3.6. Испытания по определению ресурсных характеристик гтд

До последнего времени основным методом установления ресурса двигателям был метод, заключающийся в проведении длительных стендовых испытаний по эксплуатационной программе на заданный ресурс с подтверждением его летными испытаниями. Обычно вновь создаваемым двигателям устанавливался первоначальный ресурс, а затем по мере наработки в эксплуатации и внедрения конструктивных и технологических мероприятий по устранению выявленных дефектов ресурс в эксплуатации продлевался.

Измененный метод установления ресурса при своих положительных качествах имеет ряд существенных недостатков. Основной из них

заключается в том, что при больших ресурсах двигателя, достигающих в настоящее время нескольких тысяч часов, проведение испытаний на полный ресурс занимает большой календарный срок. Так, среднемесячная наработка двигателя на одном испытательном стенде составляет 300…400 ч при среднесуточной наработке 10…15 ч. Следовательно, при длительном испытании двигателя на ресурс 3000 ч с учетом проведения профилактических и регламентных работ на стенде, составляющих в течение года 35…40 дней, требуется около года. Кроме того, в случае проявления дефекта, особенно во второй половине испытания двигателя на большой ресурс, необходимое время практически удваивается. В связи с необходимо-стью проведения двух и более испытаний для подтверждения стабильности результатов доводки на ресурс работа по доводке затягивалась на многие годы, и двигатели часто морально устаревали раньше, чем на них достигался большой ресурс.

Поэтому определение надежности двигателей, а также получение информации о результатах проводимых конструктивно-технологических мероприятий для двигателей больших ресурсов в максимально короткие сроки является актуальнейшей задачей.

Важную роль в решении этой задачи должно сыграть внедрение в практику установления ресурса ускоренных эквивалентных испытаний.

Роль эквивалентных испытаний в последнее время возрастает в связи с требованием перехода на эксплуатацию авиационных двигателей «по состоянию», т.е. до проявления дефекта, требующего съема двигателя.

Эксплуатация двигателей «по состоянию» - прогрессивный и экономически выгодный способ установления ресурса. Нерентабельно снимать двигатель с самолета после выработки им гарантийного ресурса, если можно продолжать эксплуатацию.

Для перехода на метод установления ресурса «по состоянию» должны быть выдержаны следующие основные условия:

а) высокий технический ресурс двигателя, подтвержденный специальными, длительными, эквивалентными испытаниями;

б) высокая эксплуатационная надежность, характеризуемая наработкой на отказ или коэффициентом досрочного съема;

в) хорошая контролепригодность и оснащенность системой сигнализации для раннего обнаружения дефектов;

г) оперативность получения и обработки информации об изменении параметров двигателя в эксплуатации.

Высокий ресурс и надежность двигателя закладываются, главным образом, на стадии проектирования и обеспечиваются рядом конструктивных и технологических мероприятий.

Важная роль в отработке двигателей большого ресурса отводится выявлению, учету и устранению дефектов с обязательной регистрацией всех выявленных недостатков. Одной из сложных задач при этом является подтверждение эффективности мероприятий, внедренных для устранения

выявленных дефектов. Статические методы подтверждения эффективности мероприятий неприемлемы, так как требуют большого количества и времени испытаний.

Основным способом проверки эффективности мероприятий является проведение специальных и ускоренных эквивалентных испытаний.

Для обеспечения высокой надежности и проверки технического ресурса двигателя на стадии доводки узлы, детали, агрегаты, системы двигателя, входящие материалы и сам двигатель должны подвергаться

проверкам и исследованиям на стендах и в лабораторных условиях.

Комплекс проверок предусматривает:

- контроль и исследования применяемых материалов;

- натурные испытания узлов и деталей в лабораториях;

- исследования узлов и деталей на работающем двигателе;

- специальные и длительные испытания двигателя.

В полный комплекс испытаний двигателя входят также длительные и эквивалентные испытания, испытания в термобарокамере, на летающей лаборатории и на самолете. Весь комплекс испытаний позволяет уже к моменту передачи двигателя в серийное производство с гарантийным ресурсом 300…500 ч проверить его надежность на ресурс 5000…10000 ч.

Решающую роль сыграли эквивалентные испытания, которые обеспечили быстрое выявление дефектов, проверку мероприятий, внедренных для их устранения, и позволили оценить технический ресурс двигателей.

Ускоренные эквивалентные испытания наиболее целесообразно проводить для двигателей, потенциально имеющих большой ресурс и проверенных системой специальных испытаний на отсутствие критических состояний по узлам и деталям при крайних сочетаниях нагрузок. Предполагается, что двигатель, который должен испытываться по эквивалентной программе, уже проверен на отсутствие дефектов при входе компрессора в помпаж, при попадании посторонних предметов на вход в двигатель и др. Специальные испытания не входят в программу

эквивалентных и служат для проверки надежности двигателя независимо от ресурса.

Программа эквивалентных испытаний строится по принципу ускоренного исчерпания ресурса основными узлами и деталями двигателя на основании анализа закономерностей между нагрузкой и долговечностью по каждому виду нагружения. У дозвуковых двигателей для сокращения длительности испытаний используется увеличенная продолжительность работы на наиболее тяжелом (взлетном) режиме, который при обычной эксплуатации и длительных стендовых испытаниях составляет 1…5% от общего ресурса. Эквивалентную долговечность L_экв следует оценивать с учетом реальных нагрузок в эксплуатации, которые существенно меньше стендовых.

Для ускоренной проверки влияния факторов, определяющих исчерпание ресурса деталей, в программу эквивалентных испытаний необходимо включать:

- наработку на максимальном и взлетном режимах;

- холодные запуски с выходом на взлетный режим;

- приемистости и сбросы газа с выдержкой на взлетном режиме и малом газе;

- наработку на резонансных и критических оборотах;

- запуски;

- реверсирования тяги и перекладки реверса на малом газе.

Наработкой на максимальном режиме при наибольшей температуре газа перед турбиной исчерпывается длительная прочность горячих деталей двигателя.

На взлетном режиме проверяются прочность, выносливость и износостойкость шестерен, подшипников и шлицевых соединений. На этом режиме передаются максимальные мощности, инерционные и газовые нагрузки.

Холодные запуски с выходом на взлетный режим предусматривают проверку на тепловой удар горячих деталей, в первую очередь, дисков турбины при максимальном температурном перепаде между ободом и ступицей.

Приемистости и сбросы газа с выдержкой на взлетном режиме и малом газе предусматривают проверку малоцикловой усталости нагруженных узлов и деталей и проверку прочности дисков при прямом и обратном перепаде, когда температура обода ниже температуры ступицы и возникают максимальные растягивающие температурные напряжения на ободе.

При этом виде испытаний проверяются также износостойкость и прирабатываемость лабиринтных уплотнений, так как статорные детали, охлаждаясь быстрее роторных, максимально выбирают рабочие зазоры. В зависимости от расположения лабиринтов этот процесс может происходить при сбросах газа или при приемистостях.

На резонансных режимах проверяются главным образом выносливость рабочих и направляющих лопаток при колебаниях по разным формам, выносливость дисков, а также контактная выносливость замков крепления лопаток и бандажных полок.

Режимы испытаний, предусмотренные программой длительных испытаний (номинальный; 0,85; 0,7; 0,6; 0,4 номинального), отличаются по оборотам на 200…250 мин ^-1, что составляет 4-5% от максимальных. Так как разброс частот лопаток составляет >10%, указанные режимы можно принять в качестве ступенек резонансных режимов. При этом какое-то количество лопаток всех ступеней неизбежно будет находиться в резонансном режиме. Для достижения числа циклов 2·10⁷ по минимальной лопаточной частоте, что достаточно для проверки усталостной прочности лопаток, наработка на

каждой ступеньке резонансного режима в программе эквивалентных испытаний должна составлять 50 ч независимо от проверяемой долговечности.

Некоторые из площадок резонансных режимов соответствуют критическим оборотам двигателя. Если по результатам вибрографирования в рабочем диапазоне оборотов имеются критические обороты и они отличаются от резонансных ступенек, то их следует смещать до совпадения с критическими оборотами и наработку в 50 ч вести на смещенном режиме. Если несовпадение режимов существенно, то следует добавлять ступеньку оборотов, соответствующую критической скорости.

Наработкой на критических оборотах проверяется выносливость корпусных деталей, трубок, оболочек, опор, а также надежность работы агрегатов, контактная выносливость золотниковых пар и других подвижных элементов, установленных с малыми зазорами.

Количество циклов, которое нарабатывается при данной критической скорости, определяется оборотами ротора и равно

N = 60nτ,

где n – число оборотов ротора; τ – наработка на критических оборотах.

Запусками, как и приемистостями, проверяется термостойкость лопаток турбины, камеры сгорания, сопла и других горячих деталей. Количество запусков в эквивалентной программе должно соответствовать общему их числу в эксплуатационной программе.

Реверсированием тяги и перекладками реверса проверяется сопротивление повторно-статическим нагрузкам деталей реверса, их термостойкость и усталостная прочность. Количество реверсирований и перекладок должно соответствовать их числу в эксплуатационной программе.

С учетом взаимного влияния длительной прочности, выносливости, повторной статистики, термостойкости, коррозии и эрозии, контактной выносливости и износа эквивалентная программа должна складываться из отдельных этапов, каждый из которых должен содержать проверку по всем факторам.