Введение
Особенности технического развития авиационной техники выдвигают на первый план задачу обеспечения высокого уровня летной годности авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) гражданского назначения и достижения высоких показателей эффективности двигателей военного назначения. Под летной годностью понимается характеристика двигателя, определяемая предусмотренными и реализованными в его конструкции принципами, отвечающими нормативным требованиям безопасности в установленных условиях эксплуатации.
Технико-экономическая эффективность двигателя определяется достигнутым уровнем характеристик и параметров, отражающих его функциональное назначение. Высокие значения показателей технико-экономической эффективности могут быть достигнуты только при оптимальном сочетании первоначально высокой надежности, с одной стороны, и сохранением функциональных параметров в нормах, регламентируемых техническими условиями (ТУ) с другой. Естественно, что такие цели имеют смысл только при безусловном выполнении требований норм летной годности (НЛГ), изложенных в отечественных авиационных правилах АП-33 и зарубежных, CS-E, FAR-33, а также при соблюдении стандартов МЭК (международной энергетической комиссии). Выполнение указанных условий необходимо также для достижения высокой конкурентоспособности и поставок разрабатываемых двигателей за рубеж.
Важнейшим звеном обеспечения летной годности (ЛГ) авиационных ГТД гражданского назначения является система сертификации, а военных - процедура Государственных испытаний, подтверждающие соответствие конструкции двигателя установленным нормативно - правовым требованиям. Однако система сертификации носит более глобальный характер, особенно в части просле-живаемости за основными деталями на всех этапах жизненного цикла. Поэтому сертификация военной техники практикуется в ряде стран, в том числе и в Гер-
• Вюсннс doc
мании. В РФ также созданы центры по сертификации продукции военного назначения такие, например, как «Оборонсертифика», «Военный Регистр».
Сравнение отечественных и зарубежных норм, авиационных правил и директивных материалов показало на существенное их различие в части поддержания летной годности. Для преодоления разрыва в системах управления поддержанием летной годности требуется совершенствование методологии управления конфигурацией ГТД, инженерных методик по ее обеспечению, таких как анализ безопасности с учетом не только внезапных, но и постепенных отказов, анализ надежности, выбор рациональных допусков, сохранения функциональных параметров двигателя в нормах ТУ с учетом специфики объекта исследования. Под конфигурацией понимается очертание, форма, взаимное расположение, компоновка, сочетание положений элементов двигателя, определяющих качество его функционирования.
Особенностью объекта исследования является малая номенклатура функциональных параметров, сложный характер взаимодействия узлов двигателя, недостаточный для оценки надежности объем информации на начальном этапе эксплуатации, слабая изученность вопросов безопасности и надежности.
Учитывая вышесказанное, а также аналогичную направленность исследований в области безопасности и надежности за рубежом, можно сделать вывод о целесообразности исследований по разработке системы управления конфигурацией авиационных ГТД для обеспечения поддержания летной годности.
Таким образом, целью настоящей диссертационной работы является разработка системы управления конфигурацией ГТД для обеспечения поддержания летной годности.
Автор выражает глубокую и искрению признательность разработчику метода структурно - параметрического анализа, к.т.н., доценту Шишкину В.Н за постоянную поддержку и помощь в реализации идей изложенных в настоящей диссертационной работе.
г Обш.\ар работы doc
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Разнообразие условий применения авиационных ГТД, предельный уровень нагрузок усложняют решение задачи обеспечения высоких показателей безопасности и надежности. Безопасность - это состояние объекта, при котором отсутствует недопустимый риск, связанный с причинением вреда жизни или здоровью граждан и окружающей среде.
Обеспечение безопасности является составной и важнейшей задачей управления летной годностью авиационных ГТД. Летная годность - это характеристика двигателя, определяемая предусмотренными и реализованными в его конструкции принципами, отвечающими нормативным требованиям безопасности в установленных условиях эксплуатации. Одним из важнейших элементов системы поддержания летной годности двигателя является управление его конфигурацией. Под конфигурацией понимается очертание, форма, взаимное расположение, компоновка, сочетание положений элементов двигателя, определяющих качество его функционирования.
Для авиационного двигателя поддержание летной годности определяется комплексом требований, которые необходимо выполнить при конструировании двигателя, его агрегатов и систем и продемонстрировать их соответствие установленным нормативным требованиям государственными или сертификационными испытаниями.
Проблема поддержания на заданном уровне летной годности носит комплексный характер на всех стадиях жизненного цикла двигателя. Для ее решения необходима модель системы управления ЛГ, охватывающая все элементы жизненного цикла, опирающаяся на систему управления конфигурацией двигателя и средства объективной оценки уровня безопасности, включая подсистему обеспечения соответствия функциональных параметров заданным.
Объектом исследования является типовая конструкция двигателя, система управления его конфигурацией, характер протекания функциональных параметров. В данной работе ГТД рассматривается как сложное изделие со слож-
г Общ \ар работы doc
ным характером взаимодействия элементов и узлов, динамика изменения функциональных параметров и характеристик которого носит стохастический характер, из-за влияния большого количества малых отклонений, свойственных процессу изготовления и сборки, а также значительного влияния условий эксплуатации. Характерной особенностью объекта исследования являются ограниченные номенклатура контролируемых функциональных параметров и объем информации по надежности на начальном этапе эксплуатации, а также недостаточная изученность вопросов обеспечения безопасности и надежности.
Учитывая вышеизложенное, а также аналогичную направленность исследований в области управления ЛГ за рубежом, можно сделать вывод о целесообразности исследований по управлению конфигурацией авиационных ГТД.
Цель работы - разработка системы управления конфигурацией ГТД для обеспечения поддержания летной годности.
Для достижения данной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи.
1 Исследовать существующие системы управления летной годностью.
2 Разработать схему системы управления конфигурацией двигателя и его элементов на основе использования кривых Фармера.
3 Разработать методику численной оценки риска отказов с опасными последствиями на основе метода анализа «дерева отказов» с учетом обеспечения параметрической надежности.
4 Разработать модель информационной технологии выбора рациональной сборочной комплектовки.
Методы исследования базируются на теории авиационных двигателей, теории надежности авиационных двигателей, теории вероятностей и математической статистики, теории качества.
Научная новизна.
1 Разработана схема системы управления конфигурацией ГТД для поддержания его летной годности, с учетом нормативных требований АП-33, FAR-33, CS-E, позволяющая квалифицировать детали по принципу ключевого
г Общ чар работы doc
и неключевого качества на основе численной оценки риска, характеризующего степень серьезности воздействий на двигатель и его элементы конструкторских, технологических и эксплуатационных факторов.
2 Адаптирован метод анализа «дерева отказов» к задаче управления конфигурацией авиационных ГТД с учетом их специфики, что позволяет дать численную оценку вероятностей отказов с опасными последствиями.
3 На основе структурно-параметрических методов разработана модель информационной технологии процесса комплектования, позволяющая определить рациональный вариант сборки и тем самым обеспечить с высокой вероятностью получение у собираемого двигателя требуемых функциональных параметров в заданных допусках.
На защиту выносятся следующие материалы:
1 Схема системы управления конфигурацией ГТД по принципу ключевого или неключевого качества и элементы обеспечения ее реализации с учетом требований АП-33, FAR-33, CS-E.
2 Методика анализа безопасности ГТД на основе анализа «дерева отказов».
3 Модель информационной технологии выбора рациональной сборочной комплектовки и управляемых допусков для серийного и мелкосерийного производств ГТД.
Достоверность полученных результатов подтверждена успешным опытом применения в процессе доводки, производства и эксплуатационного сопровождения ряда авиационных ГТД разработки ОАО «НПО «Сатурн», высокой точностью прогноза характеристик серийных двигателей, успешным опытом отработки их по показателям надежности на основе предложенных соискателем подходов и созданных на их основе методик.
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволяют повысить летную годность двигателя, снизить стоимость жизненного цикла, стабилизировать параметрическую надежность, а при сертифи-
г Общ \dp работы doc
кации авиационных двигателей является основой для подготовки доказательной документации по п.п. 33.27, 33.75 (АП-33, FAR-33), п.п. 33.91 (а) 17) (АП-33), п.п. E510(CS-E).
Результаты исследования реализованы.
1 В практике создания и эксплуатационного сопровождения ряда ГТД ОАО «НПО «Сатурн», что нашло отражение в 12 опытно-конструкторских разработках и 7 авторских свидетельствах, подчеркивающих новизну технических решений.
2 В разделе отраслевого «Руководства по контролю запасов газодинамической устойчивости серийных компрессоров».
3 В практике работы лаборатории компрессоростроения (СПбГТУ).
4 При сертификации двигателей ТВД-1500Б, РД-600В, ГТЭ-6РМ, ГТЭ-2.5РМ, ГТД-4РМ.
5 В учебном процессе РГАТА им. П.А. Соловьева при подготовке инженеров по специальности «Авиационные двигатели и энергетические установки».
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на кафедре «Авиационные двигатели» РГАТА им. П.А. Соловьева, в ЦИАМ им. П.А. Баранова, на третьем Международном совещании по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, получено 7 авторских свидетельств на разработанные под руководством соискателя конструктивные схемы двигателей, конструкции их отдельных узлов, систем, направленные на совершенствование и доводку ГТД.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы. Она содержит 190 страниц машинописного текста, 60 рисунков, 30 таблиц и список литературы из 151 наименования.
я Гл I nap I 1 doc 10
1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТНОЙ ГОДНОСТЬЮ АВИАЦИОННЫХ ГТД. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
1.1 Летная годность авиационных ГТД и ее взаимосвязь с надежностью и безопасностью
Газотурбинные двигатели, теоретические основы и направления, развития которых изложены в [1 - 16], широко используются в авиации, кораблях военно-морского флота, транспортных судах, газоперекачивающих станция, а также в энергетике. Разнообразие условий применения, высокий уровень нагрузок приводят к большому разбросу по времени отказов отдельных двигателей относительно средней наработки на отказ, ухудшению технического состояния, проявляющегося в форме увеличения рассеивания параметров, характеризующих функциональное назначение объекта. В этой связи важнейшей задачей при создании и эксплуатации авиационных ГТД является достижение высоких значений показателей надежности и безопасности при предельно допустимых значениях параметров, характеризующих функциональное назначение двигателя (далее по тексту функциональных параметров).
Несмотря на непрерывное совершенствование расчетных методов (пакеты прикладных программ ANSYS, NASTRAN, LS-Dyna, CFX TASK FLOU no расчету прочности, аэродинамики), моделирующих газодинамические, тепловые, физико-механические и другие процессы, степень их достоверности остается недостаточной, что обусловлено чрезвычайной сложностью процессов, протекающих в двигателе, многовариантностью сочетаний условий работы его узлов и систем, отсутствием возможности проследить все причинно-следственные связи надежности и безопасности с бесчисленным множеством явлений, характерных для его работы. Ситуацию усложняет стохастичность явлений протекающих в двигателе, недостаточное знание свойств используемых материалов, статических и динамических нагрузок и будущих условий использования объекта и т.д. Это не позволяет своевременно и в полной мере выявить
л.Гл I пар I I *к
11
заложенные при проектировании неоптимальные решения. Например, можно утверждать, что использование высокоэффективных методов расчета двигателя не дает гарантий достижения высоких значений показателей надежности и безопасности.
Рассмотрим вопросы надежности и безопасности более подробно. Под надежностью понимается свойство двигателя сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования [17]. Теоретическим и практическим вопросам надежности авиационных двигателей [11 - 16] и безопасности полетов [18 - 23] посвящено достаточно большое количество работ, отражающих те или иные ее свойства, особенности. Надежность является важнейшим эксплуатационным свойством ГТД, оказывающим прямое и существенное влияние на безопасность полетов [18 - 23] и экономическую эффективность использования двигателя по назначению [15, 24, 25]. В общем случае надежность трактуется, как способность двигателя противостоять отказам независимо от причин, их обуславливающих. По своей природе надежность является вероятностной величиной и требует привлечения статистических методов исследований, проведения большого количества испытаний, длительной эксплуатационной наработки.
Надежность, наряду с удельным расходом топлива, удельной массой, является одной из технических характеристик качества двигателя. Однако среди них надежность занимает особое место. Если двигатель не обладает высокой надежностью, то все остальные показатели его качества обесцениваются и теряют свое практическое значение. В связи с этим надежность является характеристикой даже более важной, чем экономичность.
Достижение высоких показателей надежности авиационных двигателей возможно только при наличии эффективной системы управления ею и только в
д. Г л I nap I I doc
12
том случае, если на всех стадиях их жизненного цикла надежность будет непрерывно находиться в центре внимания.
Общая схема системы управления надежностью авиационных ГТД и ее подсистемы представлена на рисунке 1 [16, 26] и представляет собой систему научного, технического и организационного взаимодействия разработчика, изготовителя и потребителя при создании, изготовлении, ремонте и эксплуатации.
Система управления надежностью авиационных ГТД
Рисунок 1 - Общая схема системы управления надёжностью
авиационных ГТД Целью такой системы управления является обеспечение высокого уровня
первоначальной надежности, постоянное наращивание наработки на выключение в полете для достижения максимальной безопасности полетов и наработки на досрочный съем до уровня, определяющего максимальную экономическую эффективность.
л Гл I пар 1 I doc
13
Начальный уровень надежности ГТД определяется, прежде всего, уровнем квалификации конструкторского, инженерного и производственного персонала организации-разработчика двигателя.
Подсистема [16] обеспечения начального уровня надежности, в свою очередь, состоит из следующих взаимодействующих подсистем более низкого уровня:
1 Повышения квалификации персонала разработчика.
2 Специальных исследований.
3 Суммарной наработки деталей, узлов двигателя до сертификации.
4 Развития системы диагностики.
5 Доводки на начальный ресурс согласно техническим требованиям.
6 Уровня подготовки серийного производства.
7 Уровня подготовки летного и наземного состава эксплуатирующих предприятий.
8 Обеспечения заданного уровня надежности комплектующих изделий.
Необходимо отметить важность обеспечения начального уровня надежности комплектующих изделий (агрегатов, приборов, датчиков и т.д.), поскольку от 10 до 60 % отказов двигателя связано с их отказами [11]. В плане управления надежностью необходима организация опережающей доводки комплектующих изделий на специальных стендах в условиях, максимально приближенных к условиям их реальной работы на двигателе.
Реализация на практике принципа безопасного повреждения конструкции потребовала введения в рассмотрение показателя эксплуатационной безопасности, отражающего влияние надежности двигателя на безопасность полетов. Действительно, надежность характеризует способность двигателя выполнять заданные функции, а безопасность - состояние, при котором отсутствует недопустимый риск, связанный с причинением вреда жизни и здоровью людей, обслуживающему персоналу, окружающей среде. В этой связи в работах [27 - 29]
хГ1 1 пар И uoc
14
отмечена актуальность введения показателя безопасности, как одного из важнейших для сложных технических систем.
Необходимость развития концепции эксплуатационной безопасности обусловлена рядом характерных особенностей теории надежности, а именно:
1 В теории надежности не рассматривается степень нарушения работоспособности.
2 Безопасность должна обеспечиваться как в состоянии работоспособности, так и в состоянии отказа.
3 Теория надежности оперирует фундаментальным понятием «отказ», а теория безопасности - понятиями «отказ с опасными последствиями».
4 Недостаточно развита теория параметрической надежности, характеризующая степень нарушения работоспособности.
В работе [29] введен в рассмотрение показатель эксплуатационной безопасности и представлена математическая модель взаимосвязи надежности и эксплуатационной безопасности, в явном виде отражающая влияние на эксплуатационную безопасность человеческого фактора.
Прямое отношение к решению проблемы обеспечения безопасности имеют три группы подходов с позиций [27]:
1 Прочности (в ее многокритериальном выражении).
2 Ресурса, как во временной, так и поцикловой постановке.
3 Надежности (в многофакторном вероятностном представлении).
В данном случае критериями, ориентированными на количественные решения, являются:
1 Риск (в вероятностно-экономической постановке).
2 Живучесть (устойчивость) при возникновении повреждений на различных стадиях развития отказа.
3 Критерии безопасности.
Необходимо отметить, что объем нормирования этих характеристик в реальной инженерной практике недостаточен.
л Гл 1 пар 1 I doc
15
В авиации сложилась целая система критериев и нормативов прочности, гарантирующая неразрушение изделий при соблюдении заданных условий эксплуатации. Нормы прочности представляют собой свод положений, регламентирующих прочность конструкции двигателя, но которые не дают гарантий обеспечения безопасной эксплуатации.
Более направленными на обеспечение безопасности являются авиационные правила. Для двигателей гражданского назначения такими нормативными документами являются авиационные правила, АП-33 в РФ, CS-E в Европе и FAR-33 в США, регламентирующие поддержание летной годности ГТД [30 - 34]. В данных нормативных материалах содержится прямое указание о необходимости проведения анализа безопасности (АП-33, FAR-33, пункты 33.75, CS-E 510). В связи с этим в настоящее время все большее внимание уделяется анализу безопасности на основе использования метода «деревьев отказов» [35-38].
РАЗРАБОТКА РАЗРАБОТКА СЕРИЙНОЕ
ДВИГАТЕЛЕЙ ГА ВОЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРОИЗВОДСТВО
Авиационные правила
АП-33
FAR-33
CS-E
ОТУ-2000
MIL-E-5007D
(1997)
СТАНДАРТЫ МЭК
ОТУ-2000
Методики
ЦИАМ
Стандарты
ВМС США
MIL-STD-756A
1025 (1990) 1078(1991)
Рисунок 2 - Взаимосвязь нормативов по поддержанию летной годности в части надежности и безопасности
л ri I пар I I doc 16
Для изделий военного назначения такими нормативами являются: «Общие технические требования (OTT ВВС)», «Руководство по испытаниям авиа-ционной техники (ВВС)», «ГОСТ РВ 15.002-2003 СРПП. Военная техника. Система менеджмента качества. Общие требования», «ГОСТ РВ 15.211-2002 СРПП. Военная техника. Порядок разработки программ и методик испытаний, опытных образцов изделий. Основные положения».
Важнейшим звеном поддержания летной годности является система «сер- тификация типа». Под сертификацией понимается установление соответствия требованиям безопасности. При этом от сертифицируемого объекта не требуется выполнения в полном объеме технических условий (случай, когда потребитель может получить безопасную, но не соответствующую техническим условиям продукцию). Основы сертификации авиационных двигателей изложены в работе [39], а ее практические приложения - в [41 - 43].
Стадия изготовления - одна из важнейших в обеспечении качества и надежности авиационной техники. В процессе производства имеется последняя возможность устранить дефекты проектирования и изготовления изделий и предотвратить попадание продукции низкого качества к потребителю. Для обеспечения надежности необходимо высокое и стабильное качество производства и ремонта двигателей, и поэтому решение задач по надежности технологических процессов приобретает особо важное значение. Технологические вопро- сы надежности широко представлены в работах [44 - 49]. Комплекс задач, связанных с обеспечением эксплуатационных качеств авиационных ГТД, рассмотрен в работах [48, 49].
Теоретической основой физико-вероятностных моделей надежности являются статистические методы, среди которых особое место занимает байесовский подход [50 - 52]. Особую роль байесовскому методу придают следующие его свойства:
-метод позволяет учесть, кроме текущей, априорную информацию и прогнозные характеристики;
д.Гл l.nap 1.1 doc 17
-байесовские оценки корректны при малом объеме наблюдений;
-байесовские оценки согласуются с классическими статистическими оценками для выборок большого объема.
В связи со сжатыми требуемыми сроками создания двигателей возникает острая необходимость в сокращении сроков доводки двигателей и снижения ее стоимости. В практике доводки авиационных двигателей очень полезной оказалась теория идентификации, позволяющая уточнять параметры математических моделей по результатам текущих экспериментальных данных [53].
Вопросы обеспечения надежности авиационных ГТД в условиях эксплуатации рассмотрены в работах [54 - 62]. Уровень безопасности полетов самолетов, оснащенных отечественными двигателями, как видно из рисунка 3, сопоставим с лучшими зарубежными ГТД, однако достигается это ограничением их ресурсной наработки. Поскольку в двигателе может проявляться ряд отказов, не выявляемых в процессе диагностирования, то для них естественным является ограничение их ресурса. Вопросам ресурса авиационных двигателей посвящены работы [59 - 62].
В настоящее время в практику эксплуатации авиационных ГТД для обеспечения их высокой готовности, безопасности полетов при заданной надежности, больших ресурсах и низких эксплуатационных расходах наряду с традиционной системой эксплуатации по ресурсу методы, установления которого представлены в [61, 62], внедряются новые прогрессивные системы эксплуатации по техническому состоянию и по уровню надежности [54-58]. Однако практическая реализация каждой из этих систем в отдельности и в оптимальном сочетании возможна только при наличии в эксплуатации эффективных инструментальных методов и средств диагностирования, контроля и прогнозирования технического состояния двигателя.
Важной характеристикой двигателя, утрачиваемой в процессе эксплуатации, является ресурс. Существует несколько подходов к его оценке, однако все |
