Классификация отказов и условия эксплуатации с исчерпанием ресурсных возможностей

Анализ современной статистики отказов по двигателям показывает, что 40% — это отказы систем и агрегатов системы автоматического регулирования (САР); 25% — отказы по подшипникам; 35% — остальное. Для обеспечения приемлемого уровня безотказности двигателя САР выполнена с дублированием. Агрегаты системы по результатам инспекции могут заменяться. С подшипниками проблема возможных отказов стоит острее. В одних случаях отказ приводит к прекращению выполнения полетного задания и съему двигателя, в других — к разрушению вала двигателя, самолета и в результате к тяжелому летному происшествию. Аналогичная проблема имеет место и для систем, узлов, деталей, входящих в категорию "остальное". В связи с тем, что возможность тяжелого летного происшествия на одномоторном самолете значительно выше, чем на двухмоторном, в настоящее время проектируются и изготавливаются, как правило, двухмоторные самолеты. Если проектируется и изготавливается одномоторный самолет, то на него устанавливается серийный, доведенный двигатель, выпускавшийся и эксплуатировавшийся - 10 лет, например F16 с двигателем PW. Отказы в системе двухмоторного самолета делятся на два вида. При нервом виде отказ локализуется в пределах двигателя. Летчик или выключает двигатель, или включает резервную систему и прекращает выполнение полетного задания. При втором виде отказ не локализуется в пределах двигателя, что приводит к летному происшествию и потере самолета. В зависимости от эффоктивности пожарной диагностики самолета один и тот же отказ двигателя может рассматриваться как локализованный или нелокализованный. Так, на двигателе РД-33 при образовании трещин на топливном коллекторе основной камеры сгорания начинался локальный пожар — прогорали жаровая труба, корпус камеры сгорания, наружный корпус. При срабатывании пожарной сигнализации или обнаружении на земле прогара наружного корпуса отказ является локализованным. При несрабатывании пожарной сигнализации пожар распространялся по мотоотсеку и приводил к разрушению систем управления стабилизаторами самолета и, как следствие, к тяжелому летному происшествию с потерей самолета и летчика. В этом случае отказ был уже нелокализованным. Опыт эксплуатации двигателей типа 55 и РД-33 показывает, что половина отказов являются но локализованными. В других двигателях нелокализованные отказы могут иметь место и в других узлах, в зависимости от выполнения конструкции и размерности. Обозначим случаи, когда разрушение практически не бывает нелокализованным: обрыв пера рабочих лопаток 1-й и 2-й ступеней вентилятора; разрушение дисков вентилятора, компрессора, турбины; разрушение соединений валов с дисками; разрушение корпуса камеры сгорания; разрушение обечаек форсажной камеры; разрушение мест подвода топлива к топливным коллекторам, находящимся в газовоздушном тракте основной и форсажной камер.
К сожалению, разработать для этих узлов и деталей методы ранней диагностики не удается, поэтому расчеты и эксперименты должны дать надежную оценку долговечности этих элементов. Ниже мы подробно рассмотрим необходимый перечень расчетных и экспериментальных работ для узлов и деталей по пп. 1—6. Эти узлы и детали называются основными, утверждаются отраслевым институтом ЦИАМ и Заказчиком. Что касается остальных узлов, деталей и систем, то здесь ситуация более благоприятная — отказы не приводят к нелокализо-ванным разрушениям, осуществляется прямая или косвенная диагностика на борту, возможен осмотр и тестирование на земле. Для обеспечения эксплуатации с исчерпанием ресурсных возможностей для систем, агрегатов, узлов должны быть экспериментально определены предельные наработки для всей области режимов эксплуатации двигателей с необходимыми запасами по параметрам двигателя. К таким испытаниям относятся:
1. Испытания по проверкам на автоколебания 1, 2, 3-й ступеней вентилятора с запасом по давлению и режиму.
2. Специальные стендовые испытания с запасом по температуре газа для проверки деталей горячего тракта.
3. Испытания в барокамере на режимах с максимальными
давлениями — рх ~ 200 кПа (2 ата).
4. Эквивалентно-циклические испытания с запасом по наработке 1,2 для проверки деталей газовоздушного тракта.
5. Циклические испытания для определения долговечности роторов и их элементов с запасом по долговечности KN = 3 + 4.
6. Лабораторные циклические испытания корпуса камер для определения долговечности.
7. Динамическое и статическое тензометрирование мест подвода к коллекторам основной и форсажной камер.
8. Динамическое и статическое тензометрирование обечаек форсажной камеры.
9. Расчетные оценки долговечностей основных узлов и деталей.

Нормирование повреждений и методы восстановления лопаток вентилятора и компрессора

В связи с тем что в эксплуатации авиационных двигателей одной из основных причин досрочного их съема является повреждение титановых лопаток вентилятора и компрессора от попадания в газовоздушный тракт посторонних предметов, до введения эксплуатации по техническому состоянию необходимо было выявить частоту и степень повреждения лопаток вентилятора и компрессора при реальной эксплуатации разработанного двигателя. Далее, используя данные о фактической вибронагруженности ступеней вентилятора и компрессора по результатам стендовых тензометрирований, необходимо выбрать лопатки с наиболее опасными в эксплуатации повреждениями для нормирования повреждений и зачистки забоин. Проведение такой работы для лопатки с эксплуатационными повреждениями нереально из-за невозможности подбора необходимого числа лопаток с забоинами заданной глубины, расположенных в требуемых зонах пера лопатки. Поэтому исследовались лопатки с забоинами, искусственно нанесенными методом прорезания на фрезерном станке с углом заточки фрезы 60 и радиусом округления R = 0,1 -0,2 мм. При этом воспроизводились забоины, идентичные эксплуатационным по глубине, степени концентрации, месту расположения на пере. В этом случае для каждой исследуемой ступени при колебаниях по опасной форме с расположением забоины в месте максимальных напряжений можно было при проведении усталостных испытаний получить предел усталости для забоин заданной глубины. При проведении серии таких испытаний для исследуемой ступени с разной заданной глубиной забоины можно получить зависимость предела усталости от глубины забоин). Далее для снижения значений пределов усталости, характеризуемых параметром KG и допускаемых ОСТ 100304-79 (нормирование повреждения лопаток компрессоров от попадания посторонних предметов), определяем допустимые значения глубины забоины для исследуемой ступени при экспериментальном значении запаса усталостной прочности. В случае глубины забоины большей, чем допускает ОСТ 100304-79, можно выводить забоины за счет плавного скругления кромки радиусом R= 10 + 12 мм. На нем показаны наведенные забоины и способ их выведения при усталостных испытаниях рабочих лопаток 2-й—4-й ступеней. При таком оформлении скругления кромки предел усталости практически восстанавливается (отличие в пределах ~ 10%). Следует отметить, что для лопаток вентилятора, подверженных повреждению в эксплуатации в результате ударов посторонними предметами, необходимо использовать оптимальное поверхностное упрочнение. При предельном поверхностном упрочнении предел усталости является максимальным и достигает ~ 600 МПа, но при этом
резко повышается чувствительность материала к забоинам. При выборе более "мягкого" поверхностного упрочнения предел усталости получается несколько меньшим ~ 500 МПа, но при этом вдвое снижается чувствительность материала к забоинам. В результате при "мягком" режиме упрочнения предел усталости лопатки с забоиной получается вдвое выше, чем предел усталости лопатки с такой же забоиной, но при "предельном" упрочнении. Так, для 2-й ступени вентилятора с забоинами h = 0,8 мм предел усталости увеличился при введении "мягкого" режима упрочнения = 140 МПа до = 250 МПа. Такой "мягкий" режим упрочнения был реализован на предприятии при виброгалтовке лопаток 1-й и 2-й ступеней вентилятора с параметрами Z = 2,0 + 3,0; У = 0,5 + 2,0; X = 0,1 + 1,0 и временем обработки х = 1,5 ч с реверсом через 45 мин. При введении "мягкого" режима виброгалтовки остаточные напряжения по толщине материала уменьшились вдвое, что и определило уменьшение чувствительности к забоинам. Испольлуя результаты исследования мест и степени повреждения лопаток, результаты исследования вибронапряженности рабочих лопаток вентилятора и компрессора, результаты усталостных испытаний лопаток с забоинами разной глубины, реультаты испытаний лопаток с выведенными забоинами при введенных технологиях упрочнения, разработали нормы на повреждения лопаток вентилятора и компрессора. Для входной и выходной кромок лопаток вентилятора, кроме прикомлевои зоны и зоны у торца лопаток, допускаются забоины до 0,7—1,0 мм без зачистки в эксплуатации.
Забоины на кромках с зачисткой до 2 мм ограничиваются по числу — не более 3 штук, до 1 мм не ограничиваются по числу. При повреждении уголков на верхнем торце лопаток производится срезка уголков площадью до 50 мм . Надрывы по месту забоин не допускаются во всех зонах лопатки на всех лопатках. При обнаружении на лопатках вентилятора дефектов, выходящих за пределы указанных норм, производится зачистка лопаток или их замена. В отличие от лопаток вентилятора, для лопаток компрессора не предусмотрены нормы для забоин с зачисткой. В эксплуатации нет доступа к лопаткам для их зачистки или замены. Здесь в соответствующих зонах лопатки возможны забоины и вмятины глубиной до 1 мм, но совершенно не допускаются, как и для лопаток вентилятора, надрывы по месту забоин. Разработанные для эксплуатации нормы были подтверждены резонансными испытаниями на двигателе. Были подготовлены по десять лопаток каждой ступени, на которые были нанесены забоины в местах, соответствующих опасным формам колебаний. Затем были определены диапазоны частот и резонансные частоты вращения, соответствующие этим опасным формам колебаний. Проверка лопаток после окончания испытаний показала, что трещины на лопатках отсутствуют. Принятые нормы для лопаток вентилятора подтверждены широкой эксплуатацией двигателей в течение - 15 лет. Кроме этих норм, были разработаны и проверены нормы для обеспечения эксплуатации лопаток вентилятора в течение ограниченного времени применительно к "особому" периоду. В этом случае обоснована эксплуатация с забоинами глубиной до 3 мм в течение 5 ч по результатам проведения резонансных испытаний для лопаток 1, 2, 3, 4-й ступеней. Понятен экономический эффект от внедрения обоснованных расширенных норм на допустимые в эксплуатации повреждения рабочих лопаток вентилятора и компрессора. Внедрение этих норм позволило увеличить наработку изделий без досрочного съема не менее чем на - 30%, при обеспечении необходимой надежности. Широкая эксплуатация двигателей РД-33 с внедрением норм на повреждения лопаток вентилятора и компрессора опровергла неудовлетворительные прогнозы по стойкости лопаток вентилятора и компрессора при попадании посторонних предметов по результатам тестовых проверок. Это, по-видимому, объясняется тем, что тестовые проверки проводились отдельно для двигателя, а не для системы двигатель—самолет.

Анализ факторов, влияющих на запас по температуре газа

Эксплуатирующиеся в настоящее время двигатели (4-е поколение) были заложены более 15 лет назад на уровень температур газа до - 1700 К. В момент проектирования таких двигателей материалы, обеспечивающие их работоспособность, не были еще внедрены в промышленность, т. е. по отношению к имеющимся жаропрочным материалам эти проекты были опережающими. В связи с этим работы по обеспечению надежности таких двигателей по горячей части были очень напряженными, из-за чего и не ставилась задача по обеспечению работоспособности двигателей с необходимым запасом по температуре газа. Для двигателей гражданской авиации к этим требованиям добавляются жесткие требования по постоянству тяги независимо от климата и высотности аэродрома. В жарких странах и на высотных аэродромах тяга снижается. Для ее компенсации требуется увеличивать на взлете значение температуры газа еще на 50—70°С. Несмотря на удовлетворительное состояние двигателей в процессе сертификационных испытаний, при эксплуатации после ГСИ наблюдались случаи отказов деталей и узлов горячего тракта, связанных с тем, что запасы по температуре газа оказались недостаточными. Были проведены мероприятия для обеспечения этих запасов на жаровой трубе камеры сгорания, на сопловых лопатках ТВД, рабочих лопатках ТВД, на сопловых лопатках ТНД. На жаровой трубе камеры сгорания возникали перегревы и коробления в передней части жаровой трубы, в начале 3-й секции, преимущественно с внутренней стороны. В случае перегрева камеры были разработаны и внедрены мероприятия по улучшению охлаждения с сохранением температурных полей за камерой и гидравлических потерь в камере сгорания. Произведено местное увеличение охлаждающей щели с 1,2 до 2,0 мм между дефлектором и внутренним обтекателем; благодаря перераспределению охлаждающего воздуха между первой внутренней секцией и обтекателем местно увеличена охлаждающая щель с 0,8 до 0,9 мм при уменьшении охлаждающей щели у наружной секции с 1,1 до 1,0 мм; у внутренних и наружных секций вместо групп из трех охлаждающих отверстий сделаны овальные отверстия — щели. На сопловой лопатке ТВД имели место перегревы и растрескивания по перу — от кромок отверстий перфорации входной кромки, на внутренних и наружных полках лопатки. Состояние сопловых лопаток значительно улучшилось после внедрения мероприятий по охлаждению — введено дополнительное местное охлаждение на внутренней и наружной полках в местах с перегревом; скорректирована перфорация на пере.
На сопловой лопатке ТНД дефекты, вызванные перегревами, оказались более тяжелыми. Эти дефекты, как правило, связаны с местами расположения лопаток. Место расположения лопатки определяет воздействие на нее соответствующей неравномерности температурного поля и расход охлаждающего воздуха вследствие неодинакового гидравлического сопротивления при "транзите" воздуха и подаче его в систему охлаждения лопатки. Состояние лопаток определялось также силовой схемой соплового аппарата. Все сопловые лопатки по внутренним и наружным полкам жестко связаны (соединены пайкой). Это приводило к дополнительной температурной подгрузке пера из-за неодинаковой температуры пера, наружной, внутренней полок. Расчеты температурного и напряженного состояния с использованием МКЭ показали, что на входной кроме среднего сечения лопатки ТНД реализуются максимальные температурные напряжения а = 365 МПа (36,5 кгс/мм ) при уровне температур / = 1050"С за счет неравномерного распределения температур по сечению пера лопатки. Проведенные расчеты температур, напряжений, металлографические исследования растрескиваний входных кромок пера лопатки ТНД подтвердили их температурное происхождение. Подгружение значительно увеличивается на нестационарных режимах — режимах приемистости МГ-М и сброса М-МГ, так как перо лопатки быстрее прогревалось и расхолаживалось, чем верхние и нижние полки. В результате такого циклического воздействия температурных нагрузок на входной кромке пера лопаток, на наружных, внутренних полках образовались трещины. Трещины по мере увеличения наработки растут, становятся сквозными. Через трещины на входной кромке в полость лопатки проникает горячий газ, т. е. давление охлаждающего воздуха меньше, чем давление горячего газа, натекающего на входную кромку. В результате лопатка перегревается в среднем сечении и выгорает. Для "горячих" лопаток положение усугублялось тем, что дефлектор деформировался при действии перепада давления охлаждающего воздуха и перекрывал охлаждающий канал. К аналогичному результату приводит также износ выштамповок на дефлекторе, формирующих охлаждающий канал. Для обеспечения работоспособности сопловых лопаток ТНД при более высоких температурах улучшена подача охлаждающего воздуха в лопатки за счет постановки на дефлекторы донцев (увеличен напор). Использован более жаропрочный материала ЭИ 435 (вместо 1Х18Н10Т) для дефлектора и введено дополнительное ребро, что и обеспечило более стабильную геометрию охлаждающего канала. Следует отметить, что проявление перегрева на горячих лопатках имеет статистическую природу. На большинстве двигателей состояние лопаток удовлетворительное, но встречаются двигатели, где на горячих лопатках перегревы проявляются в полной мере. Поэтому для улучшения состояния сопловых лопаток ТНД эффективными оказываются мероприятия, стабильно обеспечивающих охлаждение, и увеличивающие запас по температуре. На рабочей лопатке ТВД недостаточный запас но температуре газа проявляется также на отдельных двигателях и имеет статистическую природу. При проведении сертификационных испытаний дефекты, связанные с малым запасом по температуре газа, не проявились, а стали они проявляться при эксплуатации после сертификационных испытаний. Это следующие дефекты: сход покрытия на входной кромке, образование трещин на входной кромке в случае схода покрытия, образование трещин по основанию щели, образование трещин на задней кромке со стороны спинки, образование трещин по реборде на торце пера лопатки. Перечисленные дефекты проявлялись почти всегда одновременно на "горячих" лопатках с температурой входных кромок более 1100°С.