УДК 621.452.322:539.4:061.3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ на основе
методики оценки остаточной долговечности

ФГУП “ЦИАМ им. П.И. Баранова”:

Сергей Давидович Потапов, Дмитрий Дмитриевич Перепелица

 

Дано описание разработанной методики оценки остаточной долговечности основных деталей авиационных двигателей, области ее применения и приведен пример использования.

The description of a technique of an estimation of residual durability, scope of use is presented.

Ключевые слова: остаточная долговечность, основные детали, механика разрушения.

Keywords: remaining life, critical details, fracture mechanics.

Описание методики оценки остаточной долговечности

Методика позволяет определить периодичность осмотров, остаточную долговечность и назначенный ресурс (НР) для основных деталей (ОД) авиационных двигателей при отсутствии в них выявленных дефектов и остаточную долговечность и НР при обнаружении дефектов в ОД. На рис.1 представлена схема определения ресурсных показателей ОД авиационных двигателей по разработанной методике.

Ресурсные показатели для ОД при отсутствии в них выявленных дефектов устанавливаются на основе двух концепций: безопасной долговечности (до образования дефекта, 12 на рис. 1) и безопасного развития дефекта (на основе методов механики разрушения с использованием вероятностного подхода, 7 на рис. 1) и детерминированного подхода Damage Tolerance (8 на рис. 1)).

Методом Damage Tolerance определяется периодичность осмотров. Для расчетов с использованием метода Damage Tolerance определяются опасные зоны в ОД (6 на рис. 1). На основе комплексного анализа с использованием данных по:

- циклической долговечности различных зон диска;
- распределению и размерам возможных дефектов в разных зонах диска;
- критичности последствий разрушения ОД по месту с дефектом;
- возможности и эффективности контроля данной зоны в эксплуатации;
- опыту эксплуатации.

Расчетным путем определяются в опасных зонах ОД зависимости размаха коэффициента интенсивности напряжений от характерного размера трещины, по которым с помощью уравнения Пэриса определяются скорости роста трещин и периодичность осмотров ОД.

Для проведения расчетов вероятностным методом необходимы следующие исходные данные (1, 3-5, 9 на рис. 1):

- данные о распределении дефектов (внутренних и внешних) в материале ОД;
- результаты расчетов напряженно-деформированного состояния ОД на всех режимах работы двигателя;
- параметры кинетической диаграммы, полученные испытаниями образцов или по данным фрактографии;
- данные о вероятности выявления дефектов методами неразрушающего контроля, применяемыми при изготовлении и эксплуатации ОД;
- периодичность осмотров, определенная с помощью метода Damage Tolerance.

На основе этих данных вероятностным методом определяется НР с требуемым запасом по числу полетных циклов с учетом осмотров в эксплуатации. Для увеличения НР периодичность осмотров может корректироваться с помощью вероятностного метода лишь в меньшую (по сравнению с методом Damage Tolerance) сторону.

Окончательное определение ресурсных показателей ОД без выявленных дефектов согласно разработанной методике производится по наименьшему из двух значений (13 на рис. 1), полученных по концепции безопасного развития дефекта и по концепции безопасной долговечности.

В случае если в ОД обнаружен дефект, то остаточная долговечность и НР определяются только с помощью концепции безопасного развития дефекта с использованем метода Damage Tolerance (11 на рис. 1).

Области применения методики

Методика применима для случаев:

1. Установления ресурса ОД при обнаружении дефектов, полученных в процессе ее изготовления или в процессе производства заготовки ОД.
2. Установления ресурса ОД в случае обнаружения дефекта при осмотре (ремонте).
3. Уточнения ресурса и периодичности инспекций ОД с учетом наличия возможных дефектов.

Определение ресурсных показателей на примере диска из титанового сплава

Далее представлен пример определения остаточной долговечности, НР и времени между осмотрами для титанового диска первой ступени КНД двигателя высокоманевренного самолета в соответствии с разработанной методикой. Начальный НР диска был ранее установлен на основе концепции безопасной долговечности.

Диск КНД отработал 1000 полетных циклов начального НР, подтвержденных эквивалентно-циклическими испытаниями с требуемыми запасами по концепции безопасной долговечности, и после капитального ремонта прошел с требуемыми запасами эквивалентно-циклические испытания за вторые 1000 полетных циклов. Требуется установить ресурсные показатели диска с использованием разработанной методики.

В соответствии с методикой (2 на рис. 1) определение размеров дефектов в диске, не выявляемых применяемыми методами неразрушающего контроля, выполняется на основе анализа методов неразрушающего контроля и технологии проведения контроля заготовки и готовой ОД при изготовлении и ремонте двигателя. По результатам анализа методов неразрушающего контроля строится обобщающая диаграмма (рис. 2), содержащая данные о методах неразрушающего контроля и размерах невыявляемых дефектов.

Определяется напряженно-деформированное состояние диска (5 на рис. 1) для всех режимов работы двигателя в соответствии с типовым полетным циклом.

На основе комплексного анализа определяются наиболее критичные с точки зрения ресурсных показателей зоны диска (6 на рис. 1).

Для рассматриваемого диска компрессора нумерация опасных зон (по мере снижения их критичности) показана на рис. 3.

На основе детерминированного подхода Damage Tolerance (с расположением в наиболее критичной зоне диска дефекта наибольшего размера, не выявляемого в данной зоне диска) определяется величина остаточной долговечности N_DT (число полетов, за которое длина трещины достигнет критического размера) и периодичность инспекций N_ПО диска (9 на рис. 1, рис. 4). Для рассматриваемого диска периодичность инспекций (осмотров) по данному подходу при расположении дефекта в зоне, обозначенной на рис. 3 цифрой 1, с учетом запаса K_N = 2, составила 1000 полетных циклов.

Остаточная долговечность диска при использовании вероятностного подхода N_ВП и, на ее основе, расчетная величина НР (10 на рис. 1) определялись заданной вероятностью разрушения диска (с учетом принятого распределения в нем дефектов и заданной вероятности их выявления) от выполненного числа полетных циклов (рис. 5). При этом вероятность разрушения определялась с учетом периодичности осмотров в эксплуатации или при ремонтах. Для рассматриваемого диска с учетом запаса K_N = 3 расчетная величина назначенного ресурса [N]_НР, определенная с использованием программы DARWIN, составила 3000 полетных циклов.

Таким образом, для диска КНД по концепции безопасного развития дефекта определены НР (3000 полетных циклов) и периодичность осмотров (1000 полетных циклов).

Установление НР диску производилось по наименьшему из двух значений НР - определенному по концепции безопасной долговечности и по концепции безопасного развития дефекта (13 на рис. 1). Поскольку длительными испытаниями был подтвержден ресурс 2000 полетных циклов (с ресурсом до первого капитального ремонта и межремонтным ресурсом 1000 полетных циклов), а на основе расчетов был подтвержден ресурс 3000 полетных циклов, НР колеса должен составить 2000 полетных циклов.

Связь с автороми: E-mail: potapov_sd@ciam.ru