Имитационное моделирование эксплуатации авиационных ГТД Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 519.28

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВИАЦИОННЫХ ГТД

© 2006 Г.К. Агеев, Р.Н. Дельмухаметов, В.С. Габдуллин Уфимский государственный авиационный технический университет

Метод построения имитационной модели эксплуатации авиационных ГТД. Имитационная модель предназначена для решения проблемы оптимизации жизненного цикла авиационного ГТД.

В авиадвигателестроении имитационное моделирование успешно используется при проектировании двигателей, моделировании испытаний агрегатов, диагностировании состояния двигателей, обосновании стратегии эксплуатации и др.. При этом эффективность решений во многом зависит от уровня адекватности самой имитационной модели.

Имитационное моделирование эксплуатации парка авиационных двигателей на летательных аппаратах позволяет оптимизировать диагностику их технического состояния [3], при этом используются индивидуальные реализации динамики диагностических параметров, полученные на основании обработки результатов подконтрольной эксплуатации двигателей. Варьируемыми переменными при этом являются:

• номенклатура измеряемых параметров;

• упреждающий допуск Аудоп;

• предельное значение параметра Ппр;

• периодичность диагностирования;

• средства диагностирования, характеризующиеся величиной капитальных вложений, необходимых для их внедрения, и стоимостью одной операции диагностирования.

Имитационная модель процесса эксплуатации авиационных двигателей позволяет исследовать влияние характеристик системы диагностирования на параметры реализуемого процесса эксплуатации и, в конечном счете, оптимизировать систему диагностирования двигателей при любом характере динамики определяющих параметров в зависимости от показателей системы эксплуатации двигателей.

Для летательных аппаратов (ЛА) и авиационных двигателей (АД) имитационное моделирование применяется для решения таких задач, как [1,2]: оценка стоимости их жизненного цикла; обоснование страте-

гии эксплуатации; обеспечение безопасной эксплуатации;

• решение организационных вопросов по поставке и прогнозированию потребностей (рис. 1).

При этом разработка имитационной модели предполагает решение следующих задач:

• идентификацию процессов в системе эксплуатации ЛА и АД, анализ элементов, включенных в эти процессы, их структур и взаимосвязей;

• построение математической модели исследуемого процесса;

• реализацию разработанной модели на ЭВМ.

Разработка модели базируется на принципах: системного подхода; обеспечения необходимого разнообразия модели (т.е. обеспечения того, чтобы полнота воспроизведения системы в модели соответствовала требованиям, вытекающим из цели исследования); декомпозиции системы на отдельные подсистемы вплоть до уровня элементов; отслеживания “жизни” каждого элемента системы.

Формирование парка ЛА, находящихся в эксплуатации, проводится по схеме, приведенной на рис. 1. Пригодность ЛА к эксплуатации определяется состоянием планера ЛА:

• ЛА считается годным и продолжает оставаться в эксплуатации, если ресурс планера до ремонта не выработан;

• ЛА выбывает из эксплуатации на время ремонта планера, если ресурс до ремонта выработан;

• ЛА списывается и в дальнейшем не учитывается, если выработан назначенный ресурс планера (двигатели, снятые с таких ЛА, направляют в эксплуатацию в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2).

В модели предусмотрена возможность использования двух подходов к моделированию отказов:

• первый основан на концепции двойственности природы отказов (износовые и внезапные).

• второй подход основан на использовании статистических данных о средней наработке двигателей на один досрочный съем по всем причинам.

В данной работе рассмотрен вопрос моделирования одного из важных этапов

жизненного цикла изделия (вспомогательного ГТД) - этапа эксплуатации.

Исходными параметрами модели являются: объем парка эксплуатируемых двигателей; ресурс двигателя по наработке и количеству запусков; критическое значение повреждаемости; затраты на устранение отказов двигателя в эксплуатации; удельный доход от эксплуатации двигателя; себестоимость часа работы двигателя в эксплуатации.

Мах число Мах число Число лет Коэффициент за-

двигателей самолетов эксплуатации паса двигателей

Выпуск новых двигателей

Плановый ввод самолетов по годам эксплуатации

ЭКСПЛУАТИРУЕМЫЙ парк ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Назначенный ресурс планера

Пропускная способность АРП

Выпуа само с новых летов ,

Время ремонта самолета

Ремонт

самолета

Динамика надежности двигателя ТДСД

Среднегодовой налет самолета

Среднегодовая наработка двигателя

На ремонт

Динамика назначенного На замену

ресурса двигателя —► На хранение ,

Текущие

эксплуата-

ционные

расходы

Число ремонтов самолета

Стоимость: » ремонта * замены • хранения

<

Ремонт

двигателей

Мах длина очереди двигателей в ремонте

Пропускная способность двигателеремонтных подразделений

ДСД

ДСД+ДВР Списано Число замен Принято на ремонт Отремонтировано Ждут ремонта В ремонте Запас (с учетом новых)

“На крыле” Оборотный фонд Новых

Потребный объем производства

Рис. 1. Имитационная модель оценки параметров жизненного цикла парка ЛА: ДСД - досрочный съем двигателя; Т - наработка

Съем двигателя с ЛА

-►/ Тип \ \ ремонта /

Ремонт ' і в АТБ

У на ЛА

)

Транспорти-

рование

двигателя

Съем Транспорти-

неисправного рование

модуля модуля

Установка модуля из запаса

Ремонт на АРЗ

Запас

модуля

Транспорти-

рование

модуля

Ремонт

модуля

Ремонт

двигателя

Установка Ґ Запас \\ Транспорти-

двигателя * V двигателей/ < рование

из запаса двигателя

Рис. 2. Схема движения двигателей, снятых со списываемых самолетов

Переменными величинами модели являются:

• порядковый номер двигателя;

• порядковый номер запуска;

• температура окружающего воздуха;

• наработка в режиме кондиционирования воздуха;

• режимная наработка на один запуск;

• суммарная наработка двигателя в эксплуатации;

• повреждаемость элементов двигателя за ]-й запуск Ц и за все время эксплуатации Пі;

• затраты на ]-й запуск двигателя в эксплуатации;

• доход от эксплуатации двигателя;

• затраты и доход на весь цикл эксплуатации і-го двигателя;

• суммарные затраты и доход на эксплуатацию парка двигателей.

Моделируется состояние:

• рабочей лопатки 1-й ступени турбины;

• радиально-упорного подшипника ротора;

• ведущей шестерни редуктора;

• подшипника;

• обмоток генератора.

В модели предусмотрен выбор типа самолета, от которого зависит режимная наработка на запуск, а также назначенный

ресурс. При этом время наработки за один запуск зависит от времени, необходимого на запуск одного маршевого двигателя и их числа. Далее в модели определяются условия, при которых производится запуск двигателя:

• месяц начала эксплуатации;

• климатическая зона;

• время суток и т.д.

Эти условия определяют температуру окружающего воздуха и, как следствие, длительность работы двигателя в режиме кондиционирования салона самолета.

Значения длительности работы двигателя в режиме кондиционирования Тскв приведены в табл. 1.

Таблица 1. Длительность работы двигателя

1и,°С -40 -10 0 +10 30 +40

Тскв 30/60 15/30 15/30 0/20 15/30 30/60

В модели предусмотрено моделирование типа аэродрома, на котором проводится текущий запуск двигателя, а также варианта применения двигателя на самолете (табл.2,3).

В варианте А все операции техобслуживания самолета выполняются с применением двигателя. Данный вариант имеет место в случае эксплуатации самолета в транзитном аэропорту в температурных условиях, значительно отличающихся от нормаль-

ных (требуется подогрев или охлаждение салона), при нехватке на аэродроме наземных источников электрической энергии для питания бортсети самолета.

Таблица 2. Варианты применения двигателя

Шифр вари- анта при- мене- ния Применение двигателя как источника электрической энергии

для питания агрегатов топливной системы при запуске самолета для питания радио-, электро-и приборного оборудования при их обслуживании

А + +

Б + +

В - -

Г - -

Таблица 3. Варианты применения двигателя на самолете

Шифр вари- анта при- мене- ния Применение двигателя как источника сжатого воздуха

для питания системы кондиционирования для запуска маршевых двигателей

А + +

Б - +

В + +

Г - +

Вариант Б отличается от варианта А температурными условиями эксплуатации (случай эксплуатации при температурах, близких к нормальному значению).

Вариант В имеет место в процессе эксплуатации самолета при температурах, значительно отличающихся от нормальных и при питании бортовой сети самолета электроэнергией от наземных средств.

В варианте Г двигатель используется только для запуска маршевых двигателей. Данный вариант имеет место при эксплуатации самолета в температурных условиях, незначительно отличающихся от нормальных и при питании электрической бортсети самолета от наземных источников энергии.

В связи с тем, что самолеты эксплуатируются в различных климатических условиях, на аэродромах с различной оснащенностью техническими средствами практически может иметь место любой из вышеперечисленных вариантов применения двигателя.

Имитационная модель цикла эксплуатации рассматриваемого двигателя реализована на ЭВМ в виде программы на языке Turbo Pascal 7.0.

В последующем имитационная модель эксплуатации была включена в имитационную модель жизненного цикла двигателя вида «производство - испытания - эксплуатация» и использовалась для оптимизации параметров ускоренных (эквивалентно-

циклических) испытаний двигателя.

При этом в качестве оптимизируемой рассматривалась прибыль от эксплуатации, обусловленная качеством проведения (достоверностью) испытаний:

• при чрезмерном ужесточении параметров режима нагружения в эксплуатацию не попадают кондиционные изделия, что приводит к снижению прибыли;

• при «слабых» режимах нагружения в эксплуатацию попадают некондиционные изделия, что приводит к дополнительным расходам на ремонт и восстановление двигателя.

Список литературы

1. Никонова И.А., Шепель В Т. Техникоэкономическая эффективность авиационных ГТД в эксплуатации. М.: Машиностроение, 1989. 200 с.

2. Смирнов Н.Н., Ицкович А.А. Обслуживание и ремонт авиационной техники по состоянию. М.: Транспорт, 1980. 184 с.

3. Гатушкин А. А., Кременецкий Н.М., Цуриков О.Н. Некоторые вопросы оптимизации системы диагностирования ГТД с использованием модели процесса эксплуатации парка двигателей // Методы диагностирования авиационной техники. Киев: КИИ-ГА, 1989. С. 17-20

IMITATING MODELLING OPERATION OF AIRCRAFT GAS-TURBINE ENGINES

© 2006 G.K. Ageev, R.N. Delmukhametov, V.C. Gabdllin

USATU

. The method of construction of imitating model is considered operation of aircraft gas-turbine engines. The imitating model is intended for the decision of a problem of optimization of life cycle aviation gas-turbine engines