автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка методов прогнозирования безопасности функционирования и безотказности авиационных двигателей

На правах рукописи

Для служебного пользования Экз.№ _

ГУСЕВ Виктор Михайлович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И БЕЗОТКАЗНОСТИ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.07.05 - "Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов"

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2001

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации "Центральный институт авиационного моторостроения им.П.И.Баранова"

Научный руководитель: Кандидат технических наук, старший научный сотрудник

А.Л.Абасов

Официальные оппоненты:

доктор 1 о:-дшчес:а1х маук.профессор В.А. Дедсш доктор технических наук, профессор Б.А. Пономарев

Ведущая организация - ГУП "Завод mi. В.Я. Хлнмоаа", г. Сашсг-Петербург

Защита состоится<^1.ик>ня 2001 года в 14С0 часов на заседании диссертационного совета SûCCJl 048.01.01 в ЦИАМ им. П.И. Баранова по адресу: 111250, Москва, Авиамоторная ул., д.2.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Центрального института ?ет;:ц!юн:¡огс моторостроения им.П.П.Баранова

Автореферат разослан "_"мая 2001 г.

\'и ЧГТЛМ РРТ.-ПРТППГ.

Актуальность темы

Обеспечение безопасности полетов и эффективности использования авиационной техники являются важнейшими задачами как гражданской, так и военной авиации. Особое место в решении этих задач имеет обеспечение безопасности функционирования авиационных двигателей. Это объясняется значительным влиянием безотказности авиационных двигателей (АД) на безопасность эксплуатации авиационной техники. Так, например, в гражданской авиации до 30% авиационных происшествий, связанных с конструктивно-производственными причинами, происходят из-за отказов силовой установки.

Для успешного решения вопросов обеспечения и подтверждения безопасности, обеспечения эффективности функционирования двигателей и их элементов необходимы специальные исследования, направленные на выявление. и решение общих проблем обеспечения надежности авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). Среди таких исследований важное место занимает выявление общих закономерностей нарушения безопасности функционирования авиационных двигателей, разработка и совершенствование методов прогнозирования безопасности функционирования и безотказности двигателей различного назначения на ранних этапах юс создания. Актуальность этих работ возрастает в связи с необходимостью достижения уровней надежности, обеспечивающих безопасность функционирования.," и экономическую эффективность применения перспективных, высоконагруженйых двигателей к началу их широкомасштабной эксплуатации (не допуская длительной и дорогостоящей эксплуатационной доводки).

Особое значение приобретает обеспечение высоких уровней надежности двигателей для безопасности полетов одномоторных ЛА и при получении разрешения на полеты двухдвигательных магистральных самолетов по маршрутам увеличенной дальности (процедура ЕТОРБ1).

1 ЕТОР8 - Ех1еп(1е£1-га1^е Т\\4пегщте Орегайопэ

з

Цель работы

Целями работы является разработка методов прогнозирования безопасности функционирования и безотказности авиационных двигателей различного назначения для своевременного обеспечения безопасности и эффективности их функционирования, выявление особенностей управления надежностью комбинированных силовых установок.

Задачи исследования

1. Выявление особенностей управления надежностью отечественных двигателей в современных условиях в сопоставлении с мировой практикой.

2. Разработка вероятностных моделей критических отказов двигателей для прогнозирования безопасности функционирования двигательных установок летательных аппаратов (ЛА) различного назначения, с различным количеством двигателей.

3. Разработка методов прогнозирования и нормирования повышения надежности авиационных двигателей с учетом их назначения и числа на летательном аппарате.

4. Создание методики распределения требований к безотказности двигателей пр его модулям и системам на ранних этапах проектирования АД.

5. Выявление особенностей управления надежностью комбинированных двигательных установок и разработка рекомендаций по обеспечению их надежности.

Методы исследований Достижение поставленных целей осуществлялось путем расчетно-теоретических исследований и анализом надежности конкретных двигателей.

Построение вероятностной модели безопасности функционирования и идентификация модели прогнозирования и нормирования безотказности авиационных двигателей осуществлены с применением статистических методов и использованием данных об отказах авиационных двигателей более чем за 20 лет последних эксплуатации.

Решение задач прогнозирования безопасности и нормативного и статистического прогнозирования безотказности авиационных двигателей включают разработку алгоритмов и программного обеспечения. Определение параметров прогностической двухфакторной экспоненциально-логистической модели повышения безотказности осуществлялось методом случайного поиска.

Проверка разработанных моделей проводилась на базе данных, полученных из анализа опыта разработки и эксплуатации отечественных и зарубежных двигателей.

Научная новизна работы

1. Разработаны вероятностные модели безопасности функционирования авиационных двигателей, выявлены закономерности, количественно отражающие влияние отказов различных элементов двигателя на вероятность нелокализованных разрушений и других опасных отказов двигательных установок с учетом назначения ЛА и количества двигателей на нем.

2. Разработаны методы прогнозирования безопасности функционирования двигателей, впервые отражающие влияние

- назначения летательного аппарата,

- количества двигателей на нем,

- совершенства системы контроля состояния,

- совершенства летательного аппарата и двигателей, характеризуемого критичностью отказов различного типа.

3. Разработаны методы прогнозирования безотказности авиационных двигателей, необходимые для обеспечения надежности двигателей до уровня, который необходим для обеспечения требуемой безопасности функционирования и эффективности в первые же годы после начала эксплуатации, а не в результате многолетней эксплуатационной доводки, характерной для двигателей прошлых поколений (как отечественных, так и зарубежных).

4. Выявлены особенности управления надежностью комбинированных авиационных двигательных установок и

разработаны рекомендации по обеспечению безопасности функционирования и эффективности использования комбинированных авиационных двигательных установок (в частности - двигателей самолетов с УКВВП).

Практическая ценность работы Результаты исследований нашли практическое применение при проведения анализа безопасности функционирования; двигателей ТВ7-117С; ТВД-20, Д-436 (Т1, ТП), РД-1700, ВК-2500, РПД "ВАЗ-4262" и др. на этапе их сертификации, при разработке требований к безопасности функционирования ряда двигателей (РД-1700, ВК-1500, АИ-222-25), при формировании облика перспективного двигателя для гражданской авиации ТРДЦ-2005 и перспективного ТРДДФ для ВА. Кроме того, полученные результаты использованы при создании, находящихся в стадии согласования, новых нормативно-технических документов - «Норм безотказности двигателей гражданской и военной авиации», "Методики оценки показателей безотказности двигателей военной авиации по результатам эксплуатации при малой годовой наработке парка".

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на ряде международных и межотраслевых конференций, в том числе на Международной конференции "Безопасность полетов", (г. Жуковский, 1993г); XXV Международном научно-техническом совещании по проблемам прочности двигателей (г. Москва, 1994г); Межотраслевой научно-технической конференции "Совершенствование методов и средств стендовых испытаний ВРД и их узлов" (г. Лыткарино, 1995г); Международной научно-практической конференции "Обеспечение безопасности полетов в новых экономических условиях" (г. Киев, 1997г.); Международной конференции "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации" (г. Москва, 1999г.), Объединенной Международной конференции, посвященной памяти Н.Д. Кузнецова (г. Самара, 1999г.); Международной научно-технической конференции

"Надежность машин, механизмов, оборудования" (Славское,

Украина, 2000г.); Международной конференции "Двигатели XXI века" (г. Москва, 2000г.).

Достоверность Проверка разработанных моделей и методов проводилась на базе данных, полученных из анализа опыта разработки и эксплуатации отечественных и зарубежных двигателей. Достоверность результатов работы подтверждена статистической обработкой базы данных об эксплуатации двигателей более чем за 20 лет.

Связь темы диссертации с планами отраслей науки и пром ышленности Диссертационная работа выполнялась в соответствии с радом федеральных, межотраслевых и отраслевых программ (Федеральная "Программа развития гражданской авиационной техники России до 2000 года", программы НИР по темам "Стрепет", "Стоимость", "Двигатель Ц-8" и др.), планами научно-исследовательских работ государственного научного центра "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова

Публикации

Содержание диссертационной работы опубликовано в 22 печатных работах общим объемом ~ 10 усл.п.л.: в восьми научных статьях и в четырнадцати тезисах докладов.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, содержащем статистические данные по нелокализованным отказам двигателей ГА. Работа изложена на _143_ страницах машинописного текста, в том числе содержит _Д9_ рисунков, 6 таблиц, библиографию из _109_ наименований.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность выполненных в диссертационной работе исследований, показана роль и место

прогнозирования безопасности функционирования и безотказности авиационных двигателей в системе статистического управления надежностью (в ЦИАМ это направление работ впервые сформулировал и развил В.М. Акимов). Дан краткий обзор литературы. На основе анализа состояния проблемы сформулированы цель и задачи работы.

Указано, что актуальность работы в значительной мере определяется реализуемой в последние годы тенденцией достижения высоких уровней надежности АД к началу эксплуатации

В первой главе работы проведены статистический анализ и обобщение данных по отказам, влияющим на безопасность полетов и безотказность авиационных двигателей гражданской авиации. ,

На базе статистической обработки данных по результатам эксплуатации зарубежных и отечественных двигателей ГА был выполнен , анализ нелокализованных отказов (разрушений и пожаров). : Установлено, что средняя наработка на нелокализованный отказ парка отечественных двигателей постоянно возрастает. По сравнению с периодом 1980- 1986гг., в период 1994-1999 гг. она возросла более чем в 2 раза (с 900 тыс. час до 1880 тыс. час). Выявлено также изменение в распределении нелокализованных отказов по элементам двигателя.; В первое семилетие (из рассмотренных 20 лет) превалировали нелокализованные отказы из-за разрушения роторных лопаток турбокомпрессора. В последнее семилетие превалировали нелокализованные отказы, связанные, в основном, с разрушением дисков. Уменьшение нелокализованных отказов, связанных с разрушением лопаток, в значительной мере связано с интенсификацией работ в обеспечение сертификационных требований.

С учетом тенденции произошедших изменений в структуре нелокализованных отказов определены условные вероятности нелокализованных отказов. Проведен анализ последствий отказов основных элементов ГТД (рис.1), который показал, что все элементы двигателя по степени критичности следует разбить

на три основные группы.

!

О-НЛх ~ 6 Рх * 6яЛ/Р»

1

0.5 О

-0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3

(£нл/р

Рис.1 Вероятность нелокализованных разрушений отдельных элементов ГТД

(Зр - вероятность разрушения; Ош - вероятность нелокализации; Онл/Р1 - условная вероятность нелокализованного отказа при разрушении 1 -го элемента; К - компрессор; Т- турбина

К группе А относятся элементы, вероятность критической отказа при разрушении каждого из которых весьма значима, например, диски турбины, валы (~0,1)

К группе В относятся элементы, вероятность критической ситуации при отдельных отказах которых значима, но не велика (-0,01...0,053) (например, покрывные диски турбины, лопатки вентилятора).К группе С относятся элементы, эксплуатируемые "по состоянию", без задаваемых заранее ресурсных ограничений (например, лопатки турбокомпрессора). Разрушения элементов этой группы опасны с точки зрения появления отказов, приводящих к выключению двигателя в полете.

Анализ летных происшествий ЛА гражданской авиации показывает, что из-за выключений одного из двигателей в полете, которое в дальнейшем сопровождается влиянием "человеческого фактора" происходят летные происшествия, хотя, согласно требованиям авиационных правил, самолет и двигатель должны быть сконструированы так, чтобы выключение в полете одного двигателя (при остальных исправно работающих) не привело к летному происшествию (ЛП). Поэтому в процессе разработки и доводки двигателя обеспечение высоких наработок на выключение в полете должно быть одной их главных задач. Этот тезис подтверждает мировая практика создания двигателей для пассажирских самолетов. Проведенный анализ отказов, приводящих к выключению двигателей в полете в зависимости от суммарной наработки парка и по годам эксплуатации показал, что для отечественных двигателей характерными отказами такого типа являются разрушения подшипников и других элементов двигателя (группы С) и отказы системы автоматического управления двигателем (САУ).

В связи с этим, одним из основных направлений работ по повышению наработки на выключение двигателя в полете должно стать уменьшение вероятности разрушения элементов, как правило, не вызывающих нелокализованных разрушений (в частности, лопаток компрессора) и создание высоконадежных элементов (узлов), используемых в САУ. Выявлены особенность обеспечения безопасности эксплуатации одномоторных самолетов и получения разрешения на полеты

па гсираиииш методов прогнозирования безопасности

функционирования и безотказности авиационных двигателей", представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.05 - "Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов".

Приложение: автореферат, 1 экз, 26 стр., для служебного пользования

Начальник ЦИАМ / В.А.Скибин

Федеральное государственное унитарное предприятие

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННОГО МОТОРОСТРОЕНИЯ им. П.И. БАРАНОВА

111250, Моск-ва, Авиамоторная, 2 Тел.: 200-22-15: Факс: 267-13-54; E-mail: avim@ciam.ru

07.05.2001 004-07/292

о т___jm> ___

на № _ от_

1

Генеральному директору Российской государственной библиотеки В.В. Федорову

101000, г. Москва, ул. Воздвиженка, 3/5

RufTrm Rn^Trnrr 1ПИЧ I

по маршрутам увеличенной дальности двухдвигательными магистральными самолетами.

Вторая глава посвящена разработке вероятностной модели безопасности функционирования авиационных двигательных установок и методам прогнозирования безопасности функционирования с использованием разработанной модели.

Разработанная автором вероятностная модель безопасности базируется на разделении всех критических отказов двигателей на четыре основные группы:

нелокализованные отказы двигателей1 с вероятностью проявления (^о;

функциональные единичные критические отказы (отказы, вызванные реверсированием тяги, повышенным содержанием в воздухе, отбираемом в систему кондиционирования вредных примесей и др.), СЬ;

функциональные множественные отказы (отказы элементов двигателя, каждый из которых в отдельности не являясь критическим, при случайном одновременном проявлении может привести к аварийной ситуации), СЬ;

функциональные отказы, которые, не являясь критическими в обычных условиях, могут (в редких экстремальных ситуациях) привести к ЛП с учетом "человеческого фактора", СЬ.

Исходя из требований Авиационных правил, с использованием статистических данных по критическим отказам двигательной установки (рис. 2), определены необходимые вероятностные требования к безопасности

—8

функционирования АД РкрСУ ^ 3,3 -10 (на полет).

Штриховой линией показан достигнутый уровень вероятности по каждому типу критических отказов СУ.

К нелокализованным отказам относятся разрушения элементов двигателя, при которых обломки пробивают корпус, а также нелокализованные внутри двигателя пожары.

1(Г7

310?

10*

ЛА

СУ

0<рО

0<р1

л

Оф2

л.

ОсрЗ

Рис. 2 Требования к максимальным уровням вероятности критических

отказов

С учетом перечня опасных отказов двигателей, которые могут привести к критическим (вызывающим ЛП) отказам силовой

установки, можно записать следующие соотношения, характеризующие вероятность возникновения каждого типа отказов

^Окр.СУ = Е(КсЛ)- Пдв >

"2кр.СУ ~ I1(к21тд21о2т) ,

1 т

0зкр.су=1(к3гд3г)т1,

ДВ

В этих соотношениях:

(201 -вероятность нелокализованного отказа двигателя (за полет), связанного с отказом 1-го элемента (с учетом вероятности пожара из-за отказа элементов); - вероятность функционального единичного отказа (за

полет) из-за прекращения осуществления ]-й функции

д21,02т - вероятности двойных отказов двигателя (за полет), вызываемых 1-ми ,ш-ми отказами элементов, каждый из которых в отдельности не являясь опасным, при случайном одновременном проявлении может привести к аварийной ситуации; : С)3г - вероятность единичного (г-го) отказа, который, не | являясь критическим в обычных условиях, может с

учетом "человеческого фактора" привести к аварийной ситуации;

Ко;, К^, Кгы, Кзг - условные вероятности критического

отказа при возникновении отказов типа, указанного в ' соответствующем индексе. Тогда вероятностная модель прогнозирования безопасности функционирования будет иметь следующий вид:

! Ркрсу^=?(КаОйК +

; +2Е(к21тд21д2т)+2:(Кзгдзг)пдв.

С использованием этой модели осуществлено прогнозирование безопасности функционирования силовых установок ЛА различного класса в работе для следующих трех случаев:

1. Прогнозирование для нормативных (или требуемых) значений наработки на отказы для вновь создаваемых или модифицируемых двигателей.

2. Прогнозирование при внедрении мероприятий по устранению причин отказов отдельных элементов двигателя (для случаев, когда фактические наработки на отказы с опасными последствиями не соответствуют нормативным требованиям).

После внедрения мероприятий по устранению причин отказов исходная вероятность критического отказа

„ /-V исх

двигательной установки, (^крСУ уменьшится на величину

АС?кр.су> которая определяется для каждого типа отказов и

зависит от показателя коэффициента эффективности внедряемых

мероприятий, 0<кэф <1, указывающего долю, на которую

уменьшается вероятность устраняемого отказа после внедрения мероприятий.

Окр.СУ = ОкрСУ ~~ ^кр.СУ

Сопоставление величины (^.су с нормативными

требованиями к безопасности позволяет судить о достаточности (или недостаточности) мероприятий по устранению критических отказов.

3. Прогнозирование с учетом превентивных выключений двигателя для предотвращения нелокализованных разрушений. Реализация такого пути повышения безопасности полетов возможна только для случаев двух и более двигателей на ЛА.

Условиями применения превентивных выключений двигателя является превышение фактического значения наработки на выключение нормативных требований к ней и достоверность диагностических сигналов.

Поскольку диагностический сигнал к превентивному выключению соответствует лишь значимой вероятности, то не каждое выключение приводит к предотвращению нелокализованного отказа.

Соответственно, уменьшение вероятности

нелокализованного отказа (на полет) составит для каждого двигателя

Д<}

^„ел =

вык. прев

Кд

где ЛОвык.прев " увеличение вероятности выключений двигателя в полете в связи с превентивными выключениями;

Кд - количество выключений, "расходуемых" на одно предотвращенное нелокализованное разрушение.

Уменьшение вероятности ЛП из-за отказов СУ определяется выражением

_ К0 / 1___1 ч

■^д вык норм ^ВЫК

Видно, что результативность превентивных выключений двигателя в полете может быть тем выше, чем выше отношение исходной наработки на выключение НВЫ]С к нормативной МЕЫ1С НОрМ и чем выше качество диагностирования предотказных состояний двигателя (по отношению к нелокализованным отказам).

В третьей главе реализованы методы прогнозирования безотказности двигателей, находящихся в эксплуатации, нормирования повышения безотказности создаваемых двигателей (вновь проектируемых и модифицируемых), предложен один из путей решения задачи распределения суммарного прогнозируемого риска отказов модульных двигателей по отдельным модулям и системам.

В работе совершенствуется двухфакторная экспоненциально-логистическая модель прогнозирования надежности двигателей

ау(1к-1к0)

У

где

N¡¡(1^) - наработка на отказ 1 -го типа] -ой группы двигателей; 1 - индекс показателя безотказности (наработка на выключение -

Нтв, наработка на досрочный съем - 1Чдсд и т.д.), j - индекс (номер) группы двигателей.

В - величина, характеризующая долю "выгорающих" отказов в общем числе отказов, не устраненных к началу эксплуатации;

а = AinN/ AtK- характеристика темпа повышения безотказности при увеличении календарного времени начала эксплуатации,

Р - характеристика темпа "выгорания" устранимых отказов по суммарной наработке пс-_

tKH - календарный год начала эксплуатации парка двигателей; txo - календарный год начала эксплуатации парка двигателей, принимаемый за исходный при прогнозировании и нормировании;

А- уровень безотказности, ожидаемый к концу устранения всех "выгорающих" отказов двигателя, год начала эксплуатации которых tKH=tK0; ta - время эксплуатации, годы.

Разработана методика нормативного прогнозирования, в которой осуществлен переход от суммарной наработки двигателя в эксплуатации в часах к количеству лет эксплуатации в годах и от средней наработки на отказ в часах к средней наработке в полетных циклах.

Определение требований к безотказности вновь проектируемых двигателей рекомендовано осуществлять в три этапа:

1. В соответствии с данными в работе рекомендациями определить базовые нормативные начальные уровни безотказности (соответствующие началу эксплуатации в базовый год, Îko).

2. По приведенным ниже расчетным формулам, которые получены в работе, определить базовые нормативные уровни:

4 RSN о.05(1ш-2000) nhopm=-1 + 3 85e-Q.i5t3--для показателей

Nhb - наработка на выключение двигателя в полете, Nn -наработка на отказ в полете, Nm - наработка на летное происшествие двигателей однодвигательных самолетов. 2N 0.05(1^-2000)

норм ----- - для других (кроме

1 + е э

Nrm, Nn, Njm) показателей безотказности двигателей

однодвигательных самолетов и для всех показателей двигателей двух - и более двигательных самолетов.

В этих соотношениях Нннормо - базовый начальный уровень безотказности двигателей.

3. При необходимости, связанной с какими-либо особенностями в условиях создания или эксплуатации двигателей, произвести корректировку задаваемых уровней по отношению к базовым нормативным кривым.

Использование данных о безотказности двигателей за длительный период позволяет идентифицировать модель с целью ее применения для прогнозирования безотказности (отдельно - для каждого показателя для каждого типа двигателей). Результаты прогнозирования безотказности представлены на рис. 3 и 4.

Рис. 3 Результаты нормативного прогнозирования наработки на

выключение в полете перспективного двигателя ВА для однодвигательного ЛА при начальной нормативной наработке Мпвнорм= 35000, 40000 пц. (начало ввода в эксплуатацию -2005 год)

1э

1

Рис. 4 Результаты нормативного прогнозирования наработки на выключение в полете перспективного двигателя ГА для при начальной нормативной наработке МШкорк= ЮООО-ь 12000 п.ц. (начало ввода в эксплуатацию - 2005год.)

Для осуществления идентификации модели был разработан алгоритм, для применения которого должны быть известны статистические данные по безотказности двигателей прототипов. Процесс прогнозирования параметров безотказности включает три этапа:

а) накопление в "базе данных" статистических данных по фактическим показателям безотказности для конкретных типов двигателей;

б) нахождение параметров А, (X, В, Р прогностической

модели (идентификация модели роста безотказности);

в) прогнозирование показателей безотказности для заданного года начала эксплуатации и интервала времени от начала эксплуатации двигателя.

Вычисление параметров прогностической модели сводится к решению задачи минимизации функции Р четырех переменных. В общем случае функция Б представляется в виде:

Е(А,а,В,Р) = 2

1=1

т Гд.еа-(1к-2000)

V

1 + В-е~Иэ где А^ < А< А^а^ < а <атах,

Втт ^ В ^ Втах, РтЬ ^ Р ^ Ртах - ДИаПОЗОН возможных значений параметров прогностической модели ш - число экспериментальных точек, N,^,,,1^) - экспериментальные значения параметра

безотказности N для точки /' на íэ -ом году эксплуатации

2000- год отсчета календарного времени. Ввиду нелинейности функции относительно искомых параметров и невозможности применения метода наименьших квадратов решение ищется методом случайного поиска,

Полученные значения параметров прогностической модели используются затем для прогнозирования показателей безотказности. Результаты прогнозирования параметров безотказности представляются в виде графиков или таблиц.

Выявлены основные закономерности изменения

комплексного показателя N, учитывающего влияние безотказности двигателя и ресурса на поток съемов двигателя с ЛА для капитального ремонта, по поколениям и количеству лет

эксплуатации двигателя (рис. 5). Показатель N, в некоторой мере, комплексно характеризующий эффективность использования двигателей монотонно растет от поколения к поколению и по наработке

Установлена тенденция уменьшения темпа роста

показателя N по годам эксплуатации с каждым следующим

поколением, что отражается в резком уменьшении N от начала эксплуатации к периоду развитой эксплуатации парков АД. Так,

за 15 лет эксплуатации изменение N происходит следующим образом:

~ в 6 раз в III поколении двигателей; ~ в 3 раза в IV поколении; ~ в 1,5 раза в прогнозе для V поколения.

годы

Рис. 5. Закономерности повышения наработки на съем двигателя с ЛА по всем причинам ($) по поколениям и годам эксплуатации.

Это отражает реализуемую тенденцию к обеспечению надежности двигателей не путем длительной и дорогостоящей эксплуатационной доводки, а к началу эксплуатации.

Также в данной главе работы с использованием некоторых допущений получены зависимости параметра потока отказов и наработки на досрочный съем модулей по всем причинам от значений, характеризующих ресурс, наработку на досрочный схем по конструктивно-производственным причинам и сложность каждого из

модулей двигателя. Знание полученных величин в комплексе

свеличинами назначенного ресурса модулей т, ¡^ позволит своевременно определить необходимый объем замен модулей в эксплуатации и, соответственно, обеспечить необходимые объемы их выпуска.

В четвертой главе проведено исследование особенностей прогнозирования и обеспечения безопасности и эффективности использования комбинированных двигательных установок (КДУ).

Под КДУ здесь понимаются такие авиационные двигательные установки, в полетном цикле функционирования которых используется не менее двух двигателей (двигательных установок), выполняющих различные функции Примером таких агрегатов могут служить подъемная и маршевая силовые установки самолета вертикального (короткого) взлета и посадки (СВ(К)ВП). !

Весьма высокие требования, предъявляемые к уровню "бескритичности"1 отдельных процессов и элементов КДУ, не могут быть подтверждены непосредственно экспериментом, который бы проводился до возникновения критического отказа. В таких случая* уровень "бескритичности" рекомендуется обеспечивать и подтверждать заданием и контролем запасов (резервов), в частности, по нагружению, наработке, факторам, определяющим : потерю устойчивости, и по числу элементов (схемным резервированием).

"Бескритичность" агрегатов по отношению к отказам; критическая ситуация из-за которых вызывается не менее чем двумя отказами в ¡одном ¡эксплуатационном цикле, как правило, может отрабатываться непосредственно в процессе роста наработки. ,

Действительно, при требовании к вероятности каждого из таки^

I 2

отказов, ' определяемом соотношением (2 < С^ й

С>кр <10~8 ^Ю45,: величина С> = 1(Г4 -И(Г3 1/экспл.цикл.

Соответственно, для достижения требуемой безотказности необходима наработка К=103ч-104 экспл. цикл., что практически осуществимо в процессе доводки.

Для безопасной эксплуатации КДУ на величины ресурса агрегатов должно накладываться следующее ограничение: в течение всего ресурса (в том числе и в последнем рабочем цикле) должно

выполняться требование < .

Для КДУ, в состав которой входят П маршевых двигателей и Ш двигателей циклического применения (ДЦГТ) определены рациональные уровни показателей безаварийности (для случаев неудавшихся запусков и появления отказов, приводящих к выключению двигателя в полете, а также в случае нелокализованных

1 > 1

Под "бескритичностью" функционирования элементов

(модулей) КСУ понимается безотказность элементов по отношению к

тем отказам, которые непосредственно или в результате нарушений

выполнения функций приводят к катастрофической или к

аварийной ситуации

отказов). Эти уровни определены из решения задачи, которая сформулирована следующим образом: вероятность отказов должна быть такой, чтобы обеспечивалось выполнение требований к безаварийности эксплуатации ЛА (в отношении выключений двигателей и нелокализованных отказов) и безаварийной эксплуатации обычного двигателя (в отношении отказов в полете).

Проведен сравнительный анализ безопасности функционирования и надежности двигателей самолетов вертикального (короткого) взлета и посадки СВ(К)ВП, имеющих один и два подъемно-маршевых двигателя, который показал:

-для обеспечения требований безопасности полетов, подъемно-маршевый двигатель однодвигательного СВ(К)ВП должен наработку на отказ, приводящий к неустранимому выключению двигателя в полете, в 5 большую, чем наработка на такой отказ для СВ(К)ВП с двумя подъемно-маршевыми двигателями;

-для обеспечения одинаковой вероятности выполнения полетного задания двигатели СВ(К)ВП с двумя подъемно-маршевыми двигателями должны иметь наработку на отказ в полете в 2 раза выше, чем в случае СВ(К)ВП с одним подъемно-маршевым двигателем;

В главе также рассмотрены примеры, иллюстрирующие возможные подходы при распределении требований к безотказности между двигателями КДУ, состоящей из двух маршевых двигателей и двух двигателей циклического применения и КДУ самолета вертикального взлета и посадки, состоящей из одного маршевого и т. подъемных двигателей (ДЦП).

Основные результаты и выводы

1. Разработаны вероятностные модели безопасности функционирования авиационных двигателей, количественно отражающие влияние отказов различных элементов двигателя на вероятность нелокализованных разрушений двигателей и других опасных отказов двигательных установок, с учетом назначения ЛА и количества двигателей на нем.

2. Разработаны методы прогнозирования безопасности функционирования двигателей, отражающие влияние

назначения летательного аппарата, количества двигателей на летательном аппарате, совершенства летательного аппарата и двигателей, (характеризуемого критичностью отказов различного типа и совершенством системы контроля состояния двигателей).

3. Разработаны методы прогнозирования безотказности авиационных двигателей, необходимой для обеспечения

требуемой безопасности функционирования и эффективности их применения с момента ввода в эксплуатацию.

4. Разработаны методики, позволяющие количественно проводить оценку эффективности мероприятий по обеспечению надежности двигателей при решении задач:

определения требований к безотказности двигателей по отказам различного типа,

распределения требований к безотказности двигателя по его модулям (системам),

выбора стратегии повышения надежности двигателей при доводке и модифицировании,

определения целесообразности превентивных выключений двигателей в шлете для предотвращения нелокализованных отказов.

5. Исследованы особенности управления надежностью комбинированных авиационных двигательных установок! и разработаны рекомендации по определению уровней надежности, обеспечивающих безопасное функционирование комбинированных авиационных двигательных установок (в

частности - двигательных установок СВ(К)ВП).

* * *

Результаты исследований нашли практическое применение при проведении анализа безопасности функционирования двигателей в период сертификации, при формировании требований к безотказности и безопасности функционирования двигателей, при создании обл'ика перспективного двигателя для гражданской авиации ТРДД-2005 и перспективного ТРДДФ для ВА, внедряются в нормативно-технические документы «Нормы безотказности двигателей гражданской авиации и военной авиации», "Методика оценки показателей безотказности двигателей военной авиации по результатам эксплуатации при малой годовой наработке парка".

Основные результаты диссертации изложены в работах: 1. Абасов А.Л., Гусев В.М., Локпгганов Е.А. Повышение безопасности полетев летательных аппаратов с однодеигательной силовой установкой за счет превентивных съемов двигателя //: Совершенствование эксплуатации, технического обслуживания и ремонта техники на основе стандартизации в области технической диагностики и прогрессивных форм эксплуатации технического обслуживания и ремонта. Тезисы Всесоюзного научно-технического совещания, г. Н.Новгород 1991г. (0,1 п.л.)

2. Абасов A.JL, Гусев В.М., Локпгтанов Е.А., Морозов A.A. Проблемы синтеза бескритичности и эффективности высокотемпературных авиационных двигателей // Безопасность полетов. Тезисы докл. Международной конф. г. Жуковский, 1993г.-С. 1-34. (0,1 п.л.)

3. Абасов А.Л., Гусев В.М., Локшганов Е.А. Обеспечение надежности и ресурса перспективных двигателей гражданской авиации // Тезисы докл. XXV Международного научно-технического совещания по проблемам прочности двигателей, г. Москва, 1994г. (0,1 пл.)

4. Абасов А.Л., Гусев В.М., Долгополов И.Н., Локпгтанов Е.А., Севостьянов A.A. Вероятностное прогнозирование безопасности функционирования авиационных двигателей и их критических элементов // Совершенствование методов и средств стендовых испытаний ВРД и их узлов. Тезисы докл. конф. г. Лыткарино, 1995г.-С.303-304 (ОД пл.)

5. Абасов А.Л., Гусев В.М. Прогнозирование безопасности функционирования силовых установок самолетов различного назначения и их критических элементов // Обеспечение безопасности полетов в новых экономических условиях. Тезисы докл. Международной научно-пракшческой конф., 1997г., часть 2.-С253-254 (0.1 пл.)

6. Гусев В.М. Долгополов И.Н., Локштанов Е.А Разработка вероятностно-обоснованной системы установления и увеличения ресурса элементов авиационных двигателей // Современные научно-технические проблемы гражданской авиации. Тезисы доклады Международной конф., г. Москва, 1999г.- С.109-110. (0,1 п. л.)

7. Абасов А. Л., Гусев В.М. Прогнозирование безопасности функционирования силовых установок самолетов различного назначения // Современные научно-технические проблемы гражданской авиации. Тезисы доклады Международной конф., г. Москва, 1999г.-С. 110. (0,1 пл.)

8. Абасов А.Л., Гусев В.М., Долгополов И.Н., Локштанов Е.А. Применение "деревьев отказов" для подтверждения безопасности функционирования авиационных двигателей // Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе и проблемы конструкционной прочности двигателей. Тезисы докл Объединенной Международной конф., посвященной памяти Н.Д. Кузнецова, Самара, 1999г.- С.315-316. (0,1 п.л.)

9. Ножницкий Ю.А., Гусев В.М., Егоров И.В., Локштанов Е.А., Мокроус М.Ф. Надежность газотурбинных двигателей //

Надежность машин, механизмов, оборудования. Тезисы докл. Международной научно-технической конф., Украина, п. Славское, 2000, С.84-85. (0,1 пл.)

10. Гусев В.М., Локпгтанов Е.А, Синицьш A.A. Прогнозирование безотказности и безопасности функционирования сложных совершенствуемых машин на примере авиационных двигателей // Надежность машин, механизмов, оборудования. Тезисы докл. Международной научно-технической конф., Украина, п. Славское, 2000, С.25-26. (0,1 п.л.)

11. Абасов А.Л. Гусев В.М., Локштанов Е.А., Синицьш A.A. Статистическое и нормативное прогнозирование безотказности авиационных двигателей // Двигатели XXI века. Тезисы докл. Международной научной конф., часть I, Москва, 2000, С.235-236. (0,1 п. л.)

12. Гусев В.М., Долгополов И.Н., Локштанов Е.А. Вероятностная концепция управления безопасностью функционирования авиационных двигателей я их элементов // Двигатели XXI века. Тезисы докл. Международной научной конф., часть I, Москва, 2000, С.237-238. (0,1 п.л.)

13. Гусев В.М. Вероятностное прогнозирование безопасности функционирования авиационных двигателей при различной исходной информации И Двигатели XXI века. Тезисы докл. Международной научной конф., часть I, Москва, 2000, С.296-297. (0,1 п. л.)

14. Абасов А.Д Гусев В.М., Ждановский A.B. Селиванов О. Д Разработка требований к безотказности двигателей в полете и принципов обеспечения надежности двигателей однодвигательных самолетов // Двигатели XXI века. Тезисы докл. Международной научной конф., часть II, Москва, 2000, С.67-68. (0,1 п.л.)

15. Локштанов Е.А, Гусев В.М., Долгополов И.Н., Синицьш A.A. Вероятностная концепция определения пределов безопасного функционирования критических элементов авиационных двигателей И Вопр. авиац. науки и техники. Сер. Авиац. двигателестроение. ЦИАМ. 2000. Вып.1.(1315). С.5-29. (1,8 п.л.)

16. Гусев В.М. Вероятностное прогнозирование безопасности функционирования силовых установок самолетов гражданской авиации // Вопр. авиац. науки и техники. Сер. Авиац. двигателестроение. ЦИАМ. 2000. Вып.1.(1315). С.30-48. (1,3 п.л.)

17. Абасов А.Л. Гусев В.М., Локштанов Е.А. Формирование требований к безопасности функционирования двигателей магистральных самолетов // Вопр. авиац. науки и техники. Сер.

Авиац. двигателестроение. ЦИАМ. 2000. Вьш.3.(131б). С.4-14. (0,8 п. л.)

18. Локшганов Е.А., Абасов А.Л. Гусев В.М., Синицын A.A. Статистическое и нормативное прогнозирование безотказности авиационных двигателей И Вопр. авиац. науки и техники. Сер. Авиац. двигателестроение. ЦИАМ. 2000. Вып.3.(1316). С.15-28. (0,9 п.л)

19. Гусев В.М., Локшганов Е.А, Синицьш A.A. Анализ возможности повышения безопасности полетов многодвйгательного самолета путем предотвращения нелокализованного отказа двигателя "превентивным" выключением в полете П Вопр. авиац. науки и техники. Сер. Авиац. двигателестроение. ЦИАМ. 2000. Вып.3.(1316). С.29-34. (0,4 п.л.)

20. Гусев В.М. Определение средних наработок на съем модулей двигателя из-за отказа и выработки ресурса // Вопр. авиац. науки и техники. Сер. Авиац. двигателестроение. ЦИАМ. 2000. Вып.4.(1318). С.57-62. (0,4 п.л.)

21. Гусев В.М., Сивохин И.С. Обеспечение безопасности и эффективности использования комбинированных силовых установок // Вопр. авиац. науки и техники. Сер. Авиац. двигателестроение. ЦИАМ. 2000. Вып.3.(1316). С.63-89. (2 пл.)

22. Гусев В.М., Локшганов Е.А, Нуруллаев Т.А., Синицын A.A. Статистическое прогнозирование безотказности и безопасности функционирования авиационных двигателей // Научный вклад в создание авиационных двигателей, книга 1. М. Машиностроение. 2000. С.623-630 (0,7 п.л.)