Рахимов Абдусаттор Хасанович, магистрант

Гишваров Анас Саидович, д.т.н., профессор

Уфимский государственный авиационный технический университет

Основные факторы, влияющие на надежность и ресурс авиационных газотурбинных двигателей

Современный период развития газотурбинных двигателей характеризуется высокими требованиями к их надежности, сжатыми сроками создания и внедрения в эксплуатацию. При создании двигателей необходимо, начиная с этапа проектирования, располагать информацией об основных факторах, влияющих на их надежность и ресурс. Как правило, факторы, определяющий надежность и ресурс двигателя рассматриваются в связи с возможными видами нагружения и повреждения. К видам нагружения относятся: статическое, повторно-статическое, длительное статическое, ударное, циклическое, термическое, термоциклическое, а также воздействие среды. К видам повреждения относятся: вязкое разрушение (со следами пластической деформации), хрупкое разрушение, повышенная деформация (потеря устойчивости), усталостное разрушение, термические трещины и коробления, контактное выкрашивание, износ, коррозия и эрозия.

Надежность и ресурс двигателя определяют:

– длительная прочность нагруженных горячих деталей двигателя (рабочие лопатки и диски турбины, корпуса и оболочки, опоры, валы);

– сопротивление ползучести и релаксационная стойкость деталей горячей части двигателя (лопатки и диски турбины и последних ступеней компрессора, диафрагма сопловых и направляющих аппаратов, болтовые соединения и другие);

– выносливость деталей, испытывающих большие переменные нагрузки (лопатки, валы, оболочки, трубопроводы, подвески агрегатов);

– повторно – статическое прочность деталей из высокопрочных сталей и титановых сплавов (замки крепления рабочих лопаток, диски с отверстиями, валы), сварные и литые узлы двигателя (корпус камеры сгорания и др.);

– термостойкость, характеризующая способность деталей камера сгорания, турбина и сопло выдерживать заданное число теплосмен в условиях работы на нестационарных режимах (запуски, приемистости, сбросы газа);

– износ и контактная прочность как шестерен, подшипников, золотниковых пар, бандажных полок, лабиринтов и других контактирующих элементов.

Компоновка двигателя на самолете. У четырехдвигательных самолетов на крайние двигатели действуют полетные нагрузки большей величины, чем на внутренние. Например, крайние двигатели самолета «Боинг-747» имеют более высокие углы атаки за счет меньшего изгиба крыла и на режимах взлета и посадки восходящий поток от закрылков оказывает на них большее воздействие, чем на внутренние.

Отказы узла опоры турбовинтового двигателя (ТВД) четырехдвигательного самолета происходят на двигателях крайних силовых установок в 8…10 раз чаще, чем на внутренних из-за несколько худших условий охлаждения масла в радиаторах крайних установок, поскольку они находятся на 1,5 м дальше от плоскости винтов, чем внутренние.

Условия полета летательного аппарата. Влияние данного фактора обусловлено географическими условиями, временем года эксплуатации, а также длительностью полета.

Влияние географических условий характеризуется широким диапазоном внешних воздействий (температуры, давления, влажности, запыленности и др.), оказывающих самые неблагоприятные воздействия на двигатель. Отказы ТВД, связанные с поломкой деталей опоры турбины, чаще всего (в 10…30 раз) возникают на самолетах, эксплуатирующихся в южных районах и средней полосе, чем в Сибири и на Дальнем Востоке. Это объясняется снижением эффективности воздушно-масляных радиаторов при работе двигателя на земле, что способствует коксованию каналов форсунок и более высокому прогреву узлов опоры после останова двигателя.

Увеличение длительности полета ведет к сокращению времени работы на режимах с высокой повреждаемостью ( режимы максимальный, взлетный).

Влияние оказывает и то обстоятельство, на каких авиалиниях эксплуатируется двигатель: на коротких авиалиниях число отказов в 2 раза больше, чем на длинных (рис.). Сокращение продолжительности полетов в 3 раза ведет к увеличению числа досрочных съемов двигателя в 2...3 раза и приводит к перераспределению причин отказов.

Для вспомогательных двигателей (ВГТД), характеризующихся высокой долей количества запусков за ресурс, оценка проводится по комплексному параметру z = l / (L×n), характеризующему интенсивность отказов двигателя l за календарный год (L – годовой налет самолета; n – количество самолетов).

По мере увеличения длительности эксплуатации двигателя наблюдается уменьшение параметра z как для средне, так и дальнемагистральных самолетов.

Другим важным параметром является количество запусков N_зап.. Среднее значение отношения N_зап. к наработке t для дальнего магистрального самолета приближается к трем, а для среднего магистрального самолета близко к единице. Различие в значения параметров N_зап. и t отражается и на запасе долговечности К, определяемом по уравнению нелинейного суммирования повреждений [1]:

, (1)

где К_t , К_N – запасы по долговечности, выраженные в долях статической и циклической долговечности (a = 0,9; b = 0,8).

При заданной величине запаса К можно определить величину ресурса R, в течение которого данный запас сохраняется:

. (2)

Для ВГТД длительность цикла t_ц и длительность выдержки при максимальном напряжении приблизительно одинаковы, поэтому

. (3)

Отсюда уравнение (1) может быть преобразовано к виду:

, (4)

где К – запас по долговечности; – число циклов до разрушения, определяемое по уравнению малоцикловой прочности;  – фактическое число нагружений за ресурс; t^* – время до разрушения, определяемое по уравнению длительной прочности; t – наработка на стационарном режиме нагружения.

Для условий вспомогательных газотурбинных двигателей, устанавливаемых в отсеках среднего и дальнего магистрального самолетов, ресурсы могут отличаться в 3,7 раза, при этом запасы по долговечности соответственно равны .

Этапы полета. Опыт эксплуатации показывает, что наибольшее число отказов двигателя в полете приходится на этап набора высоты, наименьшее – на этап захода на посадку.