Информационные модели жизненного цикла и прочностной надежности авиационного двигателя

УДК 621:681.5

А. Я. Качан, А. В. Богуслаев, С. Б. Беликов, Ю. Н. Внуков

ИНФОРМАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА И ПРОЧНОСТНОЙ НАДЕЖНОСТИ АВИАЦИОННОГО

ДВИГАТЕЛЯ

Представлена информационная модель взаимодействия основных этапов жизненного цикла авиационного двигателя и показано их влияние на его показатели качества. Предложена модель прочностной надежности двигателя, которая является основой для расчета его основных показателей качества при ресурсном проектировании.

Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами

Современное авиадвигателестроение является одной из наукоемких отраслей машиностроения, которое в своем эволюционном развитии прошло ряд последовательных этапов.

Характерной особенностью каждого из этапов является его соответствие определенной парадигме качества, под которой в широком смысле понимают как модель постановки и исследования проблемы , принятой в качестве образца и доминирующей на протяжении определенного периода.

На данном этапе мировая экономика переходит к новому информационному способу производства, в основе которого категория «качество» - информация о свойствах объекта.

Основными служебными свойствами такого наукоемкого объекта, как авиационный двигатель, являются: конструкционная прочность, ресурс, живучесть, безопасность, - которые предопределяются совокупностью взаимосвязанных процессов последовательного изменения его состояния от начала разработки - проектирования и до окончания его эксплуатации - утилизации, т.е. жизненным циклом изделия (ЖЦИ). Поэтому на каждом из этапов ЖЦИ решают соответствующие задачи, связанные с обеспечением показателей качества на достаточно высоком уровне.

Обзор публикаций и анализ нерешенных проблем

Создание авиационного двигателя начинают с проведения маркетинга рынка, экономических исследований, положительные результаты которых затем предопределяют последующий этап проектирования. Проектирование включает в себя также ряд последовательных подэтапов - от разработки технического задания до разработки рабочей документации.

На современном этапе основными направлениями развития авиационных двигателей являются повышение уровня их служебных характеристик и экономичности, что обеспечивается уже на этапе

проектирования.

Перспективным методом обеспечения высокого уровня указанных характеристик авиационного двигателя является ресурсное проектирование. Основная концепция данного метода состоит в проектировании на полный назначенный ресурс с одновременным обеспечением высокого уровня безотказности.

Разработке и развитию методов ресурсного проектирования деталей авиационного двигателя посвящен целый ряд работ [1 -5].

Однако при разработке методов ресурсного проектирования, как нам представляется, не в полной мере учитывалось то, что категория «качество» - это информация о свойствах объекта, которая предопределяет применение новых информационных технологий при решении задач на этом этапе.

Известные модели прочностной надежности деталей авиационного двигателя [1-5] для обеспечения высокого уровня их безотказности не в полной мере охватывали все факторы, а также их взаимодействие, которые в комплексе определяют их ресурс и надежность.

Цель работы - разработка информационных моделей влияния основных этапов ЖЦИ на его показатели качества и прочностной надежности детали при ресурсном проектировании.

Содержание и результаты исследования

Информационную модель взаимодействия этапов жизненного цикла авиационного двигателя и их влияние на показатели его качества можно представить в виде двух геометрических спиралей, эквидистантно расположенных относительно друг друга, где внешняя спираль отражает взаимодействия основных этапов ЖЦИ, а внутренняя - охватывает показатели качества (рис. 1).

Внешняя геометрическая спираль начинается с маркетинга рынка, экономических исследований и последующих этапов: проектирования; технологической подготовки производства; производства; контроля; испытаний; поставки заказчику, - это первый виток ЖЦИ. Каждый из перечисленных эта-

© А. Я. Качан, А. В. Богуслаев, С. Б. Беликов, Ю. Н. Внуков, 2007

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2007 # 39 —

пов вносит свой непосредственный вклад в информационное поле показателей качества авиационного двигателя: конструкционную прочность, ресурс, живучесть и безопасность.

При этом формируется высокий уровень показателей качества. Информационное поле показателей качества расположено во внутреннем контуре первого витка геометрической спирали показателей качества (см. рис. 1).

Второй виток внешней геометрической спирали

взаимодействия основных этапов ЖЦИ включает: эксплуатацию, техническое обслуживание, восстановительный ремонт, хранение и утилизацию. Характер взаимодействия этапов ЖЦИ на этом витке спирали представлен на схеме (см. рис. 1).

Рис. 1. Информационная модель жизненного цикла авиационного двигателя

- 4Ц-

Информационное поле показателей качества авиационного двигателя на втором витке внутренней спирали также находится во внутреннем контуре этого витка, и зависит от этапов ЖЦИ на втором витке внутренней геометрической спирали.

Информационное поле показателей качества на втором витке по площади меньше информационного поля показателей качества первого витка, что свидетельствует о снижении уровня показателей качества в процессе длительной экс-плуатации авиационного двигателя.

Последующий виток информационной геометрической спирали прогресса показателей качества авиационного двигателя начинается также с маркетинга рынка, но после утилизации и т. д. (см. рис. 1).

Нагрузки, воздействующие на основные детали, зависят от режимов работы авиационного двигателя и имеют сложный, переменный во времени характер, который определяется его полетным циклом.

Обобщенный полетный цикл современного авиационного двигателя представлен на рис. 2.

Длительность стационарных режимов достигает до 70 % от общей наработки авиационного двигателя.

Напряжения в деталях в современных высокооборотных двигателях достигают до 1300......1350

МПа.

Неравномерность нагрева лопаток турбины приводит к возникновению температурных напряжений, которые составляют до 30% от суммарных

напряжений.

Переходные режимы работы авиационного двигателя также характеризуются значительной долей температурных напряжений, вследствие различных скоростей охлаждения и нагрева различных частей массивных дисков турбины.

Таким образом, основные детали авиационного двигателя в процессе работы испытывают сложное, трехмерное напряженное состояние, которое изменяется в процессе работы двигателя.

Основным комплексом повреждающих и взаи-мовлияющих друг на друга факторов, определяющих ресурс основных деталей авиационного двигателя, следует считать:

- кратковременную и длительную прочность;

- малоцикловую изотермическую и термомеханическую усталость;

- многоцикловую усталость от вибрационных воздействий на деталь;

- коррозионный и эрозионный износ, являющийся очагом зарождения трещин усталости.

Из указанный факторов преобладающими для авиационных двигателей являются длительная прочность и малоцикловая усталость деталей.

При ресурсном проектировании расчетные исследования температурного состояния (ТС) и напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей являются обязательными.

Модель прочностной надежности детали авиационного двигателя можно представить как взаимодействие моделей: температурного состояния, нагружения, материала, влияния технологии, ча-

Н, м 11000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

Режимы Взлёт

МаксПр

ТМаксКр

1,7Макс 0,6Макс

0,4Макс --ПМГ" змг-

Реверс

г

1

/

\

\

\

15 30 45 60

75

90 105 120 135 Время, мин

Рис. 2. Обобщенный полетный цикл авиационного двигателя

¡ЭБЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2007 — 41 —

стоты и формы вибрационных колебаний, различное сочетание которых предопределяют модели НДС, разрушения и долговечности (рис. 3).

Модели НДС, разрушения и долговечности позволяют расчетным путем определить информационное поле показателей прочностной надежности детали, которое включает: установление и продление ресурса; прогнозирование остаточного ресурса; живучесть и безопасность.

Комплекс указанных взаимообусловливающих информационных показателей позволяет осуществлять проектирование деталей и авиационного двигателя в целом на заданный ресурс и безопасность.

Опыт проектирования новых авиационных двигателей в ГП ЗМКБ « Прогресс» и ОАО «Мотор Сич»

показывает, что применяемые расчетные методы и методики достоверно прогнозируют ресурсы деталей с учетом влияния материалов, конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов в соответствии с представленной информационной моделью прочностной надежности (см. рис. 3).

Таким образом, компьютерное моделирование вместо стендовых испытаний, основанное на предложенной модели прочностной надежности детали, еще на этапе ресурсного проектирования позволяет в разы сократить временные и материальные затраты, а также объемы опытной доводки при создании новых авиационных двигателей.

Перспективы дальнейших исследований

ТЗ на ресурсное проектирование авиационного ГТД_

Т

Конструкция, геометрическая, кинематическая и динамическая модели рабочих процессов АГТД

[

Модель прочностной надежности детали авиационного ГТД

I

:

I ? 1 1 ¥

Частоты Модель Модель Модель Модель

и температурного нагружения материала ....... влияния

формы состояния технологии

Модель температурного нагружения

Модель механического нагружения

Упругая

Упруго-пластическая

Ползучесть

Л-

Модели напряженно-деформированного состояния

Модели разрушения и долговечности

Эквивалентно-циклические ресурсные испытания

ноле показателей прочностной надежности _детали_

1

Ресурсное

Установление и продление ресурса

Прогнозирование остаточного ресурса\

Н Живучесть,

I

Безопасность

Рис. 3. Структурная схема информационной модели прочностной надежности детали авиационного двигателя

Дальнейшие исследования должны быть направлены на уточнение предложенных информационных моделей и получения количественных критериев для оценки влияния каждого из этапов ЖЦИ на комплекс показателей качества авиационного двигателя.

Выводы

Предложенные информационные модели жизненного цикла и прочностной надежности авиационного двигателя позволяют разрабатывать интегрированные технологии обеспечения показателей качества на каждом из этапов ЖЦИ, начиная с этапа ресурсного проектирования.

Перечень ссылок

1. Ресурсное проектирование авиационных ГТД. Руководство для конструкторов. Вып.1. Общие принципы ресурсного проектирования и модели долговечности материалов и деталей авиационных ГТД. - М.: ЦИАМ, 1989. - 208с. (Тр.ЦИАМ № 1253).

2. Биргер И.А. Основы ресурсного проектирования // Механика и научно-технический прогресс. В 4-х т. Т.4. Приложение механики к задачам технологии. - М.: Наука, 1988. - С.174-180.

3. Ресурсное проектирование авиационных ГТД. Руководство для конструкторов. Вып.3. Модели расчета напряженно-деформированного состояния и долговечности элементов авиационных ГТД. - М.: ЦИАМ, 1991. - 372 с. (Тр.ЦИАМ № 1273).

4. Темис Ю.М., Соборнов М.В. Автоматизация проектирования деталей роторов на основе расчета напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов // Проблемы прочности. - 1982. - №8.

5. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. -М.: Машиностроение, 1990. - 448 с.

Поступила в редакцию 20.06.2007

Представлено ¡нформац1йну модель взаемодИ основних emanie життевого циклу а&а-ц1йного двигуна та показано ix вплив на його показники якосmi. Запропоновано модель мiцнiсmноi нaдiйносmi двигуна, яка е основою для розрахун^в показни^в якосmi при ресурсному проeкmувaннi.

The information model of the GTE' life cycle stages is shown. The new model of GTE's strength reliability as basis for quality parameters calculation at design time is offered.

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2007

43 -