ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК
Требования к уровню надежности. Надежность силовой установки (СУ) — сохранение ее способности обеспечивать потребную для полета самолета тягу i[ 14]. Эта способность обусловливается надежностью всех входящих в СУ устройств и ФС. Важнейшей частью СУ является двигатель, отказ которого приводит к отказу СУ в делом.
Рассмотрим возможность использования моделей надежности нескольких двигателей для оценки безопасности полета самолета.
Для четырехдвигательного самолета будем считать сложной ситуацией возникновение в полете независимых отказов на двух и более двигателях. При оценке вероятности выключения п двигателей из общего числа т двигателей, установленных на самолете данного типа, можно воспользоваться биноминальным распределением дискретных случайных величин:
Qm(n) =A"TnQn(l — Q)m~n, (2.4) —
где Qrn (я) — вероятность появления п искомых исходов в выборке т;. Апт — число сочетаний из т по я; Q —■ вероятность отказа в полете любого из т двигателей.
Известно i[l], что параметр потока отказов двигателя данного типа в процессе эксплуатации достаточно быстро выравнивается и становится простейшим. Его можно определить как
сод. с.д = 1/Тд. о.д. (2-5).
Вероятность отказа в промежутке времени (наработки) to — Q(6>) = 1 — e-fo/T, (2.6) і
где Т — средняя наработка на отказ для промежутка U — fa — б.
С учетом (2.6) вероятность отказа двигателя за время полета ^пол-
Qo. n{inon) ” 1 Є пол / П~ tuonlTu• (2*7)
Используя (2.4) и (2.7), можно определить значение Qa. c для многодвигательного самолета.
Вычислим вероятность аварийной ситуации 3-двигательного самолета
Qa. c == Q3(2) + Q3(3), (2.8)
где Qs (2) и Q3 (3) ■— вероятности отказов 2 или 3 двигателей на 3 двигательном самолете соответственно.
Итак, для 3-двигательного самолета
Qa. c — 3(іаоя/ТпУ(1 ■— tnonlTп ) — f — + (tnoxITn)3 = 3 (Йюд/П)2 — 2 X
X (tno3~Tn)K (2.9)
Важно отметить, что при больших значениях Тп {Тп>2-104) второй член уравнения (2.9) на 104 меньше первого и тогда
Qa. c£=!3(W57)2. (2.10)
‘После упрощения (2.4)
Qa. c^Cm™-2(4on/rn)2. (2.11)
Рассмотрим изменение Qa. c для ВС с 3 двигателями при 7Пол = 2,5 ч и значениях Гп = 25-103 и 25-102. В первом случае ‘Qa. c= 3 ■ 10 s, во втором Qa. c = 3-10~6. При 7’п = 25-102 вероятность возникновения аварийной ситуации слишком велика и не •соответствует требованиям НЛГС.
Анализ причин отказов силовых установок. Рассмотрение ■типовых причин отказов силовых установок показывает, что ■обеспечить заданную надежность можно только путем учета всех факторов, влияющих на ресурс и надежность. К этим причинам относятся:
недостаточная стабильность свойств и низкое качество используемых материалов, в том числе металлов, резинотехнических изделий, топлив и масел;
несовершенство конструкции;
ошибки при расчете характеристик рабочего процесса двигателей;
низкое качество изготовления и ремонта серийных двигателей;
низкое качество комплектующих изделий;
нарушение требований, правил и ограничений эксплуатационно-технической документации в процессе использования и технического обслуживания.
m
При эксплуатации приходится сталкиваться с большим многообразием причин отказов и не всегда удается однозначно классифицировать физическую природу отказа. Например, разрушение лопасти компрессора может быть следствием и недостаточной прочности и коррозионного износа и повреждения от ударов посторонними предметами. Поэтому причины отказов надо анализировать более подробно, учитывая данные разработчика, изготовителя и эксплуатирующих организаций |1]. Отказы при испытаниях и доводке серийных двигателей распределяются следующим образом: прочностные дефекты и недостатки 60%, функциональные нестабильности 15, параметрические ошибки 5, производственная и эксплуатационная нетехно- логичность 5, другие дефекты и недостатки 15%.
Значительный интерес для планирования мероприятий по совершенствованию конструкции двигателей представляют сведения о распределении отказов основных элементов двигателя, вызывающих задержки рейсов и невыполнение задания: подача и регулирование топлива 35%, проточная часть компрессора 20, система смазки 15, система запуска 15, приводы агрегатов 10, турбина 5%. Сложность функций, выполняемых системой регулирования топлива, наличие электронных блоков и прецёзион — ных пар в конструкции, вызывают наибольшее число отказов этой системы. Повреждения проточной части компрессора связаны с наличием большого числа разнонагруженных лопаток и повреждением их посторонними предметами, попадающими в воздухозаборник двигателя.
Конструктивные способы, повышающие надежность силовой установки. При проектировании новой силовой установки важнейшее условие обеспечения безопасности полета — учет ожидаемых условий эксплуатации и правильный выбор запасов работоспособности. Но любые запасы работоспособности (прочность, гидродинамическая устойчивость) ведут к увеличению габаритных размеров и массы конструкции. Поэтому проработка размеров и форм всех деталей, анализ действующих на них нагрузок, рациональный выбор материалов, совершенствование методов изготовления деталей, оптимизация методов контроля и программы ТО и Р — вот перечень основных путей конструктивного совершенства и повышения надежности силовой установки.
К опасным отказам относятся трещины и разрушения лопаток компрессора и турбины, возникающие вследствие сочетания напряжений от нагрузок и вибраций. Демпфирование колебаний лопаток компрессора осуществляется путем использования антивибрационных перемычек и шарнирным креплением комля. В некоторых случаях эффективным средством снижения: вибраций ротора двигателя в целом являются упругодемпфированные: опоры подшипников. В конструкции между наружной обоймой-
Г>‘!
подшипника и гнездом в корпусе монтируется гофрированное металлическое кольцо толщиной 1,5—2 мм.
Распространенный способ повышения долговечности лопатки турбины — нанесение покрытия, препятствующего коррозии и окислению в потоке горячих газов. Пластичные покрытия имеют толщину до 2 мм и практически не взаимодействуют с основным материалом.
Для двигателей, работающих на взлетном режиме и при посадке в пыльных условиях, используют воздухоочистители, устанавливаемые на входе перед компрессором. Ряд неподвижных направляющих лопаток закручивает входящий воздух, сбрасывает в пылесборник тяжелые частицы пыли и песка. В компрессор воздух попадает по кольцевому каналу с неподвижными спрямляющими лопатками. Степень очистки достигает 80—90%•
Защитно-ограничительные конструкции применяются для того, чтобы такие параметры, как отрицательная тяга винта, температура газов и другие не выходили за пределы допусков. Унификация и стандартизация повышают надежность всей элементной базы. Важным направлением унификации является модификация базового двигателя с целью совершенствования его характеристик, ресурса, надежности при сохранении взаимозаменяемости с первоначальной конструкцией.