На пути к 3-й стратегии управления ресурсом

Одно из непременных условий обеспечения высокого уровня безопасности полётов состоит в обосновании и установлении ресурса двигателя или ресурса деталей двигателя, в течение которого его эксплуатация будет безопасной.

Стратегия управления ресурсом включает способ обоснования и установления безопасного ресурса и способ эксплуатации двигателя в течение этого ресурса. На сегодня известны три стратегии.

ПЕРВАЯ СТРАТЕГИЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕСУРСОМ исторически сложилась раньше других и применялась, соответственно, для эксплуатации двигателей более ранних поколений (Д-30, Д-30КУ/КП разработки ОАО «Авиадвигатель»), когда система контроля и диагностики технического состояния двигателя была недостаточно развита.

Согласно этой стратегии ресурс устанавливался двигателю в целом. Для обоснования ресурса проводились испытания полноразмерного двигателя по эксплуатационной или эквивалентно-циклической программе. Двигатель эксплуатировался этапами с фиксированной наработкой между ремонтами.

Затратность такого подхода в современных экономических условиях очевидна. Во-первых, необходимость проведения дорогостоящих ресурсных испытаний полноразмерного двигателя обусловливает неприемлемо медленное наращивание подтверждённого ресурса. Это неблагоприятно сказывается на ресурсных показателях парка двигателей и ведёт к медленному росту интенсивности эксплуатации. Во-вторых, при фиксированном ресурсе между ремонтами экономически не выгодно, но приходится снимать двигатели, эксплуатацию которых можно было бы продолжить при наличии достаточной диагностической информации об их техническом состоянии.

С разработкой ВТОРОЙ СТРАТЕГИИ УПРАВЛЕНИЯ РЕСУРСОМ было достигнуто существенное снижение затрат как на обоснование ресурса, так и на эксплуатацию двигателей. Согласно этой стратегии ни ресурс, ни фиксированная наработка между ремонтами двигателю в целом не устанавливается. Вместо этого ресурс устанавливается основным деталям двигателя, а эксплуатационная наработка двигателя ограничивается только наименьшим ресурсом какой-либо из его основных деталей. Съём двигателя для ремонта производится только по показаниям системы контроля и диагностики техсостояния.

Обоснование ресурса основных деталей двигателя выполняется путём их ресурсных испытаний на специальных автономных стендах вне двигателя, что на порядок дешевле испытаний двигателя (в качестве примера представлен общий вид и схема стенда установки испытания роторов).

Испытания на автономных стендах организуются таким образом, чтобы воспроизводилась повреждаемость деталей, соответствующая их повреждаемости в условиях работы двигателя в полёте. Ресурсные испытания полноразмерного двигателя существенно сокращены в объёме и проводятся в большей степени для снижения рисков на начальном этапе эксплуатации двигателя, нежели для обоснования его ресурса.

Вторая стратегия управления ресурсом успешно применяется для двигателей четвёртого поколения - ПС-90А и его модификаций.

Для того чтобы воспользоваться экономическими преимуществами второй стратегии, необходимо было выполнить ряд условий, влияющих на безопасность полётов. Во-первых, двигатель был оснащён системой контроля и диагностики техсостояния, а в базовых аэропортах созданы лаборатории диагностики для обработки полётной информации для принятия решения о допуске двигателя к очередному полёту. Во-вторых, выполнен тщательный анализ эксплуатационных условий работы деталей и узлов, построены и идентифицированы модели нестационарного теплового состояния узлов двигателя и модели кинетики напряжённо-деформированного состояния деталей в течение полётного цикла двигателя. Далее, при обосновании ресурса, эти модели применялись для воспроизведения нагружения основных деталей в процессе их ресурсных испытаний на автономных стендах вне двигателя.
В-третьих, на заводе-изготовителе отслеживается эксплуатационная наработка всех основных деталей, а специалистами ОАО «Авиадвигатель» разработан план управления ресурсом двигателя, согласно которому ряд основных деталей с лидерной наработкой должен изыматься из эксплуатации при отработке части установленного ресурса для всесторонних исследований.

Ил-96-300 с лидерным двигателем ПС-90А.
Варшава, 2007 г.

Применение второй стратегии позволило за 14 лет довести интенсивность эксплуатации двигателей ПС-90А до 10...12 часов суточного налёта. Средняя наработка на съём двигателя в ремонт составляет 5000-7000 часов, что в 1,5...2 раза выше по сравнению с эксплуатирующимся более 30 лет двигателем Д-30. Максимальная наработка без съёма ПС-90А превысила 9300 часов. Максимальная суммарная наработка (с учётом ремонтов) составляет почти 30000 часов, что в 1,4 раза выше назначенного ресурса двигателя Д-30. В настоящее время установленные ресурсы основных деталей двигателя составляют 3600-23000 циклов.

Однако, несмотря на преимущества, вторая стратегия имеет и слабые моменты. Модифика-
ция базового ПС-90А - двигатель ПС-90А2 - спроектирован на ресурсы основных деталей 10000-15000 циклов. Это означает, что при ресурсных испытаниях на автономных стендах необходимо будет достичь наработок 30000-50000 циклов. Понятно, что такие испытания будут достаточно длительными и для подтверждения таких ресурсов потребуется время (на сегодня подтверждены ресурсы 3000- 5000 циклов). Для вновь проектируемого перспективного двигателя необходимо обеспечить ресурсы основных деталей на уровне 20000-40000 циклов. Здесь уже будет вопрос не только о времени, но и о ресурсе самих испытательных стендов. Выход из положения видится в переходе к более совершенной третьей стратегии управления ресурсом.

В рамках ТРЕТЬЕЙ СТРАТЕГИИ, так же как при применении второй стратегии, ресурсы устанавливаются только основным деталям, и двигатели эксплуатируются без фиксированного ресурса между ремонтами. Отличие от второй стратегии состоит в том, что назначенные ресурсы основных деталей двигателя устанавливаются расчётным способом без проведения ресурсных испытаний. Таким образом, сохраняются все преимущества второй стратегии, и появляется возможность за более короткое время достичь высоких величин назначенных ресурсов.

При расчётном обосновании ресурсов безопасность полётов обеспечивается за счёт выполнения дополнительных условий.

Во-первых, должны быть выполнены все условия применения второй стратегии в отношении контроля и диагностики технического состояния двигателя, учёта наработки основных деталей, разработки плана управления ресурсом.

Во-вторых, для каждого материала, из которого изготавливаются основные детали двигателя, необходимо иметь полный статистически обоснованный набор механических характеристик - банк данных по свойствам материала, определённым на образцах. Наиболее важная часть этого банка, необходимая для обоснования ресурса, - это кривые малоцикловой усталости и циклические кривые деформирования материала. Причём определять эти характеристики необходимо при жёстком нагружении образцов, т.к. именно такой характер нагружения наиболее близок к реальным условиям работы материала в критических зонах деталей.

В настоящее время такого рода данные для современных материалов, применяемых в российском авиадвигателестроении, практически отсутствуют и этот пробел необходимо восполнить. Трудность состоит в том, что требованиям по способу нагружения образцов и точности измерения удовлетворяют лишь испытательные машины импортного производства, которые достаточно дороги. Тем не менее, эта работа в ОАО «Авиадвигатель» ведётся, объём и темпы её будут наращиваться.

В-третьих, должно быть выполнено экспериментальное обоснование метода определения ресурса, т.е. должно быть показано, что расчётный метод позволяет правильно определять ресурс. Для достижения этой цели необходимо существенно повысить качество моделирования кинетики напряжённо-деформированного состояния деталей.

Суть состоит в том, что, в рамках второй стратегии можно было использовать упрощенные модели поведения материала, например, не учитывать изменения кривой деформирования материала по мере увеличения его циклической наработки. Это было допустимо, поскольку материал изменяет свойства примерно одинаково во время эксплуатации двигателя и в процессе ресурсных испытаний детали на автономном стенде. При этом расчёты носили относительный характер: расчёт детали в условиях двигателя всегда соотносился с её расчётом в условиях испытаний. При использовании третьей стратегии такие упрощения недопустимы, необходимо учитывать реальное изменение свойств материала с наработкой, поскольку расчёты
должны носить абсолютный характер. Подтверждение качества расчётных моделей и обоснование метода определения ресурса основывается на широком использовании результатов ресурсных испытаний, которые выполнялись в обеспечение второй стратегии.

В целом, переход к третьей стратегии требует значительных затрат на приобретение парка испытательных машин, создание банка механических характеристик материалов и экспериментальное обоснование метода определения ресурса. Однако, это единственный путь, позволяющий за разумное время подтверждать большие ресурсы, которые требуются для современных двигателей. По уже имеющемуся опыту, достаточно полная характеризация одного материала занимает примерно два года (при отлаженном изготовлении образцов), что даёт возможность сразу всем деталям, изготавливаемым из этого материала, подтвердить ресурс. Это существенно снизит затраты, связанные с ресурсными испытаниями деталей.

Людмила ПОЛАТИДИ,
заместитель начальника отдела прочности ОАО «Авиадвигатель»