CC BY
24
ISSN 1992-6502 (Print)_
2016. Т. 20, № 1 (71). С. 62-70
Ъъомшс
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.31
Метод обоснования комплексных ускоренных ресурсных
испытаний энергетических установок
а. с. Гишваров1 , м. н. Давыдов2
1 [email protected], 2 [email protected] ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 22.12.2014
Аннотация. Актуальной задачей ускоренных ресурсных испытаний (УИ) энергетических установок (ЭУ) является разработка научно-обоснованного метода выбора объема, режимов и длительности УИ, обеспечивающих эквивалентность одновременно по всем основным элементам и характеристикам расходования ресурса ЭУ. Такие испытания рассматриваются как комплексные ресурсные УИ. Решение данной проблемы создает основу для наиболее полной проверки надежности и ресурса ЭУ методом ускоренных испытаний.
Ключевые слова: энергетическая установка; комплексные ускоренные испытания; критерии эффективности; повреждаемость; целевая функция.
Для энергетических установок (газотурбинные двигатели, газоперекачивающие агрегаты, приводы электрических генераторов и др.) характерно, что их надежность определяется одновременно совокупностью элементов и характеристик расходования ресурса. Ввиду различной интенсивности влияния режимов нагружения на повреждаемость элементов энерге-тических установок (ЭУ), наличия функциональных ограничений на параметры режима нагружения, ограничений по автомодельности длительных и ускоренных испытаний (неизменности физической природы расходования ресурса в ускоренных и длительных испытаниях) и других факторов, эффективность ускоренных испытаний (УИ) существенно снижается [1-3]. Поэтому актуальной задачей проблемы УИ является разработка научно обоснованного метода выбора объема, режимов и длительности УИ, обеспечивающих эквивалентность одновременно по всем основным элементам и характеристикам расходования ресурса ЭУ. Решение данной проблемы создает основу для наиболее полной проверки надежности и ресурса ЭУ методом ускоренных испытаний.
Существующие методы УИ, в силу различных причин (сложности реализации метода, несоответствия возможностей разработчика целям проводимого исследования, большой длительности испытаний, отсутствия исходных данных для реализации конкретного метода УИ и др.) на практике не всегда оказываются эф-
фективными. Например, исследование оптимальной области ускоренных испытаний (авиационной газотурбинной силовой установки ТА-6А) показало, что причиной уменьшения коэффициента ускорения испытаний являются:
• ограничения на параметры режима нагру-жения;
• наличие элементов ЭУ, скорость выработки ресурса которых слабо зависит от параметров режима нагружения;
• наличие параметров режима, качественно и количественно по-разному влияющих на скорость расходования ресурса элементов ЭУ;
• наличие функциональной связи между параметрами режима нагружения.
Очевидно, что чем шире перечень методов УИ, тем эффективнее можно решать задачи по повышению надежности и ресурса ЭУ.
Теоретической основой для обоснования ускоренных испытаний ЭУ являются основные положения теории моделирования, в первую очередь - теории подобия [4]: для двух сравниваемых процессов - ускоренных Yу и длительных Yн испытаний, процессы которых зависят от факторов Xl, Х2,..., Хп и описываются зависимостями
=Ф(ху1,ху2,...,хуП) и Гн = ф(хЛ,хн2,...,хнп),
подобие обеспечивается при тождественности уравнений, описывающих сравниваемые про-
цессы, и равенстве сходственных критериев подобия.
Согласно п-теореме критерии подобия разделяются на определяемые, в которых содержится исследуемый параметр, и определяющие, в которых содержатся параметры, характеризующие физические свойства исследуемого процесса (параметры рабочей среды и внешних нагрузок, свойства материалов, начальные и граничные условия процесса и т.д.). Следствием п-теоремы является то, что определяемые критерии подобия представляют собой однозначные функции определяющих. Применительно к процессам расходования ресурса ЭУ определяемыми параметрами являются обобщенные запасы прочности долговечности Пт, повреждаемости П, а определяющими -производственно-технологические параметры, характеризующие качество ЭУ (исходное состояние ЭУ перед испытаниями) Ро = (Ро1, Ро2,..., Pоv)Т, параметры режима нагружения ЭУ П(т) = (П;, П2,..., Л)Т и длительность испытаний т [1]: П =Ф[Р0у,Лу(т),ту]; Пн =ф[Р0н,Яи(т),тн]. (1)
Зависимости вида (1) в теории надежности трактуются как модели разрушения, деградации, утраты работоспособности, выработки ресурса и др. [1, 2].
Согласно (1), в области исходного состояния Ор и области режимов нагружения Оп при известной функции связи П = ф [Ро, Л(т), т], зависимости Пу = ф [Роу, Лу(т), Ту] и Пи = ф [Рон, Ли (т), Тн] полностью тождественны. Поэтому всегда можно выбрать параметры исходного состояния Рои е Ор, режима нагружения Ли (т) е Оп и длительность испытаний ту < ти, при которых будет обеспечиваться эквивалентность ускоренных и длительных испытаний:
ф[РоУ,Я (т),ту] = ф[РоиПи(т),ти];
P = С P = (С P С P )Т •
1 О у P1 Он 0н1>-"> ^Pu1 О ни' '
Ри 0 ни ' '
Rh(т) = CR(т) = (СлRHV...,CrSRHS)Т ;
(2)
Ту = СУТН,
где Су - множитель подобного преобразования времени при переходе от длительных испытаний к ускоренным (Су = K— ; Ky = thJту - коэффициент ускорения испытаний).
При этом, если режимов испытаний с длительностью Ту < Тн несколько, то всегда можно
выбрать режим с т* = min т ■ .
у i у
При наличии нескольких участков нагружения ЭУ повреждаемость П определяется суммированием вида:
z т.
П = Z—,
i=1 Т
(3)
где г - число участков нагружения ЭУ ; т - длительность режима нагружения; т* - время до разрушения или наступления параметрического отказа (т* =Ф[ Ро ,Л(т)]).
В формуле (3) параметр П является величиной безразмерной (нормализованной по т*), т.е. соответствует критериальной форме, поэтому условие подобия ускоренных и длительных испытаний можно записать в виде
п = Пи/Пу =1; Ро е Gp; R(т) ^^^. (4)
Различные сочетания параметров Ро и Л внутри областей Ор и Оп, обеспечивающие выполнение условия (4) при ту < ти, образуют область ускоренных испытаний.
С учетом естественного рассеяния Ро=(Ро1, Ро2,..., Рои )Т и Л(т) = (П1), Л2,., Л)Т, а также влияния неучтенных факторов гк повреждаемость является величиной случайной:
П = Ф[Ро П (т),т,ек ]; П=Й „/П у. (5)
В математическом плане:
• параметры, входящие в критерии подобия как величины случайные, подчинены определенным законам распределения и представляют систему случайных величин;
• критерии подобия являются функциями случайных величин: п = /(х ,х2,...хп).
Наличие моделей расходования ресурса позволяет с некоторой наперед заданной точностью решать задачу выбора режимов и длительности УИ:
п = Пи/Пу е [п,П]; П=ф [Ро,П(т),т];
Л(т) еОп,
Po ^Gp;
(6)
где п, п - нижняя и верхняя границы критерия подобия ж .
Повреждаемость ЭУ можно представить в виде матрицы размера п-т, строки которой соответствуют элементам ЭУ, а столбцы - характеристикам расходования их ресурса:
1 =
П11 гг 1 fL
п 1 п.
гг„1 Пп2 ... гг„
; i = 1,n ; j = 1,m . (7)
При вероятностной оценке процессов расходования ресурса ЭУ условие подобия ускоренных и длительных испытаний формулируется следующим образом: если для испытываемых ЭУ (включая элементы, узлы, системы, агрегаты и физические процессы, протекающие
в них) параметры, определяющие природу этих процессов, имеют тождественные плотности распределения, а значения критериев подобия (6) находятся в пределах нижней и верхней границ доверительного интервала, то такие испытания принадлежат одной генеральной совокупности:
_ П„
п = П
п, п
; ;=1,п; ]=1,т;
(8)
Пр=ф\р0,Я(т), т]; р еGp; Л(т)е.
С учетом множителя подобного преобразования С у = К-1 условие подобия принимает вид:
\ К =^ (р0 №)) е[ К у,^ ];
1 = 1, п;} = 1,т ; (9)
11у (т)<
Ол; Ро е Ор •
Если принадлежность параметров векторов Ро и Я соответственно областям Ор и Оп является необходимым условием, то условие К е [ Куу, ] является достаточным условием подобия ускоренных и длительных испытаний при вероятностной оценке.
Таким образом, наличие моделей расходования ресурса и доверительных интервалов для коэффициента К , е [ Куу, К , ] позволяет расчетным методом определять объем, режимы и длительность УИ в областях определения Ор и Оп.
На практике моделирование УИ возможно двумя методами: статистическим и физико-статистическим.
Высокая надежность современных ЭУ, а следовательно, небольшое число их отказов при испытаниях затрудняют получение достоверной информации о надежности с использованием статистических методов. Поэтому статистические методы, основанные на определении или подтверждении заданной интенсивности отказов, из-за большой трудоемкости испытаний становятся нерациональными.
Более эффективным для моделирования УИ является физико-статистический метод, согласно которому реальная ЭУ непрерывно изменяется вследствие глобального принципа роста энтропии, как представляющая собой термодинамически неустойчивую систему [1, 2].
Знания о протекании физико-химических процессов, происходящих в ЭУ, позволяют принимать решения по совершенствованию их конструкции, технологии изготовления, а также обоснованно выбирать объем, режимы и длительность УИ.
Реализация физико-статистического метода моделирования УИ проводится на основе обобщенной математической модели расходования ресурса, полученной объединением моделей расходования ресурса отдельных элементов узлов ЭУ [1].
Как правило, на практике при моделировании всегда стремятся, с одной стороны, к наиболее полному учету всех факторов формализуемого процесса расходования ресурса, а с другой стороны - к простоте его описания.
В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в ЭУ, число параметров, влияющих на выходные характеристики, довольно велико. Все это вызывает необходимость в каждом конкретном случае вводить определенные ограничения. Поэтому обобщенная математическая модель, формируемая в виде системы моделей расходования ресурса отдельных элементов ЭУ, должна отражать только те свойства и те процессы, которые с позиций надежности являются определяющими.
Ввиду приближенности моделей расходования ресурса (1), обобщенная модель описывает реальные процессы расходования ресурса ЭУ также приближенно. При этом очевидно, что выбор режима и длительности ускоренных испытаний должен проводится в пределах области применимости обобщенной модели расходования ресурса. При этом необходимо также учитывать возможности испытательного оборудования, запасы по форсированию режима нагру-жения и ограничения на область автомодельно-сти УИ, где сохраняется неизменной физическая природа процессов расходования ресурса в длительных и ускоренных испытаниях, т.е. обеспечивается физическое подобие в интервале изменения численных значений критериев подобия.
Границы области автомодельности задаются ограничениями 1 и 2 рода:
ГЯ < Я < Я •
о а I а.тт у а.тах ' /"I ("Л
Я' 1^(Яу ) < ^Яу ) < Ста* (Яу ), ( )
где Яа.шт, £з.тт(Яу), Яа.тах, £з.тах(Яу) — соответственно нижние и верхние границы области ав-томодельности 1 и 2 рода.
Ввиду наличия конструктивных ограничений и особенностей системы регулирования ЭУ, параметры режима нагружения могут быть функционально связаны между собой, что также необходимо учитывать при выборе значений режимов и длительности УИ:
гр(я у ) = 0;
I (11)
ОЯ:-
Ст(ЯУ ) < ^ЯУ ) < Са* (Яу ).
е
Ограничения (10) и (11) образуют в пространстве параметров Ri, R2,..., Rs область Gr ^ GR ^ Gr , в которой проводится выбор оптимальных режимов и длительности УИ.
Обобщенная модель расходования ресурса позволяет, с одной стороны, при заданных режимах нагружения определять длительность испытаний, с другой стороны, для заданной длительности испытаний определять режимы нагружения ЭУ, т.е. она представляет собой математическую модель УИ, позволяющую выбирать оптимальные значения режимов и длительности.
Обобщенная модель расходования ресурса в общем случае формируется [1, 5]:
• априорно известными моделями;
• моделями, построенными методами многофакторного регрессионного анализа по статистическим данным эксплуатации (испытаний) ЭУ и (или) его аналогов в различных условиях (моделирование методом пассивных экспериментов);
• моделями, построенными методом планированного эксперимента (моделирование методом активных экспериментов).
Основные требования, предъявляемые к УИ, сводятся к обеспечению [1, 2]:
• автомодельности (неизменности физической природы расходования ресурса в ускоренных и длительных испытаниях);
• равенства вырабатываемых ресурсов в ускоренных и длительных испытаниях по n элементам и m характеристикам расходования ресурса ЭУ;
• минимума временных и материальных затрат на проведение УИ.
Количественно данные требования можно оценивать через частные критерии эффективности Ка, Кэ, К и Кз, с учетом которых в дальнейшем проводить выбор оптимальных значений объема, режимов и длительности УИ.
Автомодельность УИ обеспечивается выбором режимов из области реализации GR, задаваемой ограничениями (10):
Ka ~ R е GR . (12)
Согласно (2) показатель Ку характеризует длительность УИ:
Ку = Тн / Ту ^ max v Ту ^ min,
(13)
Ту = f (Ро, Rу); Ку = f (Ро, Rу).
Для испытаний, включающих z участков нагружения:
_ z / z
Ку = (Ку1,., ^)Т; Ку = Z тн]. Z Тя. .
j=1 / j=1
Критерий эквивалентности Кэ характеризует величину «рассогласования» между коэффициентом ускорения Ку, принимаемым для ЭУ в целом, и коэффициентами ускорений Ку ц её элементов:
Кэ j=\K> - КУ1 \ = \$к> 0; (14)
i = 1, n; j = 1, m.
Поскольку критерии Ка, Ку, Кэ и К характеризуют основные требования, предъявляемые к УИ, то, следовательно, образуют полную группу критериев, с учетом которой следует проводить выбор оптимальных значений режимов R*
и длительности т* УИ:
R*(т*) = f(Ка, Кэ, Ку, К3opt. О5)
Исследование оптимальной области ускоренных испытаний ЭУ показывает, что критерии Кэ и Ку являются противоречивыми друг к другу и вопрос совместной их реализации при выборе параметров УИ требует отдельного рассмотрения, а оптимизацию УИ по критерию Кэ следует проводить по целевой функции, рассматриваемой ниже [1, 2].
В общем случае, ввиду наличия ограничений на область реализации режима Gr, неоднозначного влияния режима на скорость расходования ресурса элементов ЭУ и ограниченного числа параметров режима нагружения s (s << n, m), значение коэффициента ускорения Ку ij = F (Ро, Ry), рассчитанное по обобщенной модели расходования ресурса для заданного режима и начального состояния ЭУ Ро = idem, будет отличаться от его значения Ку , принимаемого для ЭУ в целом, на величину некоторой «невязки»:
8Ку j = (К - К'j); i = 1, n; j = 1, m. (16)
y yi £у11
ЗКуп ^ЗКу nm *0.
Полная эквивалентность длительных и ускоренных испытаний обеспечивается при
5Ку11 = ... = ЪКу nm = 0.
(17)
Поэтому для ЭУ в целом и дискретно заданного значения ку выбор режимов и длительности УИ возможен минимизацией суммарной «невязки» по коэффициентам ускорения элементов Ку у, что позволяет в максимально возможной степени обеспечить эквивалентность УИ одновременно по п элементам и т характеристикам расходования ресурса ЭУ.
Введем некоторую функцию - переменную величину, значение которой зависит от параметров режима нагружения на z участках и Ку:
z n m
Q( Ky, Rye) = ZZZ( KyE- KyEj )2 =
s=1 i=1 j =1
z n m
= ^ min;
s=1 i=1 j =1
Ky = Y.Tj^Tye; Kye= F(P0,Rye).
(18)
£=1 / £=1
Минимум квадратичной функции (18) означает, что соответствующие ей значения
Ще= (R£,К,-,R*Se)Т и Ty£ являются оптимальными, поскольку суммарная «невязка» между заданным и расчетными значениями коэффициентов ускорения элементов ЭУ достигает наименьшего значения, т.е. в области возможных значений параметров режима нагруже-ния Gr в максимально возможной степени обеспечивается близость ускоренных испытаний к длительным.
Учитывая точность моделей в описании реальных процессов расходования ресурса, а также значимость элементов в обеспечении надежности ЭУ в целом, функция цели (18) примет вид:
z n m
Q(Ky,RyS) = SISbjPj^min, (19)
£ = 1i = 1j = 1
где bj, pj - веса соответственно точности моделей расходования ресурса и значимости элементов ЭУ.
Согласно (19) УИ обеспечивают минимум «невязок» bKyäj, в первую очередь, для наиболее значимых элементов ЭУ, процессы расходования ресурса которых описываются наиболее точными моделями.
Если уровень эквивалентности длительных и ускоренных испытаний вместо «невязок» по коэффициентам ускорения 5Ky j оценивать через «невязки» по повреждаемости элементов ЭУ Шу j = Шн j - Шу j, то целевая функция (19) примет вид [1]:
z n m _
Q(Ky,R£ = zzmbjPjrn^ ^min. (20)
£=1 i=1 j =1
Количественно веса точности b определяются по формуле
b = T/ТдП), (21)
где T - некоторая константа, выбираемая из условия получения наиболее удобных значений
bj, например, ZZb = 1; D(n) - дисперсия пара-
• j
метра ресурса.
Определение весов значимости элементов pj проводится на основе анализа возможных последствий, к которым может привести отказ элементов ЭУ. Оценка проводится методом экспертных оценок, включая анализ статистиче-
ских данных по дефектам и отказам аналогичных ЭУ в эксплуатации.
Согласно критерию Ку длительность УИ должна быть по возможности минимальной. С учетом порогового значения К'у , разделяющего
область значений Ку на Ку = 1. К' (где проведение УИ, ввиду большой длительности, не имеет смысла) и на Ку = К 'у ... <х> (где проведение
УИ экономически оправданно), выбор режима проводится в интервале:
DKy е K' ... Ky
(22)
где Ку max - некоторая положительная величина, соответствующая максимальному (реальному) значению коэффициента ускорения.
Фактически DKy представляет собой величину «уступки» по критерию Ку. Варьированием параметров режима и длительностью испытаний в области Gr и интервале значений Ку е (К' ...
Ку max) оптимизируются режимы и длительность испытаний по функции цели (19) до выполнения условия 5Ку ij < 5 Кгуру (где 5 Кгуру - величина
«уступки» по 5Ку ij). За окончательный выбирается вариант, для которого
Ку = max ( К,) е Ш;
(23)
\SK .. = K - K .. <SK2p.
yi y yj\ y.j
При наличии нескольких локальных минимумов функции (19), удовлетворяющих условию (23) при одинаковых значениях коэффициента ускорения испытаний, за окончательный принимается вариант с наименьшими затратами на их проведение, т.е. УИ оптимизируются по критерию К:
Кз ~ С(Яу) = тш(С1,С2,...,С), (24)
где С, — затраты на проведение 1-х УИ.
Структурная схема совместной реализации критериев эффективности Ка, Ку, К и К при выборе оптимальных значений параметров УИ приведена на рис. 1, а блок-схема программы — на рис. 2.
Исходными данными являются:
• обобщенная модель расходования ресурса ЭУ (7);
• ограничения на параметры режима (10) и (11);
• величина допустимого рассогласования по коэффициентам ускорения , 1 = 1, п;
] = 1, т;
• веса точности моделей расходования ресурса Ъу и значимости элементов ЭУ ргу;
Рис. 1. Структурная схема реализации критериев Ку, Ка, Кэ, Кз при выборе оптимальных значений режимов и длительности ускоренных испытаний
• интервал значений К' ...Куmax, в котором проводится выбор параметров УИ.
Последовательность выбора следующая:
1. Вводятся исходные данные.
2. Задаются значения Ку и ДК (в первом приближении ДКу = 0,5.. .1). Присваиваются начальные значения параметрам режима испытаний R1, R2, ..., Rs.
3. Методом нелинейной оптимизации по целевой функции (19) определяются режимы и длительность ускоренных испытаний.
4. Если 5Ку ij< ЬКгрц , то необходимо перейти к п. 5, в противном случае - к п. 8.
5. Параметрам режима испытаний присваиваются очередные значения. Количество рассматриваемых вариантов равно N.
Если N < N0гр (где Nогр - число вариантов, задаваемое разработчиком программы ускоренных испытаний), то необходимо перейти к п. 6.
Если N > Nогр, то необходимо перейти к п. 7.
6. Присваиваются новые начальные значения параметрам режима испытаний и вновь проводится оптимизация параметров УИ по п.3 до выполнения условия N< Nогр. При N > Nогр необходимо перейти к п. 7.
7. Из N вариантов выбираются режимы ускоренных испытаний, при которых затраты на их проведение являются минимальными; то есть
Рис. 2. Блок-схема программы выбора оптимальных значений режимов и длительности ускоренных испытаний
C(R) = min(C;), и осуществляется переход к
i
п. 9.
Если требование экономичности испытаний не учитывается, то выбирается вариант, для которого суммарная «невязка» по коэффициентам ускорения наименьшая.
8. Если Ку е К' ... Куmax, то осуществляется
переход к п. 9. При i = l необходимо перейти к п. 10.
9. Показателю Ку присваивается новое значение и проводится выбор параметров ускоренных испытаний по п. 3.
10. Из I вариантов выбирается вариант с максимальным значением Ку .
11. Проводится уточнение режима Яу и коэффициента ускорения Ку путем поиска режимов и длительности испытаний в интервале Ку = К у ...Ку с шагом ДКу1 (ДКу1 << ДКу). Число
дискретных значений Ку в данном интервале составляет г (ориентировочно г « 5.6).
12. Если число вариантов ] не превышает своего предельного значения г, то осуществляется переход к п. 13, в противном случае необходимо перейти к п. 1 4.
13. Задается приращение значению Ку и методом нелинейной оптимизацией по п. 3 определяются режимы и длительность УИ.
14. Из г вариантов выбирается тот, для которого значение Ку имеет максимальное значение.
В некоторых случаях в группу варьируемых могут включаться не все составляющие режима испытаний, например, в том случае, когда требуется сохранить какой-либо параметр режима без изменения, поиск ведется по изложенному выше алгоритму до тех пор, пока не нарушится условие (23). При |8Ку| > К** число варьируе-
мых параметров увеличивается, и поиск режима и длительности испытаний ведется в новой «расширенной» области.
Если выбор режимов и длительности УИ, обеспечивающих эквивалентность ускоренных и длительных испытаний, невозможен, то можно воспользоваться следующим [1]:
• за окончательный выбрать вариант с Ку =
= тах К .. . При этом для элементов с Ку у < Ку
ц у1>
оценку надежности проводить методом прогнозирования или проведением автономных поэлементных или поузловых УИ на отдельных установках и стендах;
• расширить область поиска параметров УИ за счет увеличения верхней границы по
5Куу = К' - Куп], т.е. для ряда элементов ЭУ допустить проведение оценки надежности «в запас» (что часто применяется на практике) и повторить поиск параметров ускоренных испытаний по функции цели (19);
• элементы ЭУ с Ку ц < К ставить на испытания с предварительно выработанным ресурсом, например, в условиях эксплуатации;
• переходить к комбинированным УИ за счет сочетания одновременно нескольких методов сокращения длительности испытаний;
• периодически отключать от нагрузки «менее долговечные элементы» (коэффициенты ускорения которых превышают значение коэффициента ускорения, принимаемого для ЭУ в целом);
• проводить дополнительные испытания при условии, что общий объем материальных и временных затрат при этом остается меньшим по сравнению с длительными испытаниями;
• увеличить количество ЭУ, испытываемых по нескольким программам УИ.
Пример 1. ЭУ — авиационная газотурбинная силовая установка устанавливается на нескольких летательных аппаратах и состоит из турбокомпрессора, редуктора, генераторов переменного (ГТ40ПЧ6), постоянного (ГС-12ТО) токов, вентилятора и других навесных агрегатов.
Надежность и ресурс установки определяют:
• сопловые и рабочие лопатки 1 -й ступени, а также диски 2-й и 3-й ступеней турбины (П = [П11, П12, П21, П22, П31, П32, П41, П42], j = 1 -длительная статическая прочность; j = 2 - малоцикловая прочность);
• радиально-упорный подшипник ротора турбокомпрессора (П53) и ведущая шестерня редуктора (Пб3) ( j = 3 - контактная прочность);
• элементы генераторов переменного и постоянного токов (П74 и П84) 0 = 4 - тепловое старение).
Результаты выбора оптимальных значений режима и длительности УИ для участка нагру-жения с режимом «номинал» приведены на рис. 3 и в таблице. Из таблицы видно, что испытания
Рис. 3. Зависимость параметров режима ускоренных испытаний газотурбинной силовой установки от коэффициента ускорения: о - турбина; О - радиально-упорный подшипник; Д - шестерня;
* - генераторы
Таблица
Вид испытаний Параметры режима
ГТ1 * г ' К N, кВт z Тн, К Кг т, кВт Кг с, кВА
Длительные 1083 100 1350 302 38 7,4 1,56
Ускоренные 1114 110 1350 322 50 12,0 1,60
являются оптимальными при Ку = 4. Общее число переменных режимов в программе ускоренных и длительных испытаний (включая запуски) сохранено одинаковым.
Наработка на критических частотах вращения и резонансных колебаниях лопаток не включена в программу УИ, поскольку критические частоты вращения ротора турбокомпрессора расположены ниже диапазона рабочих и форсированных частот вращения, а резонансные колебания лопаток отсутствуют.
УИ двигателя проводятся с форсированием частоты вращения ротора (n) на 10 %, температуры газа перед турбиной ( T* ) - на 31 К, температуры воздуха на входе в двигатель (Тн) - на 20 К, мощности загрузки генератора переменного тока (Кг т) - на 12 кВА, генератора постоянного тока (Кг с) - на 4,6 кВт, температуры элементов генераторов - на 18 К.
Регулирование температуры газа перед турбиной осуществляется расходом воздуха, отбираемым за компрессором.
Регулирование частоты вращения осуществляется винтом регулятора центробежного топливного насоса 892А.
Температура воздуха на входе в двигатель регулируется подачей воздуха, отбираемого за компрессором испытываемой газотурбинной установки.
Температура элементов генераторов постоянного и переменного тока регулируется перекрытием входного сечения в вентилятор (регулируется параметром ц), а также изменением загрузки генераторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гишваров А. С. Теория ускоренных ресурсных испытаний технических систем. Уфа: Изд-во "Гилем", 2000. 338 с. [ A. S. Gishvarov, The theory of accelerated life tests of technical systems, (in Russian). Ufa: Gilem, 2000. 338 p.]
2. Гишваров А. С., Тимашев С. А. Теоретические основы ускоренной оценки и прогнозирования надежности технических систем. Екатеринбург: УрО РАН, 2012. 188 с. [ A. S. Gishvarov, S. A. Timashev, Theoretical basis of rapid assessment and prediction of the reliability of technical systems, (in Russian). Ekaterinburg: UrO RAN, 2012. 184 p.]
3. Кузнецов Н. Д., Цейтлин В. И. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение,
1976. 216 с. [ N. D. Kuznetsov, V. I. Tseitlin, Equivalent tests of gas turbine engines, (in Russian). Moscow: Mashinostroenie, 1976. ]
4. Веников В. А. Теория подобия и моделирования. М.: Машиностроение, 2014. 205 с. [ V. A. Venikov, Theory of similarity and modeling, (in Russian). Moscow: Mashinostroenie, 2014. 205 p.]
5. Гишваров А. С. Повышение эффективности многокритериального планирования многофакторного эксперимента. М.: Машиностроение, 2014. 205 с. [ A. S. Gishvarov, Improving the efficiency of multi-criteria planning multifactor experiment, (in Russian). Moscow: Mashinostroenie, 2014. 205 p.]
ОБ АВТОРАХ
ГИШВАРОВ Анас Саидович, проф., зав. каф. авиац. двигателей. Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1973). Д-р техн. наук по тепловым двигателям ЛА (УГАТУ,1993). Теор. и эксп. исследования в обл. надежности, ресурса и испытаний технических систем.
ДАВЫДОВ Марсель Николаевич, доц. каф. авиац. двигателей. Дипл. инж.-мех. по авиац. двигателям (УГАТУ, 2002). Канд. техн. наук по тепл. и э/ракетн. двигателям ЛА (УГАТУ, 2006). Иссл. в обл. ускоренных испытаний техн. систем.
METADATA
Title: Method of selection parameters of complex accelerated life test power plants.
Authors: A. S. Gishvarov1 , M. N. Davydov2
Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia.
Email: [email protected], [email protected]
Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 20, no. 1 (71), pp. 62-70, 2016. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print).
Abstract: The actual problem of accelerated test is to provide evidence-based method of selecting the volume, mode and duration of GTE. The solution to this problem provides the basis for the most complete test.
Key words: Power plant; accelerated testing complex; performance criteria; defectiveness; the objective function.
About authors:
GISHVAROV, Anas Saidovich, Prof., Dept. of Aircraft Engines. Dipl. engineer (UAI, 1973). Dr. of Tech. Sci. (USATU, 1993).
DAVYDOV, Marsel Nikolaevich, Dipl. engineer of aircraft engines (USATU, 2002), Cand. of Tech. Sci. (UGATU, 2006).
