 |
Ускоренные эквивалентные и циклические испытания
|
|
|
|
При небольших ресурсах ГТД проверка надежности двигателя и его основных деталей за время выработки ресурса может осуществляться длительными испытаниями по эксплуатационной программе, т.е. программе, отражающей в натуральном масштабе времени режимы работы и нагрузки, которые будут иметь место в типичных условиях эксплуатации.
Но при величинах ресурса, равным тысячам и даже десяткам тысяч часов, ресурсные испытания в натуральном масштабе времени теряют практический смысл и заменяются ускоренными, эквивалентными длительным по исчерпанию долговечности основных узлов и деталей.
При ускоренных испытаниях путем использования наиболее тяжелых из эксплуатационных режимов работы двигателя добиваются за короткое время такой же повреждаемости, какую получит двигатель за время выработки ресурса. Ускоренные эквивалентные испытания позволяют в короткие сроки выявить основные дефекты двигателя, проверить мероприятия по их устранению и оценить общетехнический ресурс двигателя. Ускоренные испытания целесообразно проводить на двигателях, уже проверенных специальными испытаниями на надежность, о которых была речь выше.
2.1. Научные основы планирования ЭЦИ
Отправным пунктом построения методов проведения ускоренных эквивалентных испытаний должно быть согласующееся с практикой предположение о том, как расходуется запас работоспособности испытываемого объекта в зависимости от условий проведения испытаний, т.е. в зависимости от режимов работы, числа циклов нагружения и т.п.
Расходование запаса работоспособности или, иначе говоря, исчерпание меры ресурса должно быть одинаково для эквивалентного испытания и работы двигателя в эксплуатации в течение имитируемого ускоренными испытаниями ресурса.
|
|
|
Установление объективной меры выработки ресурса представляет собой очень сложную проблему, решение которой предполагает знание всех процессов, протекающих в рабочих условиях и приводящих при какой-то наработке к потере работоспособности.
Для отдельных элементов конструкций при ясном характере их нагружения понятие меры ресурса более или менее однозначно. Но для такой многокомпонентной системы, как ГТД, закономерности накопления повреждений каждого элемента и узла учесть весьма сложно из-за различия условий их работы и характера нагружения.
Поэтому весьма условно можно говорить и о мере ресурса двигателя в целом.
В практике испытаний используются представления об эквивалентности режимов для отдельных узлов и деталей при различных типах нагружения.
В зависимости от того, какие элементы двигателя и какие виды их нагружения принять лимитирующими ресурс двигателя, возможны разные подходы к оценке условий эквивалентности и составлению программ ускоренных испытаний.
На практике обычно используются компромиссные подходы, и программы ускоренных испытаний исходят из сочетания проверок нескольких лимитирующих долговечность различных деталей факторов.
Научные основы планирования ускоренных ЭЦИ базируется на методах суммирования повреждений от воздействия различных факторов на детали двигателя в процессе его работы и эксперименальных оценках соответствия изменений, произошедших в деталях двигателя после стендовых испытаний и в реальной эксплуатации.
Ресурс двигателя определяется способностью его деталей выдерживать без разрушения длительные статические нагрузки при работе на стационарных режимах, изменения нагрузок и температур при смене режимов работы, высокочастотные вибрационные нагрузки, а также стойкость к дополнительно вызываемым этими нагрузками изнашиванию, газовой коррозии и эрозии.
|
|
|
Каждый режим работы двигателя характеризуется своей продолжительностью, уровнем температур, величиной статических и вибрационных напряжений в деталях.
Эквивалентность стендовых испытаний и эксплуатации количественно оценивается соответствием величин накопленных повреждений при действии длительных статических, малоцикловых и вибрационных нагрузок, качественно – соответствием проявляющихся дефектов и изменений, происходящих в деталях.
3. Методы суммирования повреждений
В реальной эксплуатации авиационные ГТД работают при сложном изменении режимов нагружения в процессе эксплуатационного цикла. На рис. 1 представлен типовой график изменения режимов работы двигателя для самолета гражданской авиации.
Рассмотрим обобщенный полетный цикл нагружения деталей авиационного двигателя (рис. 47), где 1 – малый газ; 2 - максимальный (взлетный); 3 - максимальный продолжительный (номинальный, набор высоты); 4 – крейсерский; 5 – реверс; 6 - полетный малый газ; 7 – останов; переход от одного режима к другому называется приемистостью.
 
Рис. 1 Графики изменения режимов работы двигателя гражданской авиации и газотурбинного привода
|
Для деталей двигателя каждый режим работы характеризуется своим уровнем температур, статических и вибрационных нагрузок. Каждый режим вносит свою долю в исчерпание ресурса, поэтому оценка ресурса должна вестись с учетом наработки на всех режимах работы двигателя.
Методы, позволяющие вести оценку ресурса деталей, работающих на различных режимах нагружения, основываются на различных гипотезах суммирования повреждений. Под повреждением здесь подразумевается доля исчерпания ресурса, вносимая отдельным режимом нагружения.
В инженерной практике наибольшее распространение получила линейная гипотеза суммирования повреждений, в соответствии с которой условие разрушения при программном статическом нагружении записывается в виде:
(1),
где i – номер режима нагружения;
n – количество режимов нагружения;
τi – суммарное время работы на i -ом режиме;
τpi – время до разрушения при непрерывной работе на i -ом режиме.
|
|
|
При программном малоцикловом нагружении условие разрушения имеет вид:
(2),
где Nj – число циклов нагружения на j -ом режиме;
Npj – число циклов до разрушения при непрерывной работе на j -ом режиме.
Величины τpi и Npj определяются по кривым длительной прочности и МЦУ соответственно.
Примеры графиков программ ЭЦИ для гражданской авиации приведены на рис. 2, 3, 4.
Современные программы ускоренных ресурсных испытаний обеспечивают сокращение проверок надежности и работоспособности АГТД в 5 … 10 раз по сравнению с исходными программами длительных эксплуатационных испытаний.
Методы оценки соответствия изменений, происходящих в деталях, основаны на визуальных оценках изменения внешнего вида деталей, измерении размеров, твердости поверхности, изменения макро- и микроструктуры материала, характеристик прочности и пластичности материала, изменении некоторых физических характеристик.
Развитие расчетных и экспериментальных методов оценки эквивалентности стендовых испытаний и эксплуатации позволит повысить надежность эксплуатации и более обоснованно подходить к установлению и увеличению ресурсов двигателей.
|
|
|
