Оптимизация параметров ускоренных совмещенных ресурсных испытаний авиационных газотурбинных двигателей



В статье рассматривается метод выбора параметров ускоренных совмещенных ресурсных испытаний газотурбинных двигателей многовариантного применения, устанавливаемых на нескольких типах летательных аппаратов и эксплуатирующихся в различных климатических зонах и режимах нагружения. Под ускоренными совмещенными ресурсными испытаниями понимаются испытания одного двигателя, в которых ускоренно обеспечивается проверка надежности и ресурса одновременно нескольких эксплуатационных вариантов применения двигателя или его агрегатов, узлов и элементов. Оптимизируемыми параметрами испытаний является: количество двигателей, устанавливаемых на испытания; параметры режима нагружения и длительность испытаний; множество эксплуатационных вариантов применения двигателя, проверяемых в одних ускоренных совмещенных ресурсных испытаниях. Выбор оптимальных значений параметров испытаний проводится с учетом основных критериев эффективности ускоренных совмещенных ресурсных испытаний и применением метода Парето. Приводятся вид обобщенной целевой функции, используемой для формирования Парето — оптимальных решений и пример практической реализации методики для двигателя, эксплуатируемого на трех типах самолетов.

Ключевые слова: ускоренные совмещения ресурсные испытания, авиационный газотурбинный двигатель, оптимизация

Современный период развития авиационной техники, включая авиационные газотурбинные двигатели, характеризуется высокими требованиями к ее надежности, сжатыми сроками создания и внедрения в эксплуатацию. При этом значительной мере высоким является ресурс технических систем, например, самолеты Ту-204 и Ил-96–300 имеют назначенный ресурс гидросистемы и ее элементов 45000 и 60000 часов соответственно. В этих условиях актуальным является создание и внедрение методов ускоренных ресурсных испытаний, обеспечивающих получение необходимой информации о надежности и ресурсе изделий в более короткие сроки. При этом особо актуальной является проблема обоснования ускоренных ресурсных испытаний газотурбинных двигателей, устанавливаемых на нескольких типах летательных аппаратов и эксплуатируемых в различных климатических зонах и режимах нагружения. Это обусловлено тем, что фактор многовариантности существенно усложняет обоснованный выбор объема, режимов и длительности ускоренных ресурсных испытаний двигателей.

Под совмещенными ресурсными испытаниями понимаются испытания, в которых обеспечивается проверка надежности и ресурс одновременно нескольких эксплуатационных вариантов применения изделия (двигателя, агрегатов, узлов, элементов и т. д.).

Анализ существующих программ ускоренных совмещенных ресурсных авиационных двигателей и агрегатов испытаний показывает, что они не позволяют в полной мере проводит достоверную проверку надежности и ресурса испытываемых двигателей [1, 2]. Поэтому очевидна актуальность разработки научно — обоснованного метода выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности ускоренных совмещенных ресурсных испытаний, обеспечивающих проверку надежности и ресурса двигателей многовариантного применения при минимальных временных и материальных затратах.

Авторами предлагается выбор параметров ускоренных совмещенных ресурсных испытаний проводить с учетом основных критериев, характеризующих эффективность совмещенных ресурсных испытаний:

− критерия гарантированной проверки надежности двигателя К₁ по всем эксплуатационным вариантом применения;

− критерия дифференцированного (последовательного) «зачета» в одни ресурсных испытаниях нескольких эксплуатационных вариантов применения К₂ двигателя;

− показателей объема испытываемых двигателей К₃ и длительности К₄ ускоренных ресурсных испытаний.

Критерий К₂ характеризует уровень дифференцированного «зачета» в ускоренных совмещенных испытаниях нескольких эксплуатационных вариантов применения двигателя, начиная от наименее нагруженного и кончая наиболее нагруженным вариантами, что позволяет, даже в случае отказа двигателя в испытаниях, признавать двигатели годными к эксплуатации по тем вариантам, эксплуатационная повреждаемость которых была подтверждена до момента отказа.

Ввиду противоречивости критериев друг другу выбираемое решение о параметрах ускоренных совмещенных ресурсных испытаний носит компромиссный характер. Поэтом выбор параметров испытаний проводится из области Парето–оптимальных значений [1]. Для совместного учета критериев К₁...,К₄ в методе Парето их значения преобразуются и нормируются .

При этом оптимизируемыми параметрами являются:

− количество двигателей N_и, устанавливаемых на ускоренные совмещенные испытания;

− параметры режима R_{и k} и длительности испытаний _иk ();

− множество эксплуатационных вариантов применения N_k, достоверно проверяемые в k-ых совмещенных ресурсных испытаниях ().

Парето — оптимальные значения параметров , , и определяются по обобщенной целевой функции Ф, являющейся сверткой частных критериев эффективности :

(1)

где P₀ и R() — вектора параметра которых характеризуют исходное состояние двигателя перед испытаниями, обусловлено влиянием производственно — технологических факторов на качество изготовления двигателя P₀ = [p₀₁,…, p_0]^Т  G_P и режим нагружения R() = [r₁(),…, r_s()]^Т  G_R и длительность нагружения ;– повреждаемость - го элемента узла двигателя по — ой характеристике расходования ресурса (длительная прочность, усталость и др.) в условиях эксплуатации и стендовых испытаниях соответственно ; – весовые коэффициенты, характеризующие точность моделей расходования и значимость элементов узлов двигателя с учетом которых проводится выбор ускоренных совместных ресурсных испытаний; N_э — число эксплуатационных вариантов применения двигателя; G_p, G_Rk — области определения векторов P₀ и R() соответственно; A, B, C, D — положительные числа, используемые в методе Парето (A + B + C + D = 1); — оптимальное значения параметров для конкретных значений контакт А, В, С, D.

Получение Парето — оптимальных точек проводится многократной минимизацией функционала варьированием значений коэффициентов А, В, С и D.

Предлагается метод выбора параметров ускоренных совместных ресурсных испытаний был апробирован на примере авиационного газотурбинного двигателя, устанавливаемого на трех самолетах (N_э = 3; ) и эксплуатируемого по типовым циклам нагружения .

Объем, режимы и длительность ускоренных совмещенных ресурсных испытаний, определялись с учетом основных (лимитирующих ресурс) элементов узлов двигателя:

− малоцикловой прочности дисков ротора П₁₁;

− длительная прочность рабочей лопатки первой ступени турбины П₂₂;

− контактной прочности радиально-упорного подшипника опоры П₃₃;

− контактная прочность ведущей шестерни редуктора П₄₃.

Обобщенная модель расходования ресурса двигателя с учетом перечисленных элементов узлов имела вид:

(2)

где — температура газа перед турбиной, K; Т_н — температура воздуха на входе в двигатель, K; — частота вращения ротора, %; W — загрузка генераторов постоянного и переменного токов, кВт; N_z — число циклов нагружения; P₀ — область исходного состояния двигателя, соответствующая техническим требованиям на его изготовление (P_o = idem).

Из множества Парето–оптимальных значений N_и, R_иk(), _k за окончательный выбран вариант, для которого получены наилучшие значения критериев эффективности :

Полученные значения была сформирована программа ускоренных совместных ресурсных испытаний. Испытания проводился на одном двигателе ( = 1), первый эксплуатационный вариант проверяется («засчитывается») при τ_а.1 = 1670 час (N_z = 2560 циклов), второй τ_а.1 = 750 час (N_z = 1240 циклов), третий τ_а.1 = 600 час (N_z = 1080 циклов). Таким образом в совместных испытаниях время на проверку надежности двигателя сокращается в три раза.

Литература:

1. Гишваров А. С. Современные ресурсные испытания технических систем. –Уфа: Гилем АН РБ, 2002. — 268 с.
2. Гишваров А. С., Тимашев С. А. Синтез ускоренных ресурсных испытаний технических систем многовариантного применения. — Екатеринбург: УрО РАН, 2012. — 188 с.