книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 1 Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы
.pdfвсю СУ, включая мотогондолу, то может быть за дана масса всей СУ.
Удельная масса проектируемого двигателя, как правило, не должна превышать удельной массы лучших двигателей аналогичного типа и класса тяги (мощности). Снижение массы достигается выбором рациональной конструк тивной схемы двигателя и его основных узлов, использованием конструкционных материалов с большей удельной прочностью и рациональ ным конструированием всех деталей и элемен тов двигателя.
2.3.3. Возможность развития ГТД по тяге (мощности)
Требование развития ГТД по тяге связано с су ществующей в настоящее время практикой созда ния семейств самолетов на основе базовой моде ли. Как правило, после разработки базовой модели самолета создаются модификации с укороченным и удлиненным фюзеляжем, соответственно - с по ниженной и повышенной пассажировместимостью, а также модификации с увеличенной дально стью полета и грузовые варианты.
Варианты базового самолета с увеличенными пассажировместимостью и дальностью полета, имеют увеличенный взлетный вес и требуют пропорционального повышения тяги двигателей для сохранения тяговооруженности и летно-тех нических характеристик. Поэтому конструкция базовой модели двигателя должна допускать раз витие двигателя в сторону повышения тяги. При использовании самолетов на высокогорных аэро дромах или в условиях постоянного жаркого кли мата может потребоваться расширение условий эксплуатации. Например, поддержание взлетной тяги до +45 °С, а не до +30 °С, что равносильно повышению тяги в стандартных условиях.
Повышение тяги до 10 % обеспечивается без изменения конструкции двигателя. Путем регулировки САУ повышают частоту вращения турбокомпрессора (возрастает температура газа перед турбиной) в пределах существующих за пасов по температуре. Форсирование двигателя осуществляется обычно после накопления оп ределенного опыта эксплуатации базовой моде ли и устранения первоначальных дефектов. При необходимости могут применяться более эффек тивные ТЗП лопаток турбины.
Модификация двигателя с повышением тяги до 20 % без изменения габаритных диаметров двигателя может повлечь за собой значительное изменение конструкции и повышение парамет ров. Например, может потребоваться увели чение числа подпорных ступеней, повышение
2.3. Требования к авиационным ГТД
расхода воздуха и степени сжатия вентилятора за счет увеличения частоты вращения ротора НД, если имеется запас по производительности вен тилятора. Или возникнет необходимость перепро филирования лопаток вентилятора, применение более жаропрочных материалов в турбине и пос ледних ступенях компрессора, интенсификация охлаждения турбины.
Повышение тяги свыше 20 % может потребо вать увеличения диаметра вентилятора для зна чительного повышения расхода воздуха. А это означает фактически разработку нового двигате ля на базе существующего газогенератора, новой мотогондолы, реверса и т.д.
Создание модификаций ГТД различной тяги (мощности) на базе единого газогенератора рас сматривается в разд. 2.5.2.
2.3.4. Требования к используемым горюче-смазочным материалам
К горюче-смазочным материалам (ГСМ) отно сятся используемые в двигателе топлива, масла и гидравлические жидкости.
2.З.4.1. Топлива авиационных ГТД
Топливо - один из важнейших компонентов в системе летательного аппарата и его СУ, яв ляющийся основным источником получения энергии.
Основными требованиями, предъявляемыми
ктопливу авиационных ГТД, являются:
-высокие теплотворная способность и удель ный вес, обеспечивающие повышенную даль ность полета при фиксированной емкости топ ливных баков;
-безопасность эксплуатации: безвредность топлива и продуктов сгорания для человека и ок ружающей среды;
-возможность применения в широком диа пазоне окружающих температур (от -60 °С до +60 °С);
-высокая химическая и термическая ста
бильность: низкое коксообразование и нагарообразование в топливной системе и камере сго рания; обладание высоким хладоресурсом при использовании в качестве поглотителя тепла в системах охлаждения масла, воздуха и элемен тов конструкции;
-удобство использования продуктов сгора ния в качестве рабочего тела двигателя;
-наличие в большом количестве в природе при экономически рациональных способах до бычи и переработки;
-экономичность и безопасность наземной инфраструктуры доставки, хранения и заправки.
61
Глава 2. Основные параметры и требования к ГТД
В настоящее время в качестве реактивных |
|
|
|
Т а б л и ц а |
2 . 2 |
|||||
топлив наиболее распространены авиационные |
Марки авиационных керосинов |
|
||||||||
керосины. Они как раз удовлетворяют боль |
|
|||||||||
шинству указанных требований. Авиационный |
В ид топлива |
|
Марка топлива |
|
|
|||||
керосин является продуктом прямой перегонки |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
сырой нефти и имеет в своем составе в основ |
Основное |
|
Т С -1 |
Р Т |
Т -6 |
|
||||
ном керосиновые фракции (с добавлением более |
Дублирующее |
РТ, Т -8 В Т - 8 В , Т С -1 |
Т -8 В , |
Р Т |
||||||
легких - лигроиновых) и различные присадки. |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Авиационный керосин состоит из углеводоро |
Резервное |
Т -6 , Т -2 |
Т -2 , Т -6 |
Т С -1 |
||||||
дов метанового ряда СпНзп^- нафтенового ряда |
(жидкость И), спирт тетрагидрофурфуриловый |
|||||||||
СпН2п? ароматического ряда СпН2п-б и содержит |
||||||||||
в среднем 85 % углерода и 15 % водорода. |
(жидкость И-М). |
|
|
|
|
|
|
|||
Марки отечественных авиационных керо |
В связи с ограниченностью мировых запасов не |
|||||||||
синов, применяемых в качестве рабочего, дуб |
фти в будущем планируется применение так назы |
|||||||||
лирующего и резервного топлива, приведены |
ваемых альтернативных топлив - |
синтетического |
||||||||
в табл. 2.2. |
|
|
керосина (продукт переработки каменных углей), |
|||||||
Основные топлива предназначены для пос |
природного газа (метана) и водорода. Основные |
|||||||||
тоянной эксплуатации ГТД и должны обеспе |
теплофизические свойства альтернативных топ |
|||||||||
чивать работу в полном соответствии с предъ |
лив в сравнении со свойствами авиационного ке |
|||||||||
явленными к ним требованиями. Дублирующие |
росина ТС-1 приведены в табл. 2.4. |
|
|
|||||||
топлива применяются при отсутствии основ |
Необходимо отметить, что водород и метан |
|||||||||
ных и должны обеспечивать работу ГТД с уче |
имеют пониженную плотность в жидкой фазе |
|||||||||
том некоторых оговоренных ограничений. Ре |
и, как следствие, пониженную по сравнению с ке |
|||||||||
зервные топлива используются в неотложных |
росином объемную |
теплоту |
сгорания |
(метан- |
||||||
случаях при отсутствии основных и дублирую |
в 1,4 раза; водород - |
в 4 раза), несмотря на зна |
||||||||
щих с учетом ограничений, в том числе по ре |
чительно большую массовую теплоту сгорания. |
|||||||||
сурсу. |
|
|
Так как водород и метан являются криогенными |
|||||||
Рекомендации по применению топлив, некото |
топливами, их применение требует установки |
|||||||||
рые свойства топлив и рекомендованные ЦИАМ |
на летательном |
аппарате теплоизолированных |
||||||||
зарубежные заменители приведены в табл. 2.3. |
криогенных топливных баков и криогенной топ |
|||||||||
Для предотвращения образования кристаллов |
ливной аппаратуры (теплообменник-газифика |
|||||||||
льда при низких температурах к топливам могут |
тор, криогенный насосный агрегат и др.), а также |
|||||||||
добавляться специальные противокристаллиза- |
системы обеспечения пожаровзрывобезопаснос- |
|||||||||
ционные присадки: этилцеллозольв технический |
ти на двигателе. |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
2 . 3 |
||
|
Рекомендации по применению топлив |
|
|
|
|
|
||||
Марка |
Температура топлива |
|
|
|
|
|
Зарубежны й |
|||
в систем е двигателя, °С |
|
П рименение |
|
|
|
|||||
топлива |
|
|
|
|
аналог-заменитель |
|||||
не выше |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ТС-1 |
100, |
На двигателях дозвуковой авиационной техники (с небольшой |
JET А-1; JP-8; |
|||||||
ГОСТ 10227-86 |
кратковременно 120 |
продолжительностью сверхзвукового полета). Имеет средний |
|
ATF type JET А-1; |
||||||
|
|
уровень термической стабильности и испаряемости |
|
Turbo Fuel А-1 |
||||||
Т-2 |
100, |
На двигателях дозвуковой и сверхзвуковой авиационной техни |
|
JP-4 |
|
|||||
ГОСТ 10227-86 |
кратковременно 120 |
ки в качестве резервного топлива |
|
|
|
|
|
|
||
РТ |
|
На двигателях дозвуковой авиационной техники и сверхзвуко |
JET А-1; РТ; |
|||||||
ГОСТ 10227-86 |
|
вой (с небольшой продолжительностью сверхзвукового полета). |
N3; PL-6 |
|
||||||
|
|
Имеет высокий уровень термической стабильности, улучшенные |
|
|
|
|||||
|
|
противоизносные свойства и средний уровень испаряемости |
|
|
|
|
||||
Т-6 |
300 |
На двигателях сверхзвуковой авиационной техники. Имеет |
|
|
|
|
||||
ГОСТ 12308-89 |
|
высокий уровень термической стабильности и низкий уровень |
|
|
|
|
||||
|
|
испаряемости. Обладает меньшей коррозионной активностью. При |
|
|
|
|||||
|
|
отрицательных температурах имеет плохие пусковые свойства |
|
|
|
|
||||
Т -8 В |
250 |
На двигателях сверхзвуковой авиационной техники в качестве |
|
|
|
|||||
ГОСТ 12308-89 |
|
дублирующего топлива. Лучшие противоизносные свойства. |
|
|
|
|
||||
|
|
Более термостабильно |
|
|
|
|
|
|
|
62
2.3. Требования к авиационный ГТД
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 2 . 4 |
|
Свойства альтернативных топлив |
|
|
||
|
|
|
Топлива |
|
|
Параметры |
керосин |
бутан |
пропан |
метан |
водород |
Плотность, кг/л |
ТС-1 |
(СдНю) |
(СзНя) |
(СНд) |
(Нз) |
0 ,7 8 8 |
0 ,6 0 1 |
0 ,5 8 2 |
0 ,4 2 4 |
0 ,0 7 1 |
|
Температура кипения |
|
|
|
|
|
(при атмосферном давлении), |
- 4 1 0 |
- 0 ,5 |
- 4 2 |
- 1 6 2 |
- 2 5 3 |
°С |
|
|
|
|
|
Низшая теплота сгорания: |
|
|
|
|
|
массовая, кДж/кг |
4 3 3 0 0 |
4 5 6 4 0 |
4 6 3 8 0 |
5 0 0 6 0 |
1 2 1 0 2 0 |
объемная, кДж/л |
3 4 1 2 0 |
2 7 4 3 0 |
2 6 9 9 0 |
2 1 2 2 0 |
8 5 9 0 |
Содержание в топливе: |
|
|
|
|
|
углерода, % |
85 |
8 2 ,7 |
8 1 ,7 |
75 |
- |
водорода, % |
15 |
17,3 |
18,3 |
2 5 |
1 00 |
Практическое использование криогенных топ лив в гражданском ГТД впервые было осущест влено в «СНТК имени Н.Д. Кузнецова» (г. Сама ра). В 1988 г. на летающей лаборатории Ту-155 был испытан опытный двигатель НК-88 с ис пользованием в качестве топлива жидкого во дорода, а в 1989 г. - с использованием сжижен ного природного газа. Высокий хладоресурс криогенных топлив делает привлекательным их применение для двигателей летательных аппа ратов, рассчитанных на высокие сверхзвуковые скорости полета.
2.3.4.2. Авиационные масла
Смазочные масла применяются в авиацион ных ГТД и редукторах для обеспечения надеж ной и долговечной работы узлов, в которых име ются пары трения, в первую очередь подшипни ков и зубчатых передач. К основным функциям смазочных масел относятся:
-уменьшение трения движущихся относи тельно друг друга деталей;
-снижение износа трущихся поверхностей;
-отвод выделяющегося при трении тепла,
ав подшипниковых узлах роторов ГТД также от вод тепла, поступающего посредством теплопе редачи от более нагретых деталей и от горячего воздуха или газа, проникающего в опору через уплотнения;
-защита деталей ГТД от коррозии.
Энергия давления масла может использовать ся для управления агрегатами двигателя и воз душного винта. Для выполнения перечисленных функций современные авиационные масла долж ны удовлетворять следующим основным требо ваниям:
- хорошие смазывающие свойства во всем диапазоне рабочих температур, обеспечивающие высокую несущую способность масляной пленки
(пленка не должна исчезать при максимальных нагрузках);
-пологая вязкостно-температурная характе ристика, обеспечивающая достаточную вязкость масла при максимальных рабочих температурах
инаименьшее увеличение вязкости при отрица тельных температурах для обеспечения надежно го запуска двигателя;
-высокая термостабильность;
-малая испаряемость при рабочих темпера турах;
- отсутствие коррозионного воздействия на металлы и резинотехнические изделия;
-отсутствие в составе масла токсичных ве ществ;
-совместимость с другими маслами;
-приемлемая стоимость.
Используемые в авиационных ГТД масла мож но разделить на две основные группы - мине ральные и синтетические.
Минеральные масла вырабатываются путем перегонки нефти при пониженном давлении. Полученные масляные фракции очищаются различными способами для удаления неже лательных примесей асфальто-смолистых ве ществ, органических кислот, высокоплавких парафиновых углеводородов и т.п. Для улуч шения рабочих свойств в минеральные мас ла могут добавляться различные антиокислительные, противоизносные и антикоррозийные присадки.
В настоящее время минеральные масла при меняются в основном в низкотемпературных ГТД устаревших моделей. В этих двигателях макси мальная рабочая температура масла не превыша ет 150 °С. Основные марки и рабочие темпера туры отечественных минеральных масел, а так же зарубежные аналоги-заменители приведены в табл. 2.5.
63
Глава 2. Основные параметры и требования к ГТД
Т а б л и ц а 2 . 5
Основные марки авиационных минеральных масел
|
Максимальная |
Марка масла |
рабочая температура |
|
масла, °С |
МС-8РК |
150 |
ТУ38 1011181-88 |
|
МС-8П |
150 |
ОСТ38.01163-78 |
|
МН-7,5у |
150 |
ТУ38 101722-85 |
|
МС-8ГП |
150 |
ТУ38.301-19-59-95 |
|
МС-20 |
250 |
ГОСТ 2 1743-76 |
|
П рименение |
Зарубеж ны е |
|
аналоги-заменители |
||
|
||
Для эксплуатации и консервации авиационных ГТД. |
Aeroshell Turbine Oil 3SP; |
|
Вырабатывается на основе масла МС-8П, содержит |
Turbonycoil 321; |
|
дополнительно ингибитор коррозии и повышенное |
Mobil Turbo 319A-2 |
|
количество антиокислительной и антикоррозионной |
|
|
присадки |
|
|
Для теплонапряженных авиационных турборе |
HP-8 |
|
активных двигателей. Вырабатывается из сер |
|
|
нистых нефтей, содержит антиокислительные, |
|
|
противоизносную и антикоррозионную присадки. |
|
|
Обеспечивает легкий запуск при минус 40 °С |
|
|
Масло на загущенной основе содержит антиокисли- |
|
|
тельную, противоизносную и антикоррозионную при |
|
|
садки. Для турбовинтовых двигателей и редукторов |
|
|
Для использования в ГТУ для ГПА. Уступает маслу |
|
|
МС-8П по низкотемпературным свойствам |
|
|
Высоковязкое масло. Вырабатывается из малосер |
|
|
нистых нефтей, без присадок. Применяется в смеси |
|
|
с маслом МС-8П на редукторах энергоустановок |
|
В современных высокотемпературных ГТД применяются синтетические масла. Синтетичес кие масла вырабатываемые на основе полиальфаолефинов, сложных эфиров двухосновных орга нических кислот, эфиров неопентилполиолов, силоксанов, ортосилоксанов и других с добав лением антиокислительных, антикоррозионных, противоизносных и противозадирных присадок. Синтетические масла значительно превосходят минеральные по термической и термоокисли тельной стабильности, огнестойкости, испаря емости и по ряду других специальных требова ний. Марки и рабочие температуры современных синтетических масел, а также зарубежные анало ги-заменители и рекомендации по применению масел приведены в табл. 2.6.
2.3.4.3. Авиационные гидравлические жидкости
Вгидросистемах летательных аппаратов и СУ
вкачестве рабочей жидкости применяются специ альные гидравлические жидкости. В современ ных самолетах гидравлические жидкости приме няются в агрегатах шасси, тормозной системы, системы управления. В авиационных СУ гидрав лические жидкости могут применяться в сило вых узлах гидросистем управления реверсом, соплом, поворотных лопаток компрессора и др. Необходимо отметить, что в системах управления сопла и поворотных лопаток в качестве рабочей жидкости широко используется также авиацион ное топливо (керосин).
К гидравлическим жидкостям предъявляются следующие основные требования [2.3]:
-оптимальная вязкость, обеспечивающая до статочно быструю реакцию гидроустройств и плав ное движение деталей гидросистемы, отсутствие перетеканий и потерь жидкости через уплотнения;
-широкий интервал рабочих давлений и тем ператур;
-хорошие смазочные свойства;
-отсутствие легкокипящих составных час тей для предотвращения образования паровых пробок в гидросистеме;
-жидкость не должна разлагаться, расслаи ваться, выделять какие-либо вещества, способ ные засорить каналы гидросистемы;
-нетоксичность и взрывопожаробезопасность.
Основные марки и свойства авиационных гид равлических жидкостей на минеральной и синте тической основе приведены в табл. 2.7.
2.3.5. Надежность авиационных ГТД
2.З.5.1. Основные показатели
Требования к надежности ГТД определяются показателями безотказности, основными из кото рых являются следующие:
-показатели, непосредственно влияющие на безопасность работы двигателя;
-показатели, характеризующие технико-эко номическое совершенство двигателя.
Рассмотрим обе группы подробнее.
64
Глава 2. Основные параметры и требования к ГТД
Т а б л и ц а 2 . 7
Основные марки и свойства гидравлических жидкостей
Марка жидкости |
Состав |
Масло AM Г-10 |
Маловязкая нефтяная фракция, загущенная |
ГОСТ 6794-75 |
виниполом ВБ-2. Содержит антиокисли- |
|
тельную присадку альфанафтол |
Рабочая жидкость |
Эфир фосфорной кислоты на загущенной |
НГЖ-4у |
основе, с антиокислительной и антикорро |
ТУЗ 8 101740-80 |
зионной присадками |
Рабочая жидкость |
Смесь эфиров фосфорной кислоты с присад |
НГЖ-5у |
ками, улучшающими антиокислительные, |
ТУ38.401-58-57-93 |
антикоррозионные и антиэрозионые свойства |
Применение
Основная марка гидравлической жидкости об щего назначения для авиационной техники, ра ботающей в интервале температур -60...+150 °С. Огнеопасна
Вгидравлических устройствах, работающих
винтервале температур -55...+125 °С. Взрывопожаробезопасная.
Свыше 200 °С разлагается
Вгидравлических устройствах, работаю щих в интервале температур -60.. .+ 150 °С. Взрывопожаробезопасная
выключению двигателя, задаются из условия обеспечения практической невероятности вы ключения двух двигателей (полной потери тяги для двухдвигательных самолетов).
В настоящее время значение коэффициента К\ ОООпв задается на уровне не менее 0,02 незави симо от числа двигателей на самолете.
2.З.5.1.2. Показатели безотказности, характеризующие технико-экономическое совершенство двигателя
Коэффициент частоты съемов двигателей с самолета на 1000 часов наработки для отправ ки в ремонт при эксплуатации по техническому состоянию с управлением ресурсами по второй стратегии ( У П 0 0 0 Сд р Л
Численное значение коэффициента определя ется по формуле
/П000Сдр= ЮООЛГсдр/ г*
где Л^сдр - количество снятых двигателей для от правки в ремонт в рассматриваемый период эксплуатации;
/с - суммарная наработка двигателей в рас сматриваемый период эксплуатации, ч.
Коэффициент /ПОООсдр близок к показате лю /ClOOOsv, применяемому зарубежными фир мами.
Средняя наработка на съем двигателей для отправки в ремонт, Тст ч-
Значение показателя Г С Д р определяется по формуле
Г С Д Р = 1 0 0 0 / / П 0 0 0 СДр.
Этот показатель характеризует среднюю про должительность использования двигателя на са молете («на крыле») между отправками в ремонт.
Значения определяются технико-экономическим анализом и обеспечением экономической конку рентоспособности двигателя и носят рекоменда тельный характер.
Коэффициент надеэ/сности вылетов, Кзв.
-Кзв характеризует уровень обеспечения беспе ребойной эксплуатации, предполагающий предо твращение отказов двигателя, которые приводят к задержкам вылетов. Численное значение коэф фициента определяется по формуле
K3B = ( l - N J N Dbm)\0 0 % 9
где N3B - количество задержек вылетов из аэро порта на 15 минут и более за рассмат риваемый период эксплуатации по при чинам, связанным с двигателем;
К’выл - количество вылетов за рассматривае мый период эксплуатации.
Коэффициент Къв задают исходя из обеспече ния конкурентоспособности двигателя по данно му признаку. Значения на уровне 99,98 % счита ются конкурентоспособными.
2.3.5.2. Методология обеспечения надежности
Надежность двигателя обеспечивается целым комплексом работ на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ) двигателя.
2.З.5.2.1. Этап проектирования
Первым этапом является этап проектирова ния, на котором определяется конструктивный образ двигателя. Для обеспечения надежности двигателя уже на этом самом первом этапе необ ходимо выполнить анализ целого комплекса дан ных, накопленных в ходе эксплуатации.
Выполняются следующие работы: -формирование согласованных требований
к надежности двигателя и определение требо
66
Глава 2. Основные параметры и требования к ГТД
сами авиационных ГТД. Традиционная методоло гия обоснования ресурсов предполагает установ ление и подтверждение фиксированного времени
ичисла полетных циклов (ПЦ) между ремонта ми двигателя до окончания его эксплуатации. Двигатель в эксплуатацию передается с невы соким значением подтвержденного начального ресурса, как правило, - часового. Затем в тече ние всего периода эксплуатации по мере про ведения ресурсных испытаний представителей парка двигателей по эксплуатационным про граммам на стендах завода-изготовителя или на основе результатов летных испытаний ре сурс периодически увеличивается. Такой метод подтверждения ресурса известен как стратегия 1 управления ресурсом.
Стратегия 1 широко использовалась при уп равлении ресурсом двигателей первых поколе ний. У этих двигателей межремонтные и полные ресурсы были невелики, а прочность и долго вечность деталей практически однозначно оп ределялась параметрами несущей способности
идлительной прочности. Цикличность нагруже ния также была невелика. Выявляемые в эксплу атации дефекты устранялись при относительно частых ремонтах.
Удвигателей последующих поколений цик личности нагружения возросли и основным пов реждающим фактором стала малоцикловая ус талость материала деталей. Это привело к тому, что разрушения (поломки) деталей стали проис
ходить от действия циклического нагружения с высоким уровнем знакопеременных напряже ний при ограниченном (до 105) числе циклов. Это явление связано с наличием в деталях так называемых концентраторов напряжений (крити ческих зон). В концентраторах напряжений дейс твующие номинальные напряжения, как правило знакопеременные, локально возрастают - созда ются условия для быстрого развития дефектов и последующего разрушения детали. Возникла необходимость подробного исследования поведе ния материала в критических зонах и определе ния прогнозируемого ресурса деталей, который связан с их наличием.
В рамках стратегии 1 традиционные ресурс ные испытания полноразмерных двигателей ста ли проводиться по эквивалентно-циклическим программам. Эти программы учитывали и отра батывали все переменные режимы двигателя, ха рактерные для его работы в ПЦ. Одновременно развивались и усложнялись расчетные методики определения напряженно-деформированного со стояния деталей в критических зонах.
Развивается производство двигателей, ре сурсы которых исчисляются десятками тысяч
циклов и часов, и методика обоснования ресур са путем проведения эквивалентно-цикличес ких испытаний полноразмерных двигателей требует огромных затрат времени и средств. А для подтверждения полного ресурса тако го двигателя с необходимыми нормативными запасами по циклической долговечности нуж ны многие годы и чрезвычайно большое коли чество топлива. Поэтому в мировой практике в последние годы разработаны новые подходы к управлению ресурсами авиационных двига телей. Особенностью новых подходов является самое пристальное внимание, уделяемое ресур су двигателя с самого начала создания двига теля, т.е. осуществление ресурсного проектиро вания. Одновременно с проектированием дви гателя решаются вопросы о системе увеличения его ресурса, которая используется в процессе эксплуатации.
Основное положение новой методологии уп равления ресурсом двигателей состоит в том, чтобы эксплуатировать двигатель по техниче скому состоянию его основных деталей. В сов ременном понимании эксплуатация по техни ческому состоянию не требует испытаний пол норазмерного двигателя для подтверждения возрастающего ресурса. Ресурс увеличивается на основе большего объема проверок техни ческого состояния двигателя и его основных деталей после отработки различных этапов ресурса, а также на основе опыта предыду щей эксплуатации, эксплуатации прототипов, назначенного циклического ресурса основных деталей. Ресурс основных деталей, в свою оче редь, определяется путем опережающих цик лических испытаний на стендах поузловой доводки вне двигателя (стратегия 2) или рас четным путем на базе развитого банка данных по механическим свойствам материалов дета лей (iстратегия 3).
2.3.6.2. Количественные показатели ресурса
Для эксплуатирующихся по стратегии 1 ави ационных ГТД первых поколений устанавлива ется полный (назначенный) и межремонтный ресурс в часах. При проектировании современ ных двигателей учитывается то, что эксплуати роваться они будут по техническому состоянию. Поэтому по стратегии 2 и 3 управления ресур сом для них устанавливается ресурс для деталей «горячей» и «холодной» части, который опреде ляется количеством ПЦ.
Типовой ПЦ двигателя включает в себя ус тановившиеся и переменные режимы - запуск на земле перед полетом, полет, посадка и ру ление (до выключения двигателя). Исходными
68
данными для тепловых и прочностных расчетов деталей и узлов являются режимы ПЦ. Для этого ПЦ задается набором расчетных режимов двига теля и распределением времени наработки на этих режимах. При распределении времени наработки необходимо учитывать режимы с отклонением параметров атмосферы от стандартных, ухудше ние параметров двигателя с увеличением наработ ки («новый двигатель» и двигатель «в конце ре сурса»), а также возможный разброс параметров по причинам производства («плохой» двигатель и «средний» двигатель). Кроме этого, двигатель может иметь несколько типовых ПЦ (например, при установке на различные типы самолетов).
В качестве примера приведены значения тре буемых показателей ресурса типового ТРДД пя того поколения - для перспективного ближне среднемагистрального самолета, длительность обобщенного ПЦ 2,5 ч.
1.На этапе развитой эксплуатации ТРДД:
-ресурс основных деталей «холодной» час ти двигателя >30000 ПЦ (75000 ч);
-ресурс основных деталей «горячей» части двигателя > 15000 ПЦ (37500 ч);
-календарный срок службы в пределах ре сурса основных деталей «холодной» части дви гателя > 25 лет.
2. К началу эксплуатации подтвержденные эк вивалентно-циклическими испытаниями (с необ ходимыми запасами) начальные ресурсы:
-основных деталей «холодной» части дви гателя >7500 ПЦ (18750 ч);
-основных деталей «горячей» части двига теля > 5000 ПЦ (12500 ч).
2.3.7. Требования производственной технологичности
Одним из требований при проектировании
иконструировании ГТД является обеспечение технологичности конструкции. Технологичность конструкции двигателя - это совокупность свойств конструкции, которые определяют ее приспо собленность к достижению оптимальных затрат при производстве, техническом обслуживании
иремонте при заданном качестве, объеме выпус ка и условиях выполнения работ.
Конструкция двигателя может считаться техно логичной при выполнении следующих условий:
-простота конструкции основных узлов идвигателяв целом,легкость изготовления, удоб ство при сборке и эксплуатации;
-элементы конструкции по возможности унифицированы и стандартизированы;
-при изготовлении деталей и узлов макси мально использованы типовые, групповые и про
2.3. Требования к авиационные ГТД
грессивные технологические процессы, в том чис ле обработка на станках с ЧПУ;
-ограничена номенклатура используемых материалов и их типоразмеров;
-при изготовлении минимизированы затра ты материальных и людских ресурсов;
- конструкция обладает конструктивной и технологической преемственностью, что поз воляет сократить сроки изготовления и освое ния двигателя в производстве;
- обеспечивается надежность двигателя в экс плуатации.
Производственная технологичность конструк ции двигателя отрабатывается особенно эффектив но, когда есть тесное взаимодействие конструкто ров и технологов на всех стадиях проектирования изделия.
Руководящими документами при отработ ке конструкции на технологичность являются ГОСТ14.201 - 83, ГОСТ14.205 - 83.
2.3.8. Требования эксплуатационной технологичности
2.З.8.1. Эксплуатационная технологичность - показатель совершенства ГТД
Эксплуатационная технологичность (ЭТ) яв ляется важным технико-экономическим показа телем совершенства авиационных ГТД.
ЭТ двигателя - совокупность свойств двигате ля и его узлов (например, проектные характерис тики, конструктивные решения, новые материалы и прогрессивные технологии), которые позволяют выполнять его техническое обслуживание ограни ченным количеством исполнителей средней ква лификации с применением простых средств для технического обслуживания и минимальными за тратами. Современные двигатели проектируются с учетом требований ЭТ. Двигатель должен иметь такую конструкцию, которая может сохранять или восстанавливать пригодное к эксплуатации состо яние на протяжении всего периода эксплуатации.
Опыт разработки, производства и эксплуата ции авиационных двигателей свидетельствует о том, что в решающей степени ЭТ закладывается на этапе разработки двигателя. Но на всех других этапах ЭТ должна оцениваться и подтверждать ся. Обеспечить требования ЭТ на самых ранних этапах проектирования позволяют современные трехмерные графические программы. Они ши роко применяются при проектировании ГТД. В дальнейшем ЭТ отрабатывается и подтвержда ется на макетах двигателя. Конструкторы полу чили возможность видеть работу проектируемых деталей во всей системе в целом. Это позволяет избежать ситуаций, когда крепеж деталей, часто
69
Глава 2. Основные параметры и требования к ГТД
обслуживаемые элементы или агрегаты распола гаются в труднодоступных местах или когда для демонтажа того или иного блока необходимо снять несколько смежных. Такой подход уже на этапах проектирования и доводки нового двигателя поз воляет свести к минимуму возможные конструк тивные изменения по причине ЭТ, а значит, - сни зить стоимость эксплуатации двигателя.
Самый совершенный двигатель и самолет бу дет бесполезен и неинтересен эксплуатанту, если из-за плохой ЭТ его техническое обслуживание или ремонт потребует средств и времени едва ли не больше, чем на эксплуатацию.
2.3.8.2. Основные качественные характеристики ЭТ
Качество ЭТ двигателя определяется его при способленностью к техническому обслуживанию и ремонту (ТО и Р) с минимальными затратами. К основным качественным характеристикам ЭТ относятся:
1) модульность - возможность простой за мены некоторых основных секций двигателя в эксплуатации без отправки двигателя в ремонт (например, рабочее колесо вентилятора, коробка приводов), возможность разборки на модули при ремонте двигателя;
2) ремонтопригодность -приспособленность конструкции двигателя к восстановлению ра ботоспособности двигателя, его характеристик и параметров с помощью ремонтных техноло гий и замены деталей, агрегатов и модулей;
8)простота технологических процессов при ТО и Р - возможность выполнения ТО и Р огра ниченным количеством обслуживающего пер сонала средней квалификации с минимальными затратами;
9)регулируемость - свойство конструкции дви гателя, обеспечивающее возможность и удобство регулирования при ремонте и испытаниях для поддержания заданных параметров и работоспо собности. При этом объем необходимых регули ровочных работ при ТО в эксплуатации должен быть сведен к минимуму;
10)преемственность - приспособленность конструкции двигателя к применению стандар тного ручного инструмента для проведения об служивания, регулировок, сборки и разборки. Возможность применения специального инстру мента, испытательного оборудования, контроль но-проверочной аппаратуры и технологических процессов, которые существуют и используются для обслуживания двигателей других типов, на ходящихся в эксплуатации. Потребность в новых специальных инструментах, контрольно-прове рочной аппаратуре и технологических процессах должна быть сведена к минимуму, и обосновы ваться технико-экономической эффективностью их применения.
2.3.8.3. Количественные показатели ЭТ
Количественные показатели ЭТ определяют ся на основе статистических данных по затратам времени, труда и средств расходуемых на ТО и Р,
3)контролепригодность-приспособленность хранение и транспортирование. Количественные
конструкции двигателя для контроля механи ческого состояния, характеристик и парамет ров двигателя, достаточных для обнаружения ранних признаков неисправности или разруше ния, а также для проведения наземного анализа
иконтроля текущего технического состояния;
4)доступность - свободный доступ к систе мам, узлам, агрегатам, контрольным элементам
идеталям двигателя, требующим регламентного обслуживания, проверки, регулировки или час той замены, без снятия других деталей или узлов
ибез разборки двигателя;
5) легкосъемность - приспособленность конс трукции к снятию и установке узлов, агрегатов
идеталей с минимальными трудозатратами;
6)взаимозаменяемость - свойство конструк ции, обеспечивающее возможность замены без подгонки одноименных деталей, узлов, агрегатов
имодулей с сохранением заданных характерис тик двигателя;
7)восстанавливаемость после эксплуатаци онных повреждений без отправки двигателя в ре монт;
показатели ЭТ характеризуют достигнутые конс труктивно-технологические свойства и совер шенство конструкции двигателя, а также совер шенство применяемых методов ТО и Р, хранения и транспортирования.
Основной параметр количественной оценки ЭТ - количество затраченных на ТО и Р челове ко-часов, отнесенное на один час работы двига теля в полете.
Уровень ЭТ двигателя оценивается как в со ставе воздушного судна, так и отдельно. Для оценки достигнутой ЭТ составляется паспорт на двигатель с расчетом ЭТ, которая в дальней шем подтверждается на этапе государственных испытаний и эксплуатации.
2.3.9. Экономические требования к авиационным ГТД
2.З.9.1. Себестоимость производства
В настоящее время жесткая конкуренция на мировом рынке авиадвигателей вынуждает проектировщиков при создании новой техники
70