автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка методов согласованного управления безотказностью авиационных двигателей и ресурсом их элементов

На правах рукописи

Л'1Я служебного пользования Экз.ЛЬ

ДОЛГОПОЛОВ Илья Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СОГЛАСОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОТКАЗНОСТЬЮ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И РЕСУРСОМ ИХ ЭЛЕМЕНТОВ

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 Е.А. Локштанов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор М.Е. Колотников кандидат технических наук,

старший научный сотрудник А.И. Ланшин

Ведущая организация - ГУЛ "Завод им. В.Я. Климова", г. Санкт-Петербург

Защита состоится 2001 года в часов на заседании

диссертационного совета №ССД 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 авиационного моторостроения им.П.И.Баранова

Автореферат разослан 2001 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

В.И.Гуров

Актуальность темы Система создания. сертификации. эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей должна непрерывно совершенствоваться - по мере их усложнения и удорожания и. соответственно, в связи с возрастающей остротой проблемы обеспечения высокого технического уровня двигателей и технико-экономической эффективности процессов их создания и применения. Для этого необходимы прогресс в теории авиационных ГТД и в областях их конструирования и технологий, внедрение новых материалов, переоснащение предприятий, совершенствование стратегий эксплуатации, решение других научных, технических, организационных проблем. В частности. для повышения безопасности и эффективности создания и применения авиационных двигателей требуется разработка методов согласованного управления безотказностью авиационных двигателей и ресурсом их элементов, а также совершенствование методов определения безопасного ресурса элементов двигателей.

Диссертационная работа посвящена постановке и решению связанного с этим комплекса научно-технических задач, что и определяет ее актуальность.

Цель работы

Разработка методов вероятностно обусловленного определения безопасного ресурса элементов двигателей, а также методов согласованного управления безотказностью двигателей и ресурсом их элементов, направленная на повышение безопасности функционирования и эффективности создания и применения авиационных ГТД.

Задачи исследования В соответствии с целью работы на основе единого подхода, связанного с анализом рисков, решался следующий комплекс задач: Выявить влияние безотказности авиационных двигателей и ресурса их элементов на риски, связанные с их созданием и эксплуатацией;

Разработать методические основы согласования безотказности и ресурсных характеристик - применительно к различным, в том числе перспективным, стратегиям эксплуатации двигателей военной и гражданской авиации; Разработать методические основы и алгоритмы для вероятностно обоснованного определения безопасного

ресурса элементов двигателей по совокупности всех располагаемых разнородных данных. Разработать программное обеспечение созданных алгоритмов.

Связь темы диссертации с планами отраслей пауки и промышлепн ости Диссертационная работа выполнялась в соответствии с рядом межотраслевых и отраслевых программ ("Программа развития гражданской авиационной техники России до 2000 года", программы НИР по темам "Стоимость", "ТУФ" и др.), планами научно-исследовательских работ государственного научного центра "Центральный институт авиационного моторостроения им.П.И.Баранова".

Научная новизна работы

1. Проведено исследование влияния безотказности авиационных двигателей и их ресурсных характеристик на уровень технико-экономических рисков, связанных с отказами двигателей и исчерпанием их ресурса или исчерпанием разрешенных наработок при эксплуатации по техническому состоянию. Выявлены возможности существенного уменьшения указанных рисков при целенаправленном комплексном управлении безотказностью двигателей и их ресурсными характеристиками -особенно при перспективных стратегиях эксплуатации двигателей по техническому состоянию.

2. Разработаны методические основы оптимального согласования показателей безотказности и ресурсных характеристик двигателей применительно к различным стратегиям эксплуатации двигателей.

3. С целью повышения эффективности управления надежностью двигателей с использованием анализа рисков разработаны рекомендации по совершенствованию системы гарантийных взаимоотношений между Поставщиками и Эксплуатантами двигателей применительно к гарантиям безотказности двигателей.

4. С использованием требований Авиационных правил относительно максимально допустимых рисков (вероятностей) катастрофических ситуаций, регламентации Авиационными правилами максимальных величин рисков при нелокализованных отказах двигателей, а также данных об условных вероятностях нелокализованных разрушений и неустранимых в полете

выключений двигателя при различных его отказах, с целью разработки вероятностно обусловленной системы установления ресурсов элементов двигателей выявлены максимально допустимые вероятности отказов элементов двигателей в зависимости от уровня их критичности.

5. Разработаны методические основы, алгоритмы и программы для ПЭВМ. позволяющие с использованием максимально допустимых рисков отказов определять вероятностно обоснованный безопасный ресурс элементов двигателей.

6. Выявлены закономерности влияния на устанавливаемый ресурс элементов двигателей следующих факторов:

- максимально допустимый риск (вероятность) разрушения элементов;

- разброс долговечности элементов;

- количество испытанных образцов;

- продолжительность испытаний;

- исходы испытаний.

Практическая ценность работы Результаты исследований нашли практическое применение при разработке требований к безотказности и ресурсным характеристикам вновь создаваемых двигателей: РД-1700, ТВ7-117С. ТВ7-117В, модификаций двигателя АЛ-31Ф. перспективного двигателя для гражданской авиации ТРДД-2005 и перспективного ТРДДФ; при анализе конкурентоспособности эксплуатирующихся двигателей и их планируемых модификаций: ПС-90А. Д-18Т, Д-36, Д-436. Полученные результаты используются при разработке новых редакций НТД "Нормы прочности ГТД гражданской авиации", "Нормы прочности ГТД военной авиации", "Нормы безотказности двигателей гражданской авиации". Разработаны рекомендации, использованные при установлении системы гарантийных взаимоотношений поставщиков и эксплуатантов газотурбинных двигателей производства АО "Мотор Оч".

Методы исследований Достижение поставленной цели осуществлялось путем теоретических исследований и идентификацией полученных результатов с практикой создания и эксплуатации отечественных двигателей как гражданской, так и военной авиации.

Разработка методических основ и алгоритмов вероятностно обоснованного определения ресурса элементов АД по совокупности

разнородных данных потребовали, помимо использования методов теории вероятностей и математической статистики, создания специализированного программного обеспечения.

Для определения системы допустимых рисков при разрушениях элементов двигателей гражданской авиации использованы требования Норм летной годности (АП-25) и требования ЕТОРБ. а при разрушениях элементов двигателей военной авиации - требования Норм безопасности (БНКТ) и Норм безотказности.

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием теории и практики, хорошей корреляцией с результатами других исследований, отечественных и зарубежных.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на ряде международных и межотраслевых конференций, совещаний и деловых встреч, в том числе на Межотраслевой научно-технической конференции "Совершенствование методов и средств стендовых испытаний ВРД и их узлов" (г. Лыткарино, 1995г); Всероссийской конференции "Надежность механических систем" (г. Самара, 1995 г.); Международной научно-практической конференции "Безопасность полетов в новых экономических условиях" (г. Киев, 1997г.); Международной конференции "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации" (г. Москва, 1999г.), Объединенной Международной конференции, "Проблемы конструкционной прочности двигателей" (г. Самара, 1999г.), Международной конференции "Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций" (г. Киев, Украина, 2000г.); Международной конференции "Двигатели XXI века" (г. Москва, 2000г.).

Публикации

Содержание диссертационной работы опубликовано в 17 печатных работах: в шести научных статьях и в одиннадцати тезисах докладов.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 114 наименований. Объем работы составляет 135 страниц, в том числе рисунки и таблицы на 46 страницах.

Содержание работы

В первой главе работы обоснована актуальность выполненных в диссертационной работе исследований, показаны роль и место согласованного управления безотказностью авиационных двигателей и ресурсом их элементов в системе управления надежностью. Дан обзор литературы. На основе анализа состояния проблемы сформулированы цель и задачи работы.

Постановка и решение задач, направленных на согласование различных аспектов технического совершенства авиационных двигателей, характеризующих безопасность его функционирования и эффективность его создания и применения, восходят к работам и идеям В.М. Акимова и Н.Д. Кузнецова. Решение задач определения вероятностно обоснованного максимального ресурса элементов авиационных двигателей неразрывно связано с общими подходами вероятностного решения задач прочности и долговечности элементов машин, разработанных C.B. Серенсеном, В.В. Болотиным, И. А. Биргером. В диссертации приведен обзор научных работ и нормативно-методических документов по рассматриваемой проблеме.

В практике оценки и обеспечения надежности отечественных авиадвигателей приблизительно до середины 80-х годов господствовала концепция необходимости такого сочетания показателей безотказности и авиационных двигателей, при котором объем досрочного (до очередного планового капитального ремонта) съема двигателей из-за отказов не превышал 15-20% от эксплуатирующегося парка. Это приводило к искусственному сдерживанию наращивания ресурса двигателей и, как следствие этого, перегруженности предприятий плановыми ремонтами двигателей, а в эксплуатации - к нехватке исправных двигателей (несмотря на существенный "резерв" двигателей в оборотном фонде). Данная концепция, в сочетании в весьма тщательной отработкой двигателей в комплексе специальных и ресурсных испытаний. способствовала поддержанию безопасности эксплуатации, однако - за счет эффективности использования двигателей.

В 80-е годы в производстве и эксплуатации были освоены весьма сложные и дорогие двигатели нового поколения, и в то же время проявился явный недостаток средств на поддержание двигателестроения "любой ценой". В связи с этим четко выявилась проблема необходимости обеспечения безопасности функционирования двигателей и высокой вероятности выполнения

полетных заданий так. чтобы это не приводило к недопустимо высоким затратам из-за больших объемов выпуска и ремонта двигателей, необходимых для бесперебойной эксплуатации. Возникшая необходимость обусловила постановку и решение комплекса задач, направленных на качественное повышение технико-экономической эффективности процессов создания и эксплуатации двигателей.

Все большее значение в обеспечении эффективности применения и конкурентоспособности двигателей приобретает совершенствование системы управления их безотказностью и ресурсными характеристиками - в согласовании с системой обеспечения безопасности функционирования. Мировой опыт показывает, что существенным методическим подспорьем для решения многоцелевой проблемы повышения эффективности использования двигателей в сочетании с обеспечением требований к безопасности является использование на всех этапах создания, доводи! и эксплуатации двигателей анализа рисков, в том числе вероятностных рисков катастрофических ситуаций, регламентируемых Нормами летной годности (или Нормами безопасности для двигателей военной авиации).

В последние годы активно разрабатываются и внедряются прогрессивные стратегии эксплуатации двигателей по техническому состоянию, соответствующие так называемым. 2-й и 3-й стратегиям управления ресурсами двигателя. При этих стратегиях определяющими для установления разрешенной наработки двигателя становятся не испытания двигателя, а экспериментальное или расчетно-экспериментальное определение безопасных ресурсов его основных элементов.

После создания этих предпосылок стало целесообразным разрабатывать и внедрять вероятностно обусловленные методы управления безотказностью и ресурсными характеристиками двигателей - от их оптимального согласования при проектировании двигателя до применения при установлении и увеличении ресурсов элементов и, соответственно, разрешенных наработок двигателей.

Вторая глава диссертации посвящена вопросам определения рисков при создании и эксплуатации авиационных двигателей.

В авиации с понятием риска часто связано представление о возможных событиях с катастрофическими последствиями и потерями, которых, в соответствии со сложившейся точкой зрения, следует избежать любой ценой. При ожидаемых потерях, связанных

с жизнью и здоровьем людей, наиболее четко это представление выражено в соответствующих инструкциях, например. в Авиационных правилах: "Путем анализа должно быть показано, что любая возможная неисправность или любой возможный одиночный или множественный отказ, или любая возможная неправильная эксплуатация двигателя не вызовут па нем: (а) нелокалнзованный пожар: (Ь) иелокачизованное разрушение...".

Полностью свободной от риска техники не существует, несмотря на самые большие затраты по ее соданию. Однако решению технических задач далеко не всегда сопутствуют катастрофические обстоятельства. Ущерб от некоторого события может оказаться ничтожно малым по сравнению с затратами на предотвращение такого события. Поэтому понятие риска в технической сфере следует определить несколько иначе по сравнению с традиционным. Учитывая необходимость количественных оценок, можно использовать следующую формулировку: величина риска определяется как произведение величины ущерба от события на меру возможности его наступления.

Последствие А нежелательного события или состояния может в соответствии с его величиной описываться и оцениваться с использованием соответствующих параметров. Диапазон последствий при этом может быть весьма широк — от экономического до этического ущерба. Мерой возможности наступления события служит вероятность 0 его наступления. Отсюда следует выражение для риска Л:

При угрозе материальным ценностям степень риска часто измеряется в денежном выражении - оценивается экономический риск. Если же различные последствия нежелательного события одинаковы или очень велики, то для сравнения последствий достаточно рассматривать только соответствующие вероятности. Наряду с этим может возникнуть и угроза ценностям, которую нельзя выразить количественно, например, в случае, когда последствия события нельзя оценить достаточно полно. Примером могут служить аварии энергетических и газоперекачивающих газотурбинных установок, приводящие к столь различным экономическим последствиям в различных областях народного хозяйства, которые не могут быть оценены. В этом случае мерой риска целесообразно принять вероятность возникновения катастрофической ситуации, т.е. оценить технический риск.

Риск может быть связан с факторами, не поддающимися учету. Так. вред, наносимый в результате аварии самолета уникальному архитектурному сооружению, или последствия выхода из строя телецентра практически невозможно оценить в денежном выражении. Невозможно также определить вероятность данных событий.

В диссертации рассматриваются различные аспекты применения анализа рисков, которые в достаточной степени соответствовали бы решаемым техническим задачам.

В третьей главе рассматривается согласование ресурсных характеристик авиационного двигателя и его безотказности при различных стратегиях эксплуатации.

Формируется, применительно к внедряемым новым стратегиям эксплуатации, комплексный показатель средней наработки на съем двигателя.

Интенсивность стационарного потока съема двигателей Истац может быть выражена формулой

Л =1

пстац ^ >

где N - средняя наработка двигателя на съем с самолета из-за отказов и выработки ресурса (в циклах).

Это соотношение, широко используемое для экспоненциального распределения, оказывается верным при достаточно общих предположениях о виде плотности распределения наработки двигателя до съема.

Для первой стратегии эксплуатации величина N может быть представлена в виде

V

рес рем

N = ресремР(\! рес реА),

О

где р(ыресрем ) - вероятность отработки двигателем ресурса

^ рес .рем

А'рес.реи без отказа, р(ырес рем )= 1 - ;

о

/(5) - плотность распределения наработки .V до отказа, приводящего к досрочному съему.

В предыдущих исследованиях было показано, что при развитой эксплуатации (когда эксплуатационная наработка большей

ю

части двигателей в парке в несколько раз превышает межремонтный ресурс) средняя наработка на съем из-за отказов и выработки ресурса может быть определена по формуле

Л' = .V г

дед

1-е

v ^

-v pec рем

УДСД

V У

где NдСд - наработка на досрочный съем двигателя.

При второй и третьей стратегиях эксплуатации выражение для определения средней наработки двигателя на съем может быть выведено лишь при определенных допущениях. Так, если ресурс незаменяемых в эксплуатации основных элементов двигателя составляет произвольные величины NресЛ, Nрес 2..... Nрес к (ни

одна из которых не равна и не кратна другой) и, кроме того, после отказов, приводящих к досрочному съему двигателей, эти элементы не заменяются, то

1

N,

111 1

+ + +...+

Л' , Л^ , Nr

" ДСД ^ pec. 1 i4 рес.2 14 рес.к

Если же, наоборот, эксплуатация всех элементов двигателя прекращается после отказа, то (при указанном условии отсутствия равенства и кратности)

N = N

ДСД

N

ДСД

1-е

1 1

+ +...+

1 л'ргс2 1

рес.к

\ У

Если указанное условие не выполняется и несколько элементов имеет одинаковую величину ресурса NреС1, то в

приведенные соотношения эта величина включается один раз, а величины ресурса, кратные меньшим, не включаются в данные соотношения.

Приводятся подходы к определению экономически целесообразных соотношений ресурсных характеристик и безотказности авиационных двигателей.

1

При определении экономически целесообразных соотношений долговечности и безотказности возникает проблема выбора критерия. До возникновения новых экономических условий таким критерием, как правило, являлась минимизация суммарных затрат на создание, производство, эксплуатацию и ремонт парка авиационных двигателей.

В современных условиях актуальна минимизация затрат конкретного участника экономического процесса. Например, при подсчете оптимального соотношения для эксплуатирующей организации необходимо стремиться к уменьшению суммы затрат на закупку двигателей, комплектующих к ним и ремонт, а также к снижению убытков от простоя самолетов. Производитель и разработчик двигателей должны соизмерять затраты на доводку двигателя с обеспечением его конкурентоспособности. И, наконец, если и производство, и эксплуатация двигателей требуют затрат из одного источника (как, например, в военной авиации), то следует минимизировать суммарные затраты.

Для эксплуатирующей организации каждый съем двигателя сопряжен с экономическим ущербом, поэтому средняя наработка на съем двигателя по всем причинам является одним из важнейших критериев оценки конкурентоспособности двигателя (решающим при одинаковой значимости прочих факторов).

При второй (и, тем более, третьей) стратегии эксплуатации рациональное соотношение ресурсных ограничений и наработок на досрочный съем должно быть трансформировано применительно к ресурсным ограничениям на различные элементы двигателей конкретных типов (корпуса, диски, лопатки - с учетом особенностей процедур установления и увеличения их ресурса - эксплуатационных наработок при эксплуатации по техническому состоянию). При этом должно учитываться различие в объемах работ, необходимых для определения безопасного ресурса разных элементов, которое вызвано, в частности, разной степенью контроля состояния конкретных деталей в условиях эксплуатации средствами диагностирования, а также разницей в степени критичности конкретных деталей, разбросов их долговечностей.

Выведенные соотношения позволяют формировать наиболее дешевые и эффективные методы повышения величины комплексного показателя N как при проектировании, так и при эксплуатации. В первую очередь должна быть обеспечена кратность ресурса элементов таким образом, чтобы элементы с разным ресурсом заменялись одновременно при одном "посещении цеха".

Как известно, для эффективной эксплуатации авиационного ГТД по техническому' состоянию на каждом конкретном экземпляре двигателя должно производиться отслеживание остаточного ресурса основных элементов. Разработанные подходы позволяют выявить случаи, когда целесообразным становится прекращение эксплуатагрш отдельных элементов, не выработавших ресурс, если в дальнейшем это позволит избежать хотя бы одного съема двигателя.

В диссертации описывается применение комплексного показателя N для сравнения конкурентоспособности отечественного двигателя ПС-90А с зарубежными двигателями Р\¥2337и11В211.

Излагаются подходы к выбору рациональной стратегии направления средств на повышение надежности двигателей.

При первой стратегии эксплуатации для повышения надежности двигателя (увеличения величины комплексного показателя N) основные усилия должны быть направлены на увеличение меньшего из двух показателей - N рес рем или Nд^д .

Если величина межремонтного ресурса Nресрем значительно меньше показателя ^ дед - т0 основные усилия следует направлять на увеличение и подтверждение долговечности тех критических элементов, которые сдерживают повышение N рес рем . Если же

величина Nрес рем существенно больше ^ дед - то следует провести

анализ потока отказов, приводящих к досрочному съему двигателей, и направить максимальные усилия на устранение причин тех отказов, которые составляют наибольшую долю в потоке досрочных съемов.

Приводятся соотношения для определения рациональной стратегии направления средств на повышение надежности двигателей.

Четвертая глава посвящена оценке выполнения гарантийных обязательств поставщика (изготовителя) авиационных двигателей в отношении уровней показателей безотказности, проводимой с использованием анализа рисков.

Наряду с основной гарантией на двигатель (полное или частичное возмещение затрат на устранение отказа) поставщик может предоставлять заказчику гарантии на минимальные уровни отдельных показателей его безотказности, например, наработку на

выключение двигателя в полете (или на останов наземной газотурбинной установки). Для каждого такого показателя устанавливается определенный гарантируемый уровень и условия оценки его фактической величины.

Оценка выполнения гарантий по уровню безотказности обычно производится сравнением статистической оценки

фактических значений наработки на отказ Т*факт со значениями

*

соответствующих гарантированных показателей Тгар: при Тфакт >Тгар

гарантия считается выполненной. Если по результатам согласованной оценки фактический уровень показателя окажется хуже гарантированного, то поставщик выплатит заказчику штраф, размер и условия выплаты которого оговариваются в контракте по каждому виду гарантируемого показателя.

Но при малых парках двигателей, на которые дается

гарантия, или при малых наработках парков весьма вероятна

*

ситуация, при которой статистическая оценка Тфакт фактического

значения Тфакт окажется ниже действительного значения показателя Тфакт (которое соответствовало бы оценке безотказности в большом парке аналогичных изделий). Поэтому целесообразно в таких случаях производить процедуру оценки выполнения гарантии, заключающуюся в сравнении фактического количества отказов тфакт с некоторым контрольным количеством отказов пгконтр .

Гарантия считается выполненной при >Пфакт < ткошпр .

Каждый отказ сверх контрольного количества отказов является "штрафным" (т.е. связан со штрафными санкциями). Число штрафных отказов тштраф определяется как

Мштраф ~ Мфакт контр ■

Контрольное количество отказов тконтр зависит от:

фактической величины суммарной наработки <Сфакт изделий,

на которые распространяется соответствующая гарантия, за

оцениваемый период эксплуатации;

величины гарантируемой наработки на отказ Тгар;

технико-экономического риска поставщика Я, равного вероятности того, что при соответствии фактического значения

Тфакт гарантируемой наработке на отказ Тгар гарантия окажется невыполненной, т.е. >Пфаюп будет превосходить >пконтр .

Чем меньше контрольное число отказов, тем больше риск И.. Значение И должно устанавливаться при заключении договора о гарантийном обслуживании.

При применении распределения Пуассона тконтр связано с

риском поставщика Я и параметром распределения а следующей зависимостью:

^ контр 1 ^ контр 1

1- У --а'-еа </?<1- У -■а,-еа.

^ /I ^ /!

1=0 1=0 '

В диссертации определены значения ткоитр при различных величинах риска Я. применительно к различным диапазонам контролируемых значений параметра аконтр .

Цена гарантии Цг уровня безотказности (дополнительная к стоимости основного контракта сумма, выплачиваемая заказчиком поставщику при установлении гарантийных взаимоотношений) определяется отдельно для каждого показателя безотказности по формуле:

Цг ~ С'штраф х тштраф? где Сштраф - величина штрафа за каждый "штрафной" отказ

соответствующего типа. Величина штрафа определяется исходя из ущерба заказчика, который он может понести из-за нарушения гарантии; "¡штраф " математическое ожидание превышения фактического числа отказов над контрольным числом отказов.

В работе приведен алгоритм определения тштраф в зависимости от прогнозируемой величины суммарной наработки 1С за гарантийный период тех изделий, на которые распространяется соответствующая гарантия, величины гарантируемой наработки на отказ Тгар и риска Поставщика (Изготовителя) Л. Приводятся примеры расчетов по данному алгоритму.

Пятая глава диссертации посвящена определению системы рисков при разрушении элементов авиационных двигателей.

Одним из возможных способов решения проблемы обеспечения безопасности функционирования перспективных двигателей, является переход к последовательному применению вероятностных подходов к определению допустимых пределов нагружений и наработок основных элементов двигателей. Такие подходы должны использоваться как при проектировании двигателей, так и при испытаниях, направленных, в частности, на установление (увеличение) безопасных ресурсов элементов.

Для применения на практике вероятностных подходов необходимо решение, по крайней мере, двух комплексов задач:

- определение системы вероятностей безопасного функционирования двигателей и их элементов;

- определение системы характеристик разброса (по нагрузкам и долговечностям) перспективных материалов и элементов двигателей, создаваемых с использованием новых материалов, технологий, конструктивных решений).

В диссертационной работе проводится анализ действующих нормативных документов с целью определения системы рисков при разрушении элементов авиационных двигателей.

Согласно пункты 3.3.1. и 2.8. раздела А-0 ч.25 Авиационных правил, "каждое отказное состояние (функциональный отказ ...), приводящее к возникновению катастрофической ситуации (катастрофического эффекта)" должно оцениваться как практически невероятное (т.е. обладать вероятностью £?<10~9). Отсюда следует требование

где (); - вероятность рассматриваемого отказа за полет;

Р^/ - условная вероятность у-го "вторичного" отказа (как

следствия при отказе "/"; /V -условная вероятность

/]

к-го "вторичного" отказа (как следствия при отказе 'У"; и т.д. - вплоть до РКат/ - условной вероятности катастрофической ситуации

как следствия последнего из отказов в рассматриваемой цепочке.

Данное неравенство использовано для определения вероятностных требований к неразрушаемости элементов двигателя в случаях, когда их разрушения могут приводить к нелокализации

обломков. Использовано также указание п.2.4. А-0 АП-25 на то, что при удовлетворении конструкции ЛА Авиационным правилам условная вероятность катастрофической ситуации при нелокализации крупных фрагментов ротора двигателя (например, крупных фрагментов дисков) составляет в среднем 1/20 и ни на одном участке полета не должна более чем вдвое превышать эту величину.

При нелокализации других (средних) фрагментов ротора двигателя (элементов обода дисков, отдельных крупных лопаток компрессора или турбины) условная вероятность возникновения катастрофической ситуации (по АП-25) составляет в среднем 1/40 и ни на одном участке полета не должна превышать вдвое указанную среднюю величину.

Еще более мелкими элементами ротора (такими, как лопатки последних ступеней компрессора) корпуса двигателей не должны пробиваться. Поэтому вероятностные требования к неразрушаемости таких элементов не могут быть определены из анализа "отказов с опасными последствиями". Однако имеется другое ограничение -предельная частота выключений двигателя.

Исходя из нормативных наработок на неустранимые в полете выключения двигателей магистральных самолетов Тпв>20000 ч для двигателей БМС и CMC и Тпв ^ 50000 ч для двигателей ДМС, эксплуатирующихся на маршрутах ETOPS (с удалением от адекватного аэродрома на 120 и 180 минут), имеем

QnB< (2 *5) -КГ5, (на час полета, а в перспективе - на полет). При определении максимально допустимой вероятности выключения двигателя принимается во внимание не только риск выключения двух двигателей в полете, но и риск катастрофической ситуации при одном выключенном двигателе в экстремальных условиях, с учетом "человеческого фактора".

Таким образом, в зависимости от степени критичности элемента сформулирована система требований к максимально допустимому риску разрушений и других отказов элементов двигателя. В соответствии с обычной практикой, все детали делятся на 3 группы (I, II, III). К группам I и II отнесены, соответственно, элементы, разрушения которых приводят к нелокализации "крупных" и более мелких (средних) фрагментов (по классификации АП-25). В частности, полотно дисков, валы, иногда вентиляторные лопатки относятся к группе I, обода дисков, иногда вентиляторные и другие крупные лопатки - к группе II. К группе III относятся

элементы, разрушения которых не должны приводить к нелокализованным отказам двигателя, но вероятным следствием которых являются неустранимые в полете выключения (лопатки турбокомпрессора, элементы САУ, ...). При этом, исходя из проведенных выводов, для деталей каждой из групп может быть установлена максимальная вероятность отказа:

группы I - етах = 10~8;

группы II - 0тах = КГ7 ;

группы III-Отах = 1(Гб (на час полета, а в перспективе - на полет).

Система рисков при разрушениях элементов двигателей военной авиации базируется на требованиях к безопасности функционирования и безотказности двигателей "Норм безопасности" и созданных на основе требований БНКТ, с дополнительной дифференциацией требований с учетом количества двигателей на ЛА. и "Норм безотказности двигателей".

Вероятностные требования к неразрушаемосги элементов ГТД ВА выведены аналогично требования к элементам ГА. Результаты сведены в таблицу.

Группа ГТД ГТД двух- ГТД одно-

элементов ГА и ВТА двигательных двигательных

маневренных маневренных

самолетов • самолетов

I 10'8 Ю"7 Ю^КГ6

II 10" 10" 10ь

III Ю"6 Ю-5 10ь

По этим данным могут быть рассчитаны максимально допустимые риски разрушения за весь ресурс.

В главе 6 описывается разработка и программное обеспечение вероятностно обоснованного алгоритма определения ресурса элементов АД ло совокупности разнородных данных.

Чтобы определить, насколько соответствуют друг другу конкретные распределение р(/;Э1,©2) и выборка {{ , /* I ; * tъ С }, можно использовать функцию правдоподобия Ь:

1=1

*П[ьр(/;©„02)]

* .

где - результат 1-го испытания, закончившегося отказом (1-

й полный элемент выборки, соответствующий испытанию с отказом (то есть определенной наработке до отказа): tJ - результат у-го безотказного испытания (/'-й

цензурированный элемент выборки), соответствующий испытанию без отказа (когда определена лишь нижняя граница наработки до отказа). ©1, &2 - параметры распределения;

/(/*;@ь©2) ■ значение дифференциальной функции

*

распределения с параметрами ©],©2 в точке ; /,'(/у;©1 ,©2) - значение интегральной функции распределения с параметрами ©1,©2 в точке . Пусть параметры распределения ©1 и ©2 связаны между собой некоторой зависимостью, например, коэффициентом вариации р;. При изменении параметра ©, функция правдоподобия может

принимать любые значения от 0 до некоторого максимума 1тах.

Автором предложено принимать, что выборка с достоверностью у принадлежит к совокупности распределений, у которых значение функции правдоподобия лежит не ниже некоторого уровня 1У\

1Ч = ^,гах -(1-т) В важном для практики случае, когда все испытания безотказны, зависимость функции правдоподобия от параметра ©, изменяет свой вид: функция /.(©,) монотонно изменяется в интервале от 0 до 1 и, следовательно, не имеет экстремума. В этом случае у-доверитсльнос значение £:

¿у = £тах-(1-у)=Ь(1-7И-7 Аналогичный подход к использованию функции правдоподобия может быть применен для случаев, когда отсутствует

априорная функциональная зависимость между двумя параметрами распределения, а также для многопараметрических распределений.

Показано, что следствия из этого результата совпадают с известными соотношениями математической статистики.

Выведенные соотношения позволили сформировать алгоритм вычисления безопасного ресурса (нагружения) по результатам разнородных испытаний, с учетом вероятностных требований к неразрушаемости элемента.

Определение безопасного ресурса г6 езоп может осуществляться для трех различных вариантов задания максимально допустимой вероятности отказа: если задана максимально допустимая вероятность отказа элемента за последний рабочий цикл ресурса, если задана максимально допустимая вероятность отказа элемента за средний рабочий цикл ресурса, если задана максимально допустимая вероятность отказа элемента за ресурс.

Данный алгоритм применим для различных законов распределения наработок до отказа. В диссертации проводится выбор адекватного распределения вероятностей для алгоритма определения ресурса. Исходя из изложенных в работе обоснований показано, что целесообразно принимать наработку до отказа элементов авиационных двигателей подчиняющейся логарифмически нормальному распределению.

Для логарифмически нормального распределения в приведенном алгоритме разработана типовая система параметров расчета, идентифицированная по действующей в настоящее время системе запасов долговечности.

Алгоритмы, созданные на основе вероятностной концепции установления ресурса, реализованы в программе для ПК. Эта программа, использующая методы современного визуального программирования, предназначена для автоматизации вычислений безопасного ресурса элементов авиационных двигателей по результатам их испытаний. Примеры расчетов, осуществленных по этой программе приведены ниже.

На рис.1 приведены зависимости необходимого для установления ресурса элементов двигателя запаса наработки (отношения продолжительности испытаний к устанавливаемому ресурсу) от эквивалентной продолжительности испытаний при различных максимально допустимых вероятностях отказа (Ю-8; 10"7; 10 6) и при различных исходах испытаний (отказ, без отказа). Вероятностные параметры расчета соответствуют рекомендуемым для элементов двигателей гражданской авиации.

6,00 5,50 5,00 4,50

1 4,00

0 ю га

Й 3,50 г

1 3>°°

о

2,50 2,00 1,50 1,00

0,00 5000,00 10000,00 15000,00 20000,00 25000,00 30000,00

^исп.экв.. "иклы

Рис.1. Зависимость необходимого запаса наработки от эквивалентной продолжительности испытаний при испытаниях двух экземпляров (z=2).

Элементам с большей критичностью (меньшей допустимой вероятностью отказа) должен быть установлен меньший ресурс.

Видно, что при подтверждении большого ресурса необходимый запас существенно ниже, чем при подтверждении малого. Это обусловлено тем, что чем меньше ресурс, тем меньше вероятность отказа за ресурс в делом (при заданной вероятности отказа за час или цикл полета).

Испытания, проведенные без отказа, позволяют установить существенно больший ресурс элемента, чем испытания закончившиеся отказом.

На рис.2 приведены зависимость необходимого запаса наработки при испытаниях двух элементов от коэффициента вариации наработки до отказа при различных максимально допустимых вероятностях отказа (10 8; 10~7; 10"6) и при различных исходах испытаний (отказ, без отказа). Остальные параметры расчета: продолжительность испытаний 30000 циклов, у=0.5.

я10е-8 без отказа •10е-8 отказ "10е-7 без отказа ■10е-7 отказ ■10е-6 без отказа ■ЧОе-6 отказ

• 10е-8 без отказа

10е-8 отказ А 10е-7 без отказа

Юе-7 отказ И 10е-6 без отказа

1,00

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

Pt

Рис.2. Зависимость необходимого запаса наработки от коэффициента вариации наработки до отказа при испытаниях двух экзелитяров (z=2).

Разработанные алгоритмы и программы позволяют определять безопасный ресурс элементов с учетом следующих факторов:

- результаты испытаний с различным исходом;

- требования к максимально допустимой вероятности отказа;

- информация о характеристиках разброса долговечности элемента;

- требования к достоверности прогноза.

Изложенные методы и алгоритмы, созданные на основе вероятностной концепции определения безопасного ресурса, целесообразно использовать при установлении и увеличении ресурса газотурбинных двигателей и их элементов.

Проведено сопоставление результатов определения безопасного ресурса элементов двигателей по разработанным методикам и по процедурам, установленным Нормами летной годности (FAR, JAR, АП) - для двигателей ГА, а также с требованиями MIL-E-005007E(AS) (США) - для двигателей ВА. Показано, что при идентичных исходных данных результаты расчетов, основанных на предлагаемых подходах, совладают с результатами, предусмотренными JAR - для двигателей ГА, MIL -

для двигателей ВА. Однако, в отличие от известных процедур, предлагаемый подход позволяет более полно и обоснованно (с учетом вероятностных требований Норм летной годности) отражать влияние на устанавливаемый ресурс различных определяющих факторов.

Основные результаты и выводы

1. Проведено исследование влияния безотказности авиационных двигателей и их ресурсных характеристик на уровень технико-экономических рисков, связанных с отказами двигателей и исчерпанием их ресурса или исчерпанием разрешенных наработок при эксплуатации по техническому состоянию. Вьивлены возможности существенного уменьшения указанных рисков при целенаправленном комплексном управлении безотказностью двигателей и их ресурсными характеристиками, особенно при перспективных стратегиях эксплуатации двигателей по техническому состоянию.

2. Разработаны методические основы оптимального согласования показателей безотказности и ресурсных характеристик двигателей применительно к различным стратегиям эксплуатации двигателей.

3. С целью повышения эффективности управления надежностью двигателей с использованием анализа рисков разработаны рекомендации по совершенствованию системы гарантийных взаимоотношений между Поставщиками и Эксплуатантами двигателей применительно к гарантиям безотказности двигателей.

4. С целью разработки вероятностно обусловленной системы установления ресурсов элементов двигателей выявлены максимально допустимые риски отказов элементов двигателей. Для этого использованы требования Авиационных правил относительно максимально допустимых величин рисков катастрофических ситуаций, регламентация Авиационными правилами максимальных величин рисков при нелокализованных отказах двигателей, а также данные об условных вероятностях нелокализованных разрушений и неустранимых в полете выключений двигателя при различных его отказах.

5. Разработаны методические основы, алгоритмы и программы для ПЭВМ, позволяющие с использованием максимально

допустимых рисков отказов определять вероятностно обоснованный безопасный ресурс элементов двигателей.

6. Выявлены закономерности влияния на устанавливаемый ресурс элемента следующих факторов:

- максимально допустимый риск (вероятность) разрушения элемента:

разброс долговечности элемента;

- количество испытанных образцов;

- продолжительность испытаний;

- исходы испытаний.

7. Проведено сопоставление результатов определения безопасного ресурса элементов двигателей по разработанным методикам и по процедурам, установленным Нормами летной годности (FAR. JAR, АП) - для двигателей ГА, а также с требованиями MIL -E-005007E(AS) (США) - для двигателей ВА. Показано, что при идентичных исходных данных результаты расчетов основанных на предлагаемых подходах совпадают в основном с результатами, предусмотренными JAR - для двигателей ГА, MIL - для двигателей ВА (при соответствующих коэффициентах вариации долговечности). Однако, в отличие от известных процедур, разработанный подход позволяет более полно и вероятностно обоснованно (с соблюдением требований Норм летной годности) отражать влияние на устанавливаемый ресурс различных определяющих факторов.

8. Применение разработанных алгоритмов и программ позволяет при определении безопасного ресурса элементов двигателей использовать всю имеющуюся разнородную информацию и существенно сократить объемы ресурсных испытаний,

особенно в случаях малых разбросов долговечности элементов.

* **

Результаты исследований нашли практическое применение при разработке требований к безотказности и ресурсным характеристикам вновь создаваемых двигателей: РД-1700, ТВ7-117С, ТВ7-117В, модификаций двигателя АЛ-31Ф, перспективного двигателя для гражданской авиации ТРДД-2005 и перспективного ТРДДФ; при анализе конкурентоспособности эксплуатирующихся двигателей и их планируемых модификаций: ПС-90А, Д-18Т, Д-36, Д-436. Полученные результаты используются при разработке новых редакций НТД "Нормы прочности ГТД гражданской авиации",

"Нормы прочности ГТД военной авиации", "Нормы безотказности двигателей гражданской авиации".

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1. Абасов А.Л.. Гусев В.М., Долгополов И.Н., Локштанов 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

2. Долгополов И.Н. Использование функции правдоподобия для определения безопасного ресурса элементов авиационных двигателей // Надежность механических систем. Тезисы докл. Международной конф. г. Самара. 1995 - С.87-88

3. Долгополов И.Н., Синицын A.A. Алгоритмы и программное обеспечение прогнозирования ресурсов элементов АД по совокупности разнородной информации // Многорежимные ГТД. Тезисы докл. конф. г. Москва, 1997г. - С.305

4. Долгополов И.Н. Определение ресурсов критических элементов двигателей летательных аппаратов // Обеспечение безопасности полетов в новых экономических условиях. Тезисы докл. Международной научно-практической конф., 1997г., часть 2. - С. 252-253

5. 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.

6. Локштанов Е.А., Долгополов И.Н. Вероятностное определение безопасного ресурса элементов авиационных двигателей // Современные научно-технические проблемы гражданской авиации. Тезисы доклады Международной конф., г. Москва. 1999г.-С. 112.

7. Абасов А.Л.. Гусев В.М., Долгополов И.Н., Локштанов Е.А. Применение "деревьев отказов" для подтверждения безопасности функционирования авиационных двигателей // Проблемы конструкционной прочности двигателей. Тезисы докл. Объединенной Международной конф., Самара, 1999г.- С.315-316.

8. Долгополов И.Н. Вероятностно обоснованное определение безопасной долговечности элементов авиационных двигателей. Согласование ресурсных характеристик и безотказности. // Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций. Тезисы докл. Международной конф. Том 2. - Киев. ИПП HAH Украины, 2000. С.343-344

9. Булыгина М.М.. Долгополов И.Н.. Иджиян Г.Г. и др. Упрощенная модель технико-экономического совершенства авиационного двигателя // Двигатели XXI века. Тезисы докл. Международной научной конф., часть II, Москва. 2000, С.77-78.

Ю.Гусев В.М.. Долгополов И.Н.. Локштанов Е.А. Вероятностная концепция управления безопасностью функционирования авиационных двигателей и их элементов // Двигатели XXI века. Тезисы докл. Международной научной конф.. часть I. Москва, 2000. С.237-238.

11. Долгополов И.Н. Метод вероятностно обоснованного определения безопасной долговечности элементов газотурбинных двигателей по комплексу разнородных данных с использованием функции правдоподобия как меры достоверности результата // Проблемы исследований и разработок по созданию силовых и энергетических установок XXI века. Тезисы докл. Всероссийской конф. молодых ученых, Москва, 2000, С. 118-119.

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

13. Долгополов И.Н. Использование функции правдоподобия для определения безопасного ресурса критических элементов авиационных двигателей по совокупности априорной информации и результатов испытаний с различным исходом // Вопр. авиац. науки и техники. Сер. Авиац. двигателестроение. ЦИАМ. 2000. Вып.1.(1315). С.50-66.

14. Долгополов И.Н. Согласование ресурсных характеристик авиационного двигателя и его безотказности при различных стратегиях управления ресурсом // Вопр. авиац. науки и техники. Сер. Авиац. двигателестроение. ЦИАМ.2000. Вып.З (1316). С.48-57.

15. Долгополов И.Н. Вопросы определения рисков при создании и эксплуатации авиационных двигателей. // Вопр. авиац. науки и

техники. Сер.". Авиац. двигателестроснис. ЦИАМ. 2000. Вып.4 (1.118). С.6-19.

16. Долгоиолов И.Н.. Локштанов Е.А. Вероятностная концепция определения пределов безопасного ресурса элементов авиационных двигателей // ЦИАМ. Научный вклад в создание авиационных двигателей. Кн.1 - М.: Машиностроение. 2000. С.630-642.

17. Вероятностно обоснованное определение безопасной долговечности элементов авиационных двигателей. Согласование ресурсных характеристик и безотказности. // Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций. Тр\ды конф. Том 2. - Киев. ИПП HAH Украины. 2000. С.775-780