Вопрос 4. Модель дискретного процесса нагружения

Доля времени, проведенного самолетом в условиях значительной турбулентности, невелика. Например, в течение 2 – 3 - часового полета среднемагистрального самолета в среднем лишь 3—5 раз пик перегрузки, вызваной вертикальными порывами, выходит за пределы . Условия дискретного нагружения описываются функцией , определяющей число порывов ветра с вертикальной скоростью , превышающей предельные порывы со скоростью и зависящейот высоты полета (рис. 121). При известной скорости полета повторяемость превышений, отнесенная к единице расстояния (обычно 100 км), пересчитывается в повторяемость, отнесенную к единице времени , (обычно 1 ч):

Рис.121. Диаграмма повторяемости вертикальных порывов

Различают три вида повторяемости — для грозовой, облачной ясной погоды и для каждого указывается относительная продолжительность. Для ясной погоды .

За модель процесса нагружений принимается детерминированный(детерминированные - динамические системы, состояние элементов которых в данный момент времени полностью определяет их состояние в любой предыдущий или следующий момент) временитиповой полет с зафиксированными продолжительностью и профилем. Типовой полет разбивается на участки , в пределах которых условия нагружения принимаются постоянными. Выделяют, например, участки полета на постоянной высоте; участки, на которых выпушена механизация (это существенно изменяет картину распределения нагрузкии на крыло и на оперение); участки, на которых выполняются маневры, и др. Для каждого выделенного участка продолжительностью весь диапазон скоростей порывов W разбивается на несколько интервалов j границами и , где .

Среднему значению соответствует суммарная повторяемость всех порывов со скоростями, лежащими в этом интервале:

В дальнейших расчетах может рассматриваться, например, «жесткая» модель самолета. Тогда один порыв со скоростью вызывает один цикл изменения со средним напряжением и амплитудой .

Характеристики напряженного состояния

Рассмотрим расчетное сечение силового элемента (с ), работающего на растяжение, и определим характеристики его напряженного состояния в типовом полете и . При остатке топлива и других параметрах, соответствующих -му участку типового полета, в нем имеется избыток прочности ( ). Тогда при перегрузке в горизонтальном полете . соответствующее значение среднего напряжения

.

Амплитуда напряжения, соответствующая приращению перегрузки , вызванному порывом ветра со скоростью , имеет вид

Получаем блок нагружения, соответствующий типовому полету, описываемый совокупностью параметров циклических нагрузок, входящих в этот блок.

36. Первоначальная оценка надежности газотурбинного двигателя

На стадии опытно-конструкторской доводки ГТД для обоснования предполагаемого ресурса проводят большой комплекс экспериментальных исследований и проверок работоспособности материалов, деталей и узлов на специальных установках и двигателя в целом на испытательных стендах.

Для первых этапов эксплуатации двигателям назначают обычно фиксированный ресурс, составляющий несколько сотен часов. Проверку их надежности в пределах этого ресурса выполняют путем длительных стендовых испытаний по эксплуатационной программе, воспроизводящей в натуральном масштабе времени режимы работы и нагрузки на элементы конструкции, близкие к эксплуатационным. Окончательное решение о назначении первоначального ресурса принимают на основании летных испытаний двигателей, которые проводят с превышением наработки по отношению к ресурсу на 200...300 ч. После отработки двигателями в серийной эксплуатации заданного первоначального ресурса производят последовательное ступенчатое его увеличение (по 200...300 ч), опираясь, главным образом, на опыт эксплуатации. При больших наработках в эксплуатации возможен переход к дифференцированному ресурсу, а для ГТД, обладающих достаточной контролепригодностью— к ресурсу по со­стоянию.

По современным требованиям величины ресурса ГТД должны достигать многих тысяч и даже десятков тысяч часов (Д-18Т, устанавливаемый на Ан-124 – 18 000ч), при кото­рых ресурсные испытании в натуральном масштабе времени те­ряют практический смысл, так как потребуют чрезвычайно боль­ших затрат времени и будут задерживать, вследствие этого, ввод двигателей в эксплуатацию. Поэтому для проверки надеж­ности высокоресурсных двигателей в настоящее время применяют ускоренные эквивалентные испытания, обеспечивающие рас­ходование запасов работоспособности деталей и узлов такое же, как и в эксплуатационных условиях за предполагаемый ресурс, но при существенном сокращении времени по сравнению с длительными ресурсными испытаниями. Время таких испытаний сокращают, главным образом, за счет эквивалентной по поврежденности элементов ГТД замены длительных эксплуатационных режимов, мало влияющих на выработку ресурса, более тяжелыми, но значительно менее продолжительными эксплуатационными режимами.

В качестве меры ресурса часто принимают запасы длительной статической прочности деталей горячей части ГТД (обычно ра­бочих лопаток I ступени турбины), которые должны быть одинаковыми в пределах ускоренных испытаний и проверяемого эксплуатационного ресурса.

Для расчета программ ускоренных эквивалентных испытаний используют степенное уравнение длительной прочности материа­лов вида

где — время до разрушения материала под действием ста­тического напряжения при температуре ; , — коэф­фициенты уравнения, зависящие от температуры.

Степень повреждений проверяемой детали двигателя оценива­ют, согласно гипотезе линейного накопления повреждений, отно­шением , что приводит к следую­щим выражениям:

где — повреждение, накопленное за проверяемый ресурс; — число эксплуатационных режимов нагружения; —наработка двигателя на - м эксплуатационном режиме, при котором на де­таль действует напряжение при температуре ; — время до разрушения детали при том же режиме нагружения; — коэф­фициент запаса длительной прочности детали на i-м режиме.

Если при ускоренных испытаниях все эксплуатационные ре­жимы нагружения заменить одним, эквивалентным по повреж­денности проверяемого элемента двигателя, максимальным режи­мом (для которого будем использовать индекс I), то на этом ре­жиме необходимо проводить испытания продолжительностью

При выводе данной формулы было использовано условие эквивалентности где — поврежденность элемента ГТД при испытаниях на максимальном (эквивалентном) режиме, которая, согласно принятым предпо­сылкам, задана соотношениями .

Наработка на эквивалентном режиме (в качестве которого для авиационных ГТД обычно принимают взлетный режим) составляет . Следовательно, обеспечивается существенное сокращение времени испытаний, так как эксплуатационная на­работка на взлетном режиме , как правило, не превышает 5 % от ресурса. При этом условии наработка на взлетном режиме при испытаниях составит не более 6... 12% от проверяемого ресурса и вызовет такие же повреждения деталей горячей части по критерию их длительной прочности, что и работа двигателя в течение всего ресурса.

Для проверки работоспособности дисков турбин и компрессоров, подверженных, в основном, малоцикловой усталости, применяют ускоренные циклические испытания ГТД, при которой воспроизводят циклы малой продолжительности (10...20 мин), включающие наиболее жесткие в смысле циклической нагруженности дисков нестационарные режимы, например запуск, пробу приемистости, резкий сброс газа, реверсирование тяги и останов. Число циклов при испытаниях увеличивают в 2...3 раза по сравнению с числом полетных циклов за предполагаемый ресурс, что обеспечивает проверку специально предусматриваемых запасов работоспособности дисков, необходимых для сохранения высот их надежности в эксплуатации при характерном для конструкционных материалов случайном рассеивании прочностных свойств. Несмотря на увеличенное число циклов, их малая продолжительность позволяет существенно сократить время испытаний.

Циклические испытания ГТД широко распространены в практике английской и американской авиапромышленности. В отечественном авиадвигателестроении получили применение ускоренные эквивалентно-циклические испытания, основное отличи которых от циклических состоит в том, что количество наиболее жестких нестационарных режимов назначают для них, исходя из равенства малоцикловых повреждений дисков при испытания эксплуатационным малоцикловым повреждениям за проверяемый ресурс. Для расчета программ эквивалентно-циклических испытаний используют экспериментальные кривые малоцикловой усталости материалов и методику, подобную вышеизложенной.

Выполняемые в настоящее время ускоренные испытания совместно с комплексом других испытаний позволяют к моменту передачи опытного двигателя в серийное производство с гарантийным ресурсом 300...500 ч проверить его надежность на pecypс 5…10 тыс.ч.