Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор современного состояния надежности СУ и безопасности полетов вертолетов в условиях летного вуза и выявление основных закономерностей 13
1.1. Особенности обеспечения надежности СУ и БП вертолетов в условиях летного ВУЗа 13
1.2. Общие данные о состоянии безопасности полетов вертолетов в СВАИ за 1991...2003 гт 14
1.2.1. Основные причины инцидентов 17
1.2.2. "Фактор экипажа" в проблеме обеспечения безопасности полетов . 20
1.2.3. Роль инженерно - авиационной службы в обеспечении БП 22
1.2.4. Влияние аэродромно - технического обеспечения на БП 25
1.2.5. Влияние внешних факторов на БП вертолетов 26
1.2.6. Отказы авиационной техники ~. 27
1.3. Анализ надежности вертолетных ГТД 32
1.3.1. Определение основных показателей надежности двигателей 32
1.3.2. Анализ отказов и неисправностей основных узлов и систем вертолетных ГТД, причины и профилактика отказов 44
1.3.2.1. Компрессор 46
1.3.2.2. Камера сгорания 57
1.3.2.3. Турбины 59
1.3.2.4. Выходное устройство 64
1.3.2.5. Система смазки 66
1.3.2.6. Система автоматического регулирования и управления двигателя 70
1.3.2.7. Система запуска 76
1.3.2.8. Приводы двигателя 79
1.3.2.9. Повышенная вибрация двигателей 83
1.3.3. Распределение причин отказов между основными узлами и системами двигателей 84
1.4. Основные закономерности надежности СУ и БП вертолетов в условиях летного ВУЗа 86
Выводы 88
ГЛАВА 2. Использование корреляционно-регрессионного анализа и экспоненциальной модели процесса накопления повреждений для установления статистической зависимости между износом рабочих лопаток компрессора и наработкой двигателей ТВЗ-117 90
2.1.. Корреляционно-регрессионный анализ 90
2.1.1.. Форма представления статистического материала 91
2.1.2. Оценка формы корреляционной связи 93
2.1.3. Определение коэффициента корреляции 94
2.1.4. Определение коэффициентов уравнения корреляции 97
2.2. Экспоненциальная модель процесса накопления повреждений . 103
Выводы 110
ГЛАВА 3. Составление перечня особых случаев в полете, связанных с силовой установкой вертолета. разработка и исследование математической модели взаимо связи и взаимовлияния основных факторов-причин ОС в полете 111
3.1. Анализ и обоснование целесообразности исследований ОС полета 111
3.2. Анализ и обоснование целесообразности исследований основных факторов-причин ОС полета 117
3.3. Математическая модель взаимосвязи основных факторов-причин ОС в полете. Прогнозирование выбора и проведения научно-обоснованных периодических проверок и осмотров СУ, а также тренажей летного состава 120
Выводы 135
ГЛАВА 4. Разработка рекомендаций по повышению надежности су и бп вертолетов 136
4.1. Разработка и внедрение перечня научно-обоснованных проверок и осмотров СУ, тренажей летного состава по действиям в ОС в полете, методических рекомендаций по определению причин отказов СУ 136
4.2. Методика определения влияния надежности двигателей на безопасность полетов вертолетов 143
4.3. Использование методов математической статистики для анализа состояния надежности AT и БП вертолетов 150
4.3.1. Определение уровня безопасности полетов 150
4.3.2. Статистический метод определения степени опасности отказов AT 155
4.3.3. Использование метода статистического сравнения для ранжиро вания неблагоприятных факторов 159
Выводы 165
ГЛАВА 5. Разработка методики оценки подготовленности курсантов с точки зрения обеспечения безопасности полетов вертолетов 168
5.1. Создание автоматизированной обучающей контрольной программы по действиям экипажа в ОС полета 168
5.1.1. Необходимость создания программы 168
5.1.2. Описание программы 170
5.2. Использование метода определения остаточного ресурса СУ для разработки алгоритма оценки подготовленности летчика 173
5.2.1. Ресурс двигателей, принципы установления ресурса 173
5.2.2. Основные факторы, определяющие ресурс двигателей 176
5.2.3. Влияние условий эксплуатации на ресурс ГТД 181
5.2.4. Зависимости для определения напряженности и температуры основных деталей ГТД. Алгоритм оценки подготовленности летчика 188
5.3. Перспективы развития работ 191
Выводы 193
Заключение 194
Приложения 197
Библиографический список 207
- Анализ отказов и неисправностей основных узлов и систем вертолетных ГТД, причины и профилактика отказов
- Экспоненциальная модель процесса накопления повреждений
- Анализ и обоснование целесообразности исследований основных факторов-причин ОС полета
- Методика определения влияния надежности двигателей на безопасность полетов вертолетов
Введение к работе
Успешное решение проблем повышения надежности двигателей вертолетов на всех этапах жизненного цикла и безопасности полетов, а также государственной задачи подготовки летного состава является важным условием обеспечения обороноспособности страны.
При эксплуатации вертолетного парка в летном ВУЗе фиксируется большое количество авиационных инцидентов. Анализ надежности и безопасности полетов вертолетов показывает, что причины инцидентов можно разделить на три основные группы: отказы авиационной техники, ошибки личного состава и неблагоприятные внешние условия. Отказы авиационной техники включают отказы силовой установки и отказы функциональных систем вертолета. К ошибкам личного состава относятся не только ошибки летного и инженерно-технического состава, но и представителей служб обеспечения, организации и управления полетами. Под неблагоприятными внешними условиями понимают воздействие внешних неблагоприятных факторов: состояние атмосферы, явления погоды, орнитологическая обстановка и т. п.
Результаты исследований показывают, что из-за нарушений и ошибочных действий летного состава, происходит около 37 % от общего числа инцидентов. Около 38 % инцидентов связано с отказами авиационной техники, из которых большая часть во все годы приходится на силовую установку вертолета, включающую двигатели и системы, обеспечивающие их работу [14].
В связи с отмеченным актуальными становятся задачи совершенствования форм и методов контроля технического состояния авиационной техники, а также специальной подготовки экипажа к работе при возникновении особых случаев в полете.
Одним из путей повышения эксплуатационной надежности СУ вертолета и снижения доли инцидентов, связанных с "человеческим фактором", является раскрытие взаимосвязей и взаимовлияний основных факторов-причин авиаци- онных инцидентов, разработка и внедрение в практику перечня дополнительных проверок и осмотров AT, при этом реализуется принцип: чем больше неисправностей обнаружено на земле, тем меньше отказов в полете. Важны также разработка и внедрение в учебный процесс и в эксплуатационные подразделения автоматизированной обучающей программы по действиям экипажа в особых случаях в полете и разработка алгоритма оценки подготовленности летчика с использование метода определения остаточного ресурса СУ вертолета.
В связи с этим в работе поставлена следующая цель: повышение эксплуатационной надежности СУ вертолетов в условиях летного ВУЗа благодаря раскрытию взаимосвязей и взаимовлияний основных факторов-причин авиационных инцидентов, разработке и внедрению в учебный процесс и в эксплуатационные подразделения новых форм обучения, оценки подготовленности летного состава, перечня научно-обоснованных проверок и осмотров AT.
Указанная цель может быть реализована на основе комплексного решения следующих основных задач исследований: анализ состояния надежности AT и БП вертолетов в летном ВУЗе с определением уровня изменения по абсолютным и относительным показателям; выявление основных факторов-причин авиационных инцидентов, имевших место в СВАИ за период с 1991 по 2003 гг.; анализ отказов и неисправностей вертолетных ГТД и расчет среднестатистических показателей надежности двигателей; установление статистической зависимости между износом РЛ компрессора и наработкой вертолетных ГТД для различных условий эксплуатации; анализ и составление перечня ОС в полете, взаимосвязанных с отказами силовой установки вертолета; разработка математической модели взаимосвязи основных факторов-причин возникновения ОС в полете и перечня научно-обоснованных периодических проверок и осмотров СУ, а также тренажей летного состава по действиям в ОС в полете; разработка методики определения влияния надежности двигателей на БП вертолетов в условиях летного ВУЗа; составление алгоритма оценки подготовленности летчика с использованием метода определения остаточного ресурса СУ вертолета и создание автоматизированной обучающей программы по действиям экипажа в особых случаях в полете.
В диссертационной работе использованы методы: теории вероятностей, регрессионного анализа, графов и математической статистики.
В результате комплекса исследований сформулирована совокупность основных научных положений, выводов и рекомендаций.
Научную новизну представляют: математическая модель взаимосвязи основных факторов-причин возникновения особых случаев в полете на всех этапах жизненного цикла двигателей - использования их в условиях летного ВУЗа, - разработанная на базе теории графов, позволяющая обеспечить эксплуатационную надежность силовой установки и разработать научно-обоснованный перечень проверок и осмотров AT, а также тренажей экипажа; методика определения влияния надежности вертолетных ГТД на безопасность полетов вертолетов в условиях летного ВУЗа; корреляционные зависимости между износом РЛ компрессора и наработкой двигателей ТВЗ-117 в различных условиях их использования; использование метода определения остаточного ресурса СУ для разработки алгоритма оценки подготовленности летчика в условиях летного ВУЗа; автоматизированная обучающая контрольная программа оценки действий экипажа в ОС в полете.
Практическая ценность работы заключается в том, что;
1) использование математической модели взаимосвязи факторов-причин возникновения ОС в полете повышает уровень эксплуатационной надежности СУ и БП вертолетов в условиях летного ВУЗа благодаря разработке научно- обоснованного перечня проверок и осмотров авиационной техники, а также тренажей летного состава; использование методики определения влияния надежности двигателей на БП вертолетов позволяет прогнозировать вероятность возникновения аварийной ситуации в полете из-за отказа одного или двух двигателей и сформулировать требования к надежностным характеристикам СУ в различных условиях их эксплуатации; полученные корреляционные зависимости между износом лопаток компрессора и наработкой двигателей ТВЗ-117 позволяют оценивать интенсивность деградации характеристик двигателя, прогнозировать техническое состояние СУ, рационально планировать количество двигателей для замены и наметить способы улучшения характеристик двигателей, находящихся в серийном производстве и эксплуатации; внедрение в учебный процесс в СВАИ автоматизированной обучающей программы позволяет повысить качество теоретической подготовки летного состава по действиям в ОС в полете, надежность СУ и БП; предложенный алгоритм оценки подготовленности летчика с исполь^ зованием метода определения остаточного ресурса СУ позволяет проводить объективную оценку его действий при пилотировании вертолета, повысить качество летной подготовки и обеспечить эксплуатационную надежность СУ в условиях летного ВУЗа.
На защиту выносятся: результаты анализа надежности AT и БП вертолетов в СВАИ за период с 1991 по 2003 гг.; разработанная на основе теории графов математическая модель взаимосвязи основных факторов-причин возникновения ОС в полете; методика определения влияния надежности вертолетных двигателей на безопасность полетов вертолетов в условиях летного ВУЗа;
4) корреляционные зависимости между износом рабочих лопаток первой ступени компрессора и наработкой двигателей ТВЗ-117 в различных условиях эксплуатации; автоматизированная обучающая контрольная программа по действиям экипажа в ОС в полете; алгоритм оценки подготовленности летчика с использованием метода определения остаточного ресурса СУ вертолета.
Анализ отказов и неисправностей основных узлов и систем вертолетных ГТД, причины и профилактика отказов
Нормативным и естественным состоянием двигателя следует считать исправное состояние, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической документации. В этом случае двигатель полностью выполняет заданные функции. Поддержание исправного состояния требует определенных эксплуатационных затрат на выполнение предусмотренных работ по профилактике и техническому обслуживанию, включая контроль и диагностику.
Состояние двигателя, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической документации, называется неисправным состоянием или неисправностью. Переход двигателя из исправного состояния в неисправное происходит вследствие повреждения и называется событием, которое заключается в нарушении исправного состояния при сохранении работоспособности. Работоспособный двигатель в отличие от исправного должен удовлетворять лишь тем требованиям нормативно-технической документации, выполнение которых обеспечивает нормальное применение его по назначению. Понятие «исправность» - шире, чем понятие «работоспособность». Исправный двигатель, как правило, работоспособен. Работоспособный двигатель может быть неисправен, однако при этом возможные повреждения не влияют на его функционирование, например, царапины на корпусе двигателя, окраска трубопроводов, не соответствующая некоторым требованиям, повреждение элементов вспомогательных устройств и т.п. [45]. Событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния, называется отказом.
Рассмотрим характерные отказы и неисправности узлов и систем вертолетных ГТД, наиболее часто встречающиеся в эксплуатации на примере двигателей семейства ТВ2-117А и ТВЗ-117.
При работе компрессора на его лопатки действуют периодически изменяющиеся силы, вызывающие вынужденные колебания лопаток. Наибольшая интенсивность колебаний лопаток соответствует нерасчетным режимам работы двигателя, так как происходит периодический срыв воздушного потока и нарушается плавность его протекания по проточной части компрессора. Колебания лопаток вызывают значительные усталостные напряжения материала. При появлении на каком-либо режиме резонансных колебаний, напряжение в лопатках резко увеличивается и может произойти их разрушение.
Одной из особенностей эксплуатации вертолетных ГТД, ухудшающей условия работы компрессорных лопаток, является попадание в проточную часть вместе с воздухом большого количества пыли при работе двигателя на земле или вблизи земли. Это приводит к интенсивному изнашиванию рабочих лопаток и уменьшению запаса прочности. Неблагоприятное влияние на работу компрессора оказывает обледенение входной части двигателя и лопаток входного направляющего аппарата, при котором не только ухудшаются характеристики компрессора вследствие уменьшения секундного расхода воздуха, но и появляется вероятность механического повреждения рабочих лопаток кусочками скалывающегося льда [7, 8, 40].
В процессе эксплуатации вертолетных двигателей наиболее часто отмечаются следующие характерные неисправности узлов и деталей компрессора: повреждение лопаток посторонними предметами; разрушение лопаток ротора; абразивное изнашивание деталей проточной части компрессора; помпаж компрессора; разрушение подшипников опор; деформация или разрушение звеньев механизма управления поворотными лопатками. Рассмотрим их подробнее.
Повреждение лопаток компрессора посторонними предметами. Повреждение и следующее за ним разрушение лопаток компрессора ГТД от попадания посторонних предметов вызывают серьезную проблему обеспечения безопасности полетов и технического обслуживания. Как правило, повреждение лопаток бывает незначительным и его трудно обнаружить до тех пор, пока оно не приведет к серьезному ухудшению характеристик двигателя. У большинства лопаток посторонние предметы повреждают передние кромки. Повреждения у корня рабочих лопаток часто образуют трещины, которые развиваются до таких размеров, при которых происходит разрушение. Развитие трещины приводит к скручиванию или изгибу лопатки, что может служить диагностическим признаком [40,41].
Заводом-изготовителем устанавливаются допуски на повреждение лопаток компрессора. Так, для двигателей ТВ2-117А, устанавливаемых на вертолетах Ми-8, на профиле и кромках лопаток ВНА допускаются: точечные забоины глубиной до 0,2 мм в неограниченном количестве; вмятины без надрывов глубиной до 1 мм, длиной до 5 мм не более 2 штук на одной лопатке. На рабочих лопатках первой ступени компрессора (рис. 16) допускаются в зонах: I (на длине 25 мм от торца пера) на кромках и профиле пера точечные забоины и вмятины глубиной h — до 0,5 мм и длиной вмятин / - не более 3 мм; II на кромках и профиле пера допускаются точечные забоины и вмятины глубиной до 0,3 мм; III (на длине 15 мм от замка) повреждения не допускаются [1]. Для двигателей ТВЗ-117 на рис. 17 показаны виды допустимых повреждений РЛ и ВНА, а в табл. 8 нормы допустимых повреждений [48, 71].
Размеры забоин и вмятин, а также их расположение по профилю в настоящее время определяются визуально. При необходимости размер вмятины (забоины) можно уточнить путем измерения ее воскового слепка. Острые края точечных забоин на передней кромке лопатки необходимо округлить.
Экспоненциальная модель процесса накопления повреждений
Неисправности системы регулирования и управления вызывают нарушение нормальной работы двигателей и определяются по отклонениям от установленных значений основных параметров, характеризующих работу силовой установки вертолета. Опыт эксплуатации вертолетных ГТД показывает, что наиболее распространенными неисправностями системы регулирования и управления двигателей являются следующие: разнорежимность в работе двигателей; раскачка (периодическое изменение) частоты вращения турбокомпрессоров; большое время приемистости двигателей; увеличение температуры газа перед турбиной в процессе приемистости больше допустимой величины; самопроизвольное увеличение частоты вращения несущего винта; «заброс» частоты вращения несущего винта при уборке шага с взлетного режима до режима малого газа; увеличение частоты вращения несущего винта в процессе планирования вертолета с работающими двигателями; "зависание" частоты вращения ротора турбокомпрессора при запуске двигателя.
Разнорежимность в работе двигателей на установившихся режимах («вилка»). При работе автоматической системы поддержания заданной частоты вращения несущего винта разность частот вращения турбокомпрессоров двигателей («вилка») не должна превышать 2%, а при срабатывании ограничителей не более 3%. Основными причинами разнорежимности работы двигателей являются:: негерметичность в соединительных трубопроводах воздушной системы синхронизаторов мощности или замерзание конденсата в них. Эта неисправность является наиболее характерной для эксплуатации вертолета в условиях температуры атмосферного воздуха, близкой к О С. Устранение дефекта производится проверкой целостности соединительных трубок подвода воздуха к мембранным устройствам синхронизаторов мощности, а также удалением замерзшего конденсата из трубопроводов путем подогрева и продувки их воздухом. С целью профилактики образования и замерзания конденсата перед полетом вертолета проводится проверка отстойников трубопроводов и удаление из них скопившейся влаги; засорение воздушных жиклеров, установленных в трубопроводах подвода воздуха к синхронизаторам мощности двигателей. Эта неисправность часто встречается при эксплуатации двигателей на пыльных аэродромах. Дефект устраняется промывкой жиклеров; нарушение регулировки углов поворота лопаток направляющего аппарата одного из двигателей (обычно того, у которого частота вращения выше). В этом случае необходимо проверить правильность регулировки и при необходимости произвести подрегулировку. Для предупреждения возникновения указанного дефекта в процессе предполетного осмотра необходимо визуально проверять положение лопаток входного направляющего аппарата компрессора и показания стрелки лимба гидромеханизма, которые должны соответствовать значению, рекомендованному руководством по технической эксплуатации [21,33].
Выявление несинхронной работы двигателей необходимо проводить в процессе опробования двигателей на земле. Если при опробовании на основных режимах обнаруживается разность в частоте вращения турбокомпрессоров более 2%, проводится выключение двигателей и устранение неисправности. При появлении «вилки» более 2% в полете необходимо изменением общего шага подобрать такой режим работы двигателей, при котором разнорежимность будет в пределах допуска [27].
Раскачка частоты вращения турбокомпрессоров. Эта неисправность может быть вызвана следующими причинами: неустойчивой работой системы автоматического поддержания частоты вращения несущего винта и регуляторов частоты вращения турбокомпрессоров вследствие образования во внутренних топливных полостях регуляторов воздушных пробок или паров топлива. Обычно эта неисправность имеет место после замены топлива в системе или осмотра топливных фильтров; неустойчивой работой системы управления поворотом лопаток входного направляющего аппарата (например, при попадании в полость термопатрона посторонних предметов); падением давления топлива в магистрали перед насосами высокого давления. Это явление возможно при засорении топливных фильтров механическими примесями или при попадании к ним воды, а также при отказе подкачивающих насосов топливной системы вертолета; неустойчивой работой системы ограничения температуры газа перед турбиной при работе на режиме ограничения температуры. Периодическое изменение частоты вращения турбокомпрессоров не допускается вследствие переменной механической и тепловой нагрузки на детали проточной части двигателя и возможности их разрушения. При возникновении «раскачки» частоты вращения в полете необходимо изменением общего шага подобрать такой режим работы двигателей, на котором «раскачка» отсутствует или уменьшается до минимума. Если изменение режима не устраняет «раскачку», необходимо выключить автоматическую систему поддержания частоты вращения несущего винта и ручным управлением с использованием рычагов раздельного управления подобрать устойчивый режим работы двигателей [29]. 3, Большое время приемистости двигателей (больше указанного руководством по летной эксплуатации вертолета). Как правило, неисправность обнаруживается в процессе опробования двигателей рычагами раздельного управления или совместно ручкой «шаг — газ» на земле. Приемистость двигателей считается достаточной, если при установленном темпе перемещений ручки «шаг - газ» на увеличение режима падение частоты вращения несущего винта не превышает допустимого значения. Например, для вертолета Ми-8 с нормальной взлетной массой перемещение ручки «шаг - газ» в положение, соответствующее взлетному режиму, за 10 с не должно вызывать падения частоты вращения несущего винта ниже 89%. Увеличение времени приемистости в случае, если не проводилась замена дроссельных пакетов системы регулирования (двигатели ТВ2-И7А) или регулировка автомата приемистости (двигатели ТВЗ-117), происходит вследствие износа проточной части двигателя, а.также смолоотложения на элементах топливной автоматики и дроссельных пакетах. Выполнение полетов с двигателями, имеющими увеличенное время приемистости, опасно возможностью перетяжеления винта особенно в случаях вертикального взлета и посадки, а также на переходных режимах полета. Для предупреждения перетяжеления винта и помпажа компрессора темп перемещения рычага «шаг - газ» на увеличение режима необходимо соизмерять с временем приемистости двигателей [29].
Анализ и обоснование целесообразности исследований основных факторов-причин ОС полета
Авиационное происшествие (АП) - событие, состоящее в том, что в полете произошло полное разрушение или частичное повреждение летательного аппарата с гибелью или без гибели находящихся в нем людей.
В зависимости от тяжести наступивших последствий АП подразделяют на катастрофы, приводящие к гибели людей из состава экипажа или пассажиров, и АП без человеческих жертв (аварии, поломки), приводящие к разрушению или повреждениям ЛА различной степени.
Инцидент - событие, состоящее в возникновении в полете особой ситуации (особого случая), но не закончившееся АП [61, 62]. Последовательное усложнение ситуации вследствие воздействия нескольких факторов характеризуется следующей градацией ОС: усложнение условий полета - незначительное ухудшение характеристик устойчивости и управляемости или летных данных, незначительное увеличение психофизической нагрузки на экипаж, не приводящие к необходимости изменения плана полета и не препятствующие его благополучному завершению; сложная ситуация - заметное ухудшение указанных характеристик и повышение психофизической нагрузки на экипаж или выход каких-либо параметров полета за установленные эксплуатационные ограничения, но без достижения предельных ограничений, требующие немедленного изменения плана, профиля, режима полета своевременными и правильными действиями членов экипажа; аварийная ситуация - значительное ухудшение тех же характеристик и повышение психофизиологической нагрузки на экипаж или достижение (превышение) предельных значений параметров полета, требующие высокого профессионального мастерства членов экипажа для предотвращения АП; катастрофическая ситуация — предотвращение гибели людей и (или) потери ЛА практически невозможны [28, 29, 61,62]. Неблагоприятные факторы, вызывающие ОС, находятся в определенных взаимосвязях друг с другом, при этом большинство АП обусловлено проявлением не одного, а нескольких факторов, угрожающих безопасности полетов. Развитие АП как сложного события происходит, как правило, следующим образом:: возникает сложная ситуация из-за воздействия одного (первичного) неблагоприятного фактора; указанная ситуация из-за воздействия других (сопутствующих) неблагоприятных факторов переходит в аварийную; аварийная ситуация при неблагоприятном стечении обстоятельств переходит в катастрофическую. В зависимости от характеристик ЛА, возможностей пилотов и внешних обстоятельств (неблагоприятных факторов) последовательная смена стадий опасности ОС может происходить в полете и достаточно медленно и практически мгновенно. Поэтому, при расследовании АП и инцидентов необходимо выявить не только всю совокупность неблагоприятных определяющих факторов, но и последовательность их возникновения, развития, взаимодействия во времени [70,80]. Изучение авиационных инцидентов по вертолетам в летном ВУЗе показывает, что не все проверки, осмотры и тренажи достаточно полно оценивают взаимосвязь неблагоприятных факторов-причин с особыми случаями в полете. Таким образом, исключается возможность проверки жизненно важных систем, предназначенных для уменьшения опасности возможных отказов этих систем и проверки натренированности летного состава по действиям в ОС полета. Такая необходимость оценки соответствия проверок, осмотров и трена-жей при подготовке летчиков очевидна. В этом разделе на примере опыта эксплуатации вертолетов Ми-24 рассматривается вопрос о выборе и исследовании наиболее опасных и распространенных особых случаев в полете, взаимосвязанных с работой силовой установки вертолета, что позволит полнее оценить механизм их возникновения и развития. Анализируя полный перечень ОС полета, изложенных в Инструкции экипажу вертолета Ми-24, автором предложен перечень, где отдельные ОС полета условно объединены в семь групп. Условное деление ОС на группы проводилось по двум признакам: - принадлежность к функциональной системе СУ вертолета; - опасность последствий особого случая. Первая группа - особые случаи полета, возникающие из-за отказа одного двигателя или помпажа двигателя в процессе взлета горизонтального полета, на висении или при посадке. Возможные причины полного отказа одного двигателя в полете: - обгорание лопаток турбины вследствие отключения или отказа системы ограничения максимальной температуры газов перед турбиной; - заклинивание ротора турбокомпрессора в результате повреждения (разрушения) лопаток компрессора или турбин, а также разрушения подшипников опор ротора; - выключение двигателя системой автоматического регулирования и управления из-за разрушений деталей главного привода двигателя или привода регулятора частоты вращения свободной турбины; - самовыключение в результате обледенения входного устройства; - попадание в проточный тракт постороннего предмета; - ошибочное выключение членами экипажа исправного двигателя. Помпаж двигателя может возникнуть из-за неисправности САР двигателя или попадания в проточный тракт постороннего предмета. В условиях отказа одного двигателя безопасность полета зависит от времени обнаружения отказа и правильности действий летчика. Полет с одним выключенным двигателем разрешается выполнять при работе второго двигателя на взлетном режиме в течение 60 мин., после чего этот двигатель подлежит досрочному съему с эксплуатации. Возможность продолжения полета с одним выключенным двигателем определяется сочетанием значений энерговооруженности (отношением взлетной мощности двигателя к нормальной полетной массе вертолета), а также параметров режима его полета и атмосферных условий в момент выключения двигателя. При обучении и подготовке летного состава осуществляется систематический наземный тренаж и учебные полеты по отработке техники пилотирования в данном ОС. Вторая группа - особые случаи полета, возникающие из-за отказов САР двигателя, ограничителя максимальной температуры газов или отказа электронного регулятора двигателя. При отказе САР двигателя он становится по существу неуправляемым. Перед летчиком возникает сложная задача определить, у какого двигателя отказала система автоматического регулирования. Причинами отказов САР двигателя могут быть засорение фильтров или жиклеров насоса-регулятора, отказы элементов насоса-регулятора или системы управления двигателем.
Методика определения влияния надежности двигателей на безопасность полетов вертолетов
Проведенный в гл. 1 анализ статистических данных по инцидентам, связанным с отказами авиационной техники, показал, что около 30% отказов приходится на силовую установку вертолета.
Как было показано в разд. 1.3.1, эксплуатационная надежность двигателя оценивается следующими среднестатистическими показателями надежности: средняя наработка на отказ в полете — Т0п\ средняя наработка на отказ, приводящий к досрочному съему двигателя с эксплуатации, - ТдсдІ средняя наработка на отказ двигателя, устраненный в эксплуатации, — Т0.уэ- Эти показатели определяются из выражений (10), (11) и (12). Из всех перечисленных показателей надежности средняя наработка на отказ в полете Топ наиболее полно характеризует надежность двигателя, так как определяет безопасность полета вертолета. С помощью остальных показателей надежности определяются затраты на капитальный и текущий ремонты двигателя. В связи с этим для оценки влияния надежности двигателя на БП необходимо рассчитать Т0л..
Рассмотрим отказы двигателей в полете. Эти отказы могут быть разделены на две группы в зависимости от их последствий. К первой группе следует отнести отказы, не локализованные в силовой установке, а приводящие к вторичным разрушениям других систем и элементов конструкции вертолета. Это, например, - разрушения дисков турбин и компрессоров, рабочих лопаток, если это приводит к пробиванию корпусов двигателей, пожары силовой установки, которые не могут быть подавлены в границах последней и распространяются за ее пределы. Отказы этой группы должны рассматриваться как абсолютно нетерпимые, которые не должны допускаться вовсе. Основную массу отказов в полете составляет вторая группа - отказы, приводящие к самопроизвольному или вынужденному выключению двигателя, изменению режима его работы и невозможности его использования, во всяком случае, в данном полете, но не выводящие из строя другие системы и элементы вертолета [2].
Используя статистические данные по отказам в полете, по выражению (10) может быть определена средняя наработка на отказ двигателя в полете Топ.
Обычно приходится оперировать данными для усеченной выборки, так как часть двигателей снимается с эксплуатации по выработке установленного ресурса, а не в связи с отказами. Поэтому, определенное по выраженшо (10) значение Тая приближается к значению математического ожидания наработки на отказ, характеризующего генеральную совокупность, строго говоря, лишь при анализе большой группы закончивших эксплуатацию двигателей, если все они были сняты с эксплуатации из-за отказов. В большинстве же случаев Топ. есть некая усредненная характеристика надежности перемешанного парка двигателей с разной степенью выработки ресурса. Однако практика показывает, что для многих задач с помощью среднестатистической величины Топ полностью определяется поток отказов двигателя в полете как элемента системы, например, вертолетного парка. Для подтверждения этого необходимо построить характеристику интенсивности отказов двигателей в полете (как невосстанав-ливаемых изделий, так как отказы двигателей в полете не устраняются) за выбранный календарный период и убедиться, что интенсивность отказов сохраняется постоянной в этом периоде времени.
Проиллюстрируем это на примере совокупности турбовальных двигателей ТВЗ-117, эксплуатирующихся в летном ВУЗе. По методике, приведенной в [45], был определен закон распределения наработки двигателей до отказа. По результатам эксплуатации парка вертолетных двигателей ТВЗ-117 были получены следующие статистические данные: общая продолжительность эксплуатации /э= 1400 ч; общее количество двигателей N = 3 03; количество отказавших во время эксплуатации двигателей и = 9; наработка до отказа двигателей Ти = 526 ч; Тї2 = 673 ч; 77з = 810 ч; Тн= 835 ч; Т15= 941 ч; Т16= 944 ч; Т17= 1135 ч; Т1а= 1286 ч; Г/9=1390 ч. Требуется определить закон распределения отказов. Общее время эксплуатации разбиваем на z 4 интервала Ли с расчетом, чтобы в каждый интервал попало не менее двух отказов. На основании выполненной разбивки составляем табл. 19 с числом колонок z, в которую заносятся исходные данные и результаты расчетного определения статистических данных: f (t), A (f) p (t).. Определяются теоретические характеристики ft (/), ЯД?), pt(t), qt{t) для всех интервалов z и проводится сравнение статистического и теоретического распределений с помощью критерия согласия . Результаты расчета характеристик теоретического экспоненциального распределения и его оценки по критерию представлены в табл. 20. случае, если Qn(m) есть вероятность выключения в полете т двигателей из и, то Q - Q0Jt„„) - вероятность отказа в полете любого из двигателей в рассматриваемом парке, определяемая из выражения (54). На современных вертолетах энерговооруженность (отношение мощности СУ к весу вертолета) выбрана такой, что отказ одного двигателя при правильных действиях экипажа не приводит к прекращению полета, но приводит к возникновению особой ситуации (особого случая в полете) и вынуждает экипаж прекратить полетное задание и вернуться на свой аэродром. Отказ же двух двигателей создает опасную аварийную ситуацию. По результатам эксплуатации вертолетного парка летного ВУЗа была рассчитана средняя наработка на отказ в полете для двигателей семейства ТВЗ-117. Так, за период 1991...2003 гг. средняя наработка на отказ двигателей в полете Тол— 6180 ч. Тогда для полета продолжительностью tm„ = 1 ч вероятность аварийной ситуации определим по выражению (58) и получим, что QacftnoJ = 0,16-10"6. Таким образом, при уровне надежности, характеризуемом Топ = 6180 ч, вероятность аварийной ситуации из-за отказов двигателей в полете ничтожно мала. Однако для парка вертолетов за все время их эксплуатации будет совершено огромное число полетов. Так, если взять 100 вертолетов при назначенном ресурсе 4000 ч, то они совершат при tnoa = 1ч всего Nnax = 4 10 полетов. Определим, в скольких полетах из г поя может встретиться рассматриваемая выше аварийная ситуация. Это может быть сделано с использованием закона распределения Пуассона, описывающего вероятность появления небольшого числа т одинаковых исходов из большого числа N опытов [2]. Математическое ожидание для распределения Пуассона
