погрешность ММ, 7.

а Ь с

13Х18Н2 В2М4> (ЭИ831 ) «v МПа 293-923 -0. 20 10"1 2. 7.4 819. 99 2 3.7

о • о. а МПа 293-773 773-973 760. 63 4. 3 10° 0.179 10~* -О. 034 -2. 34 го"° 1.81 г 1 1.4 4. 6

ЕЮ"? МПа 293-873 -2.71 10"° 1. 69 10~* 1. 720 2 г. 1

У.7. 293-093 83. 00 -0. 20 10"г 2. СТО Ю"" 1 2. б

оЮ"? 1/К 373-073 0. 543 0. 539 -3. 210 4 1. 32

X. Вт/ыН 298-1073 15. 423 11. 02 -5. 319 1 0. 0

12X13 «v МПа 293-723 -0. 701 604. 2 -0. ОЬ 10"3 3 2. 4

о • а. 2 МПа 293-773 -0.86 Ю"э 0. 610 344. 2 2 2. 2

ЕЮ"? МПа 293-773 -5.79 Ю"7 -1.75 10"" 2. 30 2 0. 1

у. 7. 293-773 02. 90 -0. 92 10"а 9. 66 10"7 1 0. 1

aío~t хук 373-1073 1. 211 0. 376 -3. 050 4 0. 69

X. Вт/мК 373-1073 22. 006 3. 371 0. 196 1 0. 28

Примечание: Вид МУ. № Ш Вид ММ К ММ

у-«. ЬХ-*<аХ*) 1 о

У-аХ'+ЬХ +с 2 Т-ЛнрСоЮ 4

где у-соответствуицее свойство, х - температура, 1С

Таблица 4

Численные оценки коэффициентов а - с^Ь/сстЪ сплавов

•я р^ О ч В э К С п

на основа железа

Марка сплава Температурный интервал Параметры модели 6*. У. Вид | моде-; ли-

а Ь с

Сталь 07X16Но 0. 17<К<0.47 0. 47<К< 1.0 0. 21 34. 99 22. 4 -2. 64 -зо.91! —0. 94 1 О. 7' 0.4| .2 1 2

Закалка 980 <лист> холод -70 С. 2ч, отпуск 400 С, 1ч.

03ХПН10Мат| 0-^<К<1.0 | 1.42 | 0.37 |-9.91 [4.8'[ 2 |

¡Закалка" 000 С,воздух,старение 500-323 С, 2ч. (лист 2-Змм> .

Сталь 20Х23Н18 0. 17<К<0. 52 0. 52<К<1. 0 0. <53 20204 9. 05 3. 97 ! -в. .1 6 1 3. 4 ■В..7| 2 1 !

Нагрев 1030 <лист> Н кип, воздух ;

Сталь 12Х23Н16Г7АР Нагрев"Тго6~'1 (пруток, лист: 0. 1 7<К<0. 64 0. 64<К<1. 0 ьоэдух 1 469 3197 Э. <И | -13.'В -5. 83 | .6.17 ' 1 1 0. .11 3. в| « 1 .....-2~~!

Сталь 12X13 О. 17<К<0. 41 О. 41<К<1.0 1. 32 2. 64 0. 13 [ 3. 66 -4.37 1.09 1.6 2. 6 ,1 1 2 1

Закалка 1 ООО-й030 С,в масло ¡отпуск 740-750 С,воздух | (пруток,лист^ |

• Примечание: звбтплечрс-4. ввбю. мла , где ку>т^тпл.

- среднеабсолютнал процентная ошибка;

Шид модели № модели Вид 'модели модели

А-а^ехрСсЮ 1 А-^ОаК^ЬК+с > Э

а»а ехрСЬК+сК*> 2

указанных банков, обеспечиваидая раснегг указанных свойств (В интервале температур от О до тпл.

В результате совместного анализа многомерных массивов данных "свойство- состав- температура" сформированы ¡систолы ММ '¿еплофизи-ческих свойств сплавов на основе хелэза (таблЛ»)..

При описании регрессионными ММ температурных зависимостей !ме-ханических и теплофизических свойств от состава сплавов .на 'основе железа показана необходимость (в отличие от описания теплофизических свойств сплавов на основе титана) дополнительной классификации сплавов на однородные группировки. Применительно к теплофизичиским спойствам определена номенклатура однорогих группировок и разра-

Таблица 5

Оценки параметров и точности МЫ вида уоа^хрса^**^«- ... «-а^х^э для расчета ТКЛР сплавов на основе железа по их составу при различных температурах <о»юв, к"*)

Параметры Температура, К

ММ 373 473 573 673 , 773 j «73 ■97 3

А о 16. 410 19. 560 20. 450 20. 5ÓO 21. OV • 21.-990 22. -850

А <! ) i -3. 498 -8. 429 -14. 09 -17.85 -12. 37 -11.11 -10. 72

A CS1> z -0. 568 -0. 266 0. 924 1. 656 1. 072 1. 091 1. 400

А <Мп> а -0. 386 -0. 125 0. 018 -0. 001 -0. 018 0. 0077 -0. 004

А <Сг> 4 О. 091 -0. 039 -0. 071 -0. 068 -0. 075 -0. 108 -0. 160

A <Ni) -О. 051 -0.056 -0. 063 -О. OS6 -0.065 -О. Обв -О. 043

А <Мо> <s -0. 179 -0. 465 -0. 576 -0. 664 -0. 628 -0. 638 -0. 627

A (v) 7 2. 730 2. 581 3. 922 5. 861 4. 683 4. 436 5. 110

A <VO 8 -0. 213 -0. 304 -0. 266 -0. 294 -0. 243 -0. 301 -О. 417

CAO ММ. 7. 5. 50 2. 30 1. 93 ¡ 2. SO 2.27 2. 47 ; 2. 40

Критерий Фишера 1. 98 6. 36 10. 32 8. 27 в.<01 7. 58 | 9. 23

Остаточ. от клон-«» 1. 40 0. 61 0. 56 0. 74 0. 75 0. 0. 77

Аустенитные с карбидным упрочнением + аустенитные с кар-бидно-интерметаллидным прочмением + жаростойкие стали (массив 18x8)

ботан программный продукт, реализующий расчет указанных свойств сплавов на основе железа в любой точке исследованного температурного диапазона по составу сплава. Использование с этой целью аддитивных моделей не дало положительных результатов.

11а основе разработанных критериев и информационной базы предложена методика оценка вффективиооти конструкционных материалов (КМ) для СВЭ.

Предварительный анализ показал, что температурным режимам работы СВЭ по жаропрочности при ограничениях на массу и стоимост-ь конструкции в наибольшей степени отвечают сплавы на основе железа (жаропрочные стали аустенитного класса). Однако, руководствуясь стратегией разработки оптимальной (в первом приближении по весовой отдаче) конструкции, сделана попытку реализации ранее предложенной идеи о полиллашюй систиие, изготонлошмй из различных КМ. Сплав той или иной основы кс1Ш<{Х>тного участка конструкции (работыицоло при сэоС">Й локалыюй температуре) выбирается по максимуму Ф-крите-

рия при исследуемой температуре.

Согласно вышесказанному, номенклатура оцениваемых КМ была расширена за счет титановых сплавов, из которых может быть изготовлена верхняя часть СВЭ, испытывающая меньшее воздействие температурных нагрузок (не более 500-(500 К).

На основании полученных с помощью разработаного программною средства для информационной подцвржки решения многокритериальных задач результатов сделан вывод, что сталь ЭИ835 является наиболее предпочтительной (как по Ф-, так и по Ф^с-критершо) дня элементов конструкции СЮ, работящих при Tme)t»SOOK (нижнь, часть боковых стоек и нижние три диска - плана), а сплав ВТ20 - при Ттах»500К (верхняя часть боковых стоек и верхние три диска). Исходные данные дня расчета на ПЭВМ были представлены параметрами ММ температурных зависимостей свойств КМ, припоев и паяных соединений.

Таким образом, комбинированная (из материалов разной основы -стали ЭИ835 и титанового сплава ВТ20) конструкция СВЭ, является предпочтительной не только в прочностном, но и в конструкторско-технологическом (с точки зрения эффективности КМ) аспекте.

Рассмотренные критерии эффективны для оценки свойств КМ поли-планных систем, работающих в пределах области упругих относительных деформаций с. Для учета работы материалов за пределами упругой области ранее был предложен критерий вида:

В критерии учитывается изменение и е в функции от г и т (используется понятие секущего Есел<т> или касательного Екас<Т> модуля).

На первом этапе оценки работоспособности v-критерия проведено исследование его динамики на примере более 20 чистых металлов. Для этого. сформирована информационная база свойств этих металлов в виде многомерных регрессионных ММ (табл.6). Пример динамики V-критерия для железа представлен на рис.3 (скорость деформации ¿ »16 с"1).

К важнейшим условиям обеспечения надежной эксплуатации любых конструкций, а том более СВЭ (для которого характерны высокие тробопяния к ставил и kkvi и работы при пошшинлш мохшшчоских и температурных нагрузках), кромп прапилыюго конструирования следует отнести и достижения требуемого качества технологического про-цосса (TU) in» otoi »линия СВЭ.

е т та х р

V

о ДСП

С Т

V - ° °

Г Г F С оТ ,Е,Т,л> dT de

J J о ДСП

г ff ca , Е,Т, еу dT de J J о доп

Таблица 6

Банк параметров ММ общого вида а «= ло+л т+л е* для расчета напряжений и сокущиго модуля чистых металлов

Металл Параметры ММ Ит ер-вал £, % Параметры модели А1»лсЬехр<ос5

а Ь с

Ре Л о 0. 1-0. 6 139. 3 0.382 0. 300

А 1 -0. 135 0. 370 0. 320

А г 143. 47 о. боа -0.152

Т1 Л о 0. 2-1.0 149. 0 0. 380> . -О1. 189

А 1 -0. 113 о. зов 0-. 031

А | г 0. 952 01 3-Т9 О1. 40*

1 N1 А ) о ' 0'. »-о. 3 1'7В. 73 е». 403 -0. 536

! л -О; 1-36 ; <Г. 440 -0. 552

Л г 167. 38 I О. 780 -2. 840

А! А о 0. 1-06 26. 380> 0. 094 0. 286

Л 1 -№. ©35 0. 057 0. 413

Л г О. 034 0. 087 0. 934

Примечание: т- температура, К; с ? скорость деформации, с _1

Рис.3 Динаьадка у-критерия

Под качеством ТП в рассматриваемом случав понимается его спо-собност ь обаспеадт ь в течении заданного времени заданный уровень эксплуатационных характеристик изготовляемой конструкции: минимальный вес СВЭ, надежность, стабильность геометрических параметров, корозионную стойкость при определенном уровне экономичности в заданных производственных условиях.

Основное место в шестой главе отведено анализу результатов оптимизации количественных оценок факторов, влиявдих на качество ТП изготовления СВЭ ШТ и разработке самого ТП. Отличительной особенностью конструкции СВЭ явилось использование разнородных (на основе железа и титана) IíM, что обусловило применение такого технологического процесса как диффузионная сварка.

С целью уменьшения объема требующихся экспериментальных исследований при оптимизации параметров ТП был использован многофакторный планируемый эксперимент. В качестве отклика для сварных образцов пргашмался предел прочности при растехении а для паяных - высота н галтели паяного шва.

Так, ММ, описывающая влияше на ¡высоту ai (в мкм) галтели паяного шва от температуры пайки т х .(фактор х^, выдержки (при т } т (хг) и количества (толщины) припоя б (ха), была получена в следующем кодироватгам виде:

11=124. 2+70. 66Х +3. 913Х +4. 913Х +З.ЗЗЗХ X -2. 763Х X -1.83ЙХ 5с X .

12 9 < 3 2 3 123

С помощью математического пакета ".ешнка" получены .следу мцие оптимизированные параметры:

для даффузиошгай сварки деталей из стали ЭИ835 и ¡титанового сплава ВТ20 (толщина прослойки ванадия - О.Еил):

тешературв сварки вреш выдержки сварочное давление

1325* iaK¡

60 мин.;

100 кН;

для пайки деталей из стали 8И835: температура пай!« время выдержки толщина пластин пршоя •

тг» ISIOÍ3K¡

r»12iz' SKHH.í íol S0±,OÍ.T!3V.

для пайки деталей из титана ВТ20: температура пай raí нромя вздержки

диаметр насадка шприц-ттистолета

Т «ilOO^JCi 2

г-З^ИШЫ

На основе анализа операций, составляющих ТП изготовления СВЭ

и оптимизации параметров диффузионной сваргч и пайки разработан директивный технологический процесс.

вывода ПО ДИССЕРТАЦИИ %

В результате выполненной работы были решены все поставленные задачи исследования.

На осно№ анализа эффективности используемых методов диагностирования и средств получения информации о состоянии проточной части ГОД разработаны требования к информационному и конструкторско-технологическому обеспечению АСД двигателей семейства Д-30 К.

С целью оценки возможности использования в. АСД для диагностирования по ТГДИ ММ двигателей семейства Д-ЗОК, разработанной в МИИГА, проведены их идентификационные испытания, результаты которых показали, что ММ - адекватна.

Проведена оценка повышения точности определения значений параметров состояния (отклонений от значений исходно-исправного двигателя на выбранном режиме диагностирования к.п.д. вентилятора бт)в, компрессора &пк, турбин высокого ¿»то и низкого $чти давления, а также утечек из внутреннего -контура бч) при включении в состав контролируемых параметров внутренней тяга. Погрешность при определении численных оценок указанных параметров состояния по предлагаемой методике не превышает ±(1.0-1.5)%.

Проведена оценка возможностей использования существующих систем измерения тяги в условиях эксплуатационного предприятия ГА, в том числе, измерители тяги с вращающимся силовоспрпшманций элементом, который обеспечивает получение осредненных (интегрировшшых по площади сечения струи газов на выходе из сопля) оценок тяги.

На; основе теоретических предпосылок и анализа преимуществ и недостатков прототипов И ИТ разработаны технические требования к его конструкции. Показаны преимущества использования в составе ИИТ СВЭ решетчатой конструкции. ,

Проведен анализ напряженно-деформированного состояния лопасти СВЭ, как варианта полипланной системы, работающей в специфических условиях нагружешш (значительные инерциальные нагрузки, вызванные вращением-лопасти, а также неоднородность поля рабочих температур), позволивший оценить прочность конструкции СВЭ, изготовленной из разных материалов.

Разработана методика исследования эффективности и выбора конструкционных материалов для паяных палипланных систем (в том

чи-ле, решетчатых элементов средств измерения параметров ГГД) с использованием интегральных комплексных критериев, п целью наибольшего учета влияния условий изготовления и эксплуатации конструкции ранее разработанные Крит рии были усовершенствованы.'

Для количественной оценки критериев разработана информационная база механических и теплофизических свойств сплавов на основе железа, а также программная реализация алгоритма оценки.

С учетом полученных оптимизированных режимов разработан директивный технологический процесс изготовления решетчатой конструкции СВЭ ИИТ из стали ЭИ&^5 и титанового сплава ВТ20.

Основные материалы диссертации и полученные результаты отражены в следующих опубликованных работах:

1. Фролов В.П., Слздаов В.П., Засимов В.М., Жариков. A.B., Егоров А.Н. Критерии оцеиси эффективности и взаимозаменяемости ма-

• териалов в паяных полиплашшх (решетчатых конструкциях). Авиационная промышлетюсть, 1990, К II, с.45-47.

2. Фролов В.П., Сладков В.П., Засимов В.М., Хариков A.B., Егоров А.Н. Соверше ;ствованиэ расчетных методов оценки температуры плавления многокомпонентных сплавов и припоев. Сварочное производство, 1991, К Г\ с.36-33.

3.Михненков Л.В., Егоров A.II., Горбов ß.H.,. Швецов A.A., Засимов В.Н. Применение математичвского шделирования при доводке ремонтных двигателей Д-30 1СУ/КП. Авиационная промышленность, 1991, KI2, с.13-16.

4.Михненков Л.В., Антонов О.И., Плау1юв В.П., Засимов В.Н., Егоров A.II. Совершенствование средств измерешш параметров ГГД при его диагностировшши. Авиационная промышленность, 1992, KI2, с.20-24.