Анализ и синтез характеристик качества элементов ГТД на основе их системного превентивного контроля

Актуальность работы. На всех этапах создания авиационных ГТД возникают сложные проблемные ситуации, к решению которых привлекаются большие коллективы людей, значительные материальные ресурсы, тратится много времени. В частности, это потеря запасов газодинамической устойчивости серийных компрессоров, снижение усталостной прочности рабочих лопаток серийной турбины, внезапные отказы трансмиссионных подшипников в эксплуатации, разрушение лопаток компрессоров или турбин при форсировании двигателей и др. Причинами этих сложных «дефектов» оказываются малые отклонения размеров деталей, компонентного состава вещества, параметров монтажа конструкции, не выходящие за рамки действующей системы допускового контроля. Координатно-измерительные машины (ОПТЭЛ), регистрирующие отклонения геометрии профилей, квантометры (ДФС-51), регистрирующие отклонения химического состава сплавов, средства регистрации вибросигналов (ИВУ-1М), а также средства представления деталей в объемном изображении (UNIGRAPHICS) являются первичными регистраторами информации, которая не может быть использована непосредственно для улучшения характеристик качества изделий.

Действующая система допусков является необходимой, но недостаточной, так как не учитывает предельно-допустимые соотношения между параметрами. Такие соотношения не могут быть найдены на теоретико-физическом уровне. Единственный путь поиска этих соотношений — рациональное использование фактических эмпирических данных.

В связи с этим важной и актуальной является задача системного превентивного (предупредительного) аналитического контроля отклонений элементов двигателя, обнаруживающего и исправляющего неблагоприятные тенденции на ранних стадиях создания изделий, когда еще не нанесен существенный материальный ущерб. Здесь наиболее актуальной областью исследования являются: 5.

— совершенствование техпроцессов формообразования лопаток (литейное производство, электрохимическая обработка и др.);

— способы мониторинга деградации характеристик вещества (усталостная прочность и др.);

— разработка эффективных методов диагностики технического состояния узлов;

— способы борьбы с опасными вибрациями в двигателях;

— способы улучшения технических характеристик узлов, находящихся в серийном производстве и эксплуатации.

Превентивный аналитический контроль должен касаться одновременно газодинамического совершенства, надежности, ресурса двигателя, так как недопустима потеря хотя бы одной из этих характеристик качества. Это означает, что такой контроль должен быть системным и носить междисциплинарный характер, в его сфере должны присутствовать системы «форма — свойства», «состав — свойства», «режим — свойства». Для реализации сформулированных условий необходимо специальное программное обеспечение, способное решать реальные задачи прогнозирования, оптимизации и диагностики характеристик качества в условиях информационной избыточности и недостаточности при существенном влиянии взаимодействий многочисленных параметров, в обстановке реальных помех. Таким образом, рассматривается следующая постановка задачи организации системы аналитического контроля качества производства элементов ГТД.

Разработать общий комплексный подход к количественной оценке качества и его совершенствованию, обеспечивающий: мониторинг многомерных данныхопределение скрытых закономерностей;

— построение количественных оценок качества (квалиметрические шкалы);

— построение области достижимых и компромиссных решений- 6 решение задач синтеза (улучшение качества) на основе найденных закономерностей и др.

Целью работы является разработка моделей и методов анализа и синтеза характеристик качества элементов ГТД на основе их системного превентивного контроля, обеспечивающих газодинамическое совершенствование турбомашин, повышение их ресурса, надежности, что позволяет:

— на основе существующих средств измерения формы, вещества, газодинамических характеристик получать объективную информацию о качестве изделий и их элементов и тенденциях изменения качества (повышение информативности результатов наблюдений);

— на основе методов структурного анализа эмпирических данных находить скрытые закономерности и строить квалиметрические шкалы качества, определять направления совершенствования изделия и его элементов;

— строить области достижимых и компромиссных решений, находить возможные оптимальные корректирующие воздействия.

Научная новизна. Получены теоретические положения для разработки комплексной методики анализа и совершенствования важнейших составляющих качества турбомашин (газодинамическая эффективность, прочность, ресурс), основанной на объективных принципах и законах, современных моделях и методах. Разработана методология количественного прогноза тенденций и оптимизации процесса принятия управленческих решений в сложных неопределенных ситуациях.

Достоверность полученных результатов определяется корректным и системным применением методов многомерного статистического описания, оптимизации и распознавания образов и подтверждается высокой точностью прогноза характеристик исследуемых объектов.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основе предложенных подходов и методов разработаны: 7.

— методики оценки качества геометрии сложнопрофильных элементов проточной части, качества жаропрочных сплавов, квалиметрическая шкала компрессорных ступеней;

— три раздела отраслевого Руководства по обеспечению газодинамической устойчивости изделий в серийном производстве: «Контроль стабильности запасов устойчивости компрессоров в серийном производстве», «Мониторинг тенденций и временного дрейфа в процессе превентивного контроля сложно-профильных элементов ГТД», «Имитационное моделирование характеристик осевого многоступенчатого компрессора по данным координатных измерений сложнопрофильных элементов проточной части» .

Реализация в промышленности. Результаты исследований отражены в трех разделах отраслевого «Руководства по контролю запасов устойчивости серийных компрессоров», использованы в лаборатории компрессоростроения Санкт-Петербургского ГТУ при исследовании осевых и других компрессоров. На предприятии рекомендуемые методы применяются:

— при определении технического состояния трансмиссионных подшипников двигателя ДЗОКУ/КП;

— при устранении особо сложного дефекта PJII ступени турбины серийного двигателя ДЗОКУ путем оптимальной подшихтовки сплава ЖС6У-ВИ;

— при оптимизации технологического процесса производства лопаток компрессора SNECMA;

— при автоматизированном контроле качества лопаток на основе разработанной автором системы СОКОЛ-ОПТЭЛ.

Апробация работы. Работа доложена на Всероссийском форуме «Интеллектуальные ресурсы регионов России на рубеже тысячелетий» (Ярославль, 2000 г.), на Всероссийской конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск, 2002 г.). Работа автора «Количественный прогноз тенденций и оптимизация процесса принятия управленческих решений» удостоена диплома Министерства промышленности, науки и технологий 8.

РФ на международном конгрессе — выставке «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (Санкт-Петербург, 2000 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи, двое тезисов доклада.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка использованной литературы, приложения и заключительных замечаний. Полный объем диссертации составляет 154 страницы. Автор защищает:

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработанная комплексная методика анализа и синтеза характеристик качества элементов ГТД на основе превентивного контроля геометрии, химического состава, уровня вибраций, объемных изображений конструкции, результатов измерений характеристик качества элементов ГТД позволяет существенно повысить газодинамическую эффективность, надежность и ресурс опытных и серийных турбомашин.

2. Разработанный комплекс программных средств многофакторного описания, оптимизации и диагностики сложных систем позволяет исследовать мало изученные объекты и физические процессы (формообразование лопаток, ресурсные характеристики, опасные вибрации и др.).

3. Разработанные методы превентивного контроля, анализа и синтеза геометрических параметров турбомашин позволили улучшить характеристики осевого компрессора, устранить неслучайное несоответствие геометрии готовых лопаток чертежу в процессе ЭХО.

4. Разработанные методы активного мониторинга временного дрейфа многокомпонентных систем «состав-свойства» позволили путем оптимальной подшихтовки жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ повысить усталостную прочность рабочих лопаток I ступени турбины серийного двигателя.

5. В проблеме борьбы с опасными вибрациями двигателя эффективным является разработанный метод определения неслучайных искажений вибросигнала, позволяющий определить как техническое состояние трансмиссионных подшипников серийного двигателя, так и обнаружить дефекты типа задевания ротора за статор. Установлено влияние параметров монтажа подшипника на его ресурсопригодность.

6. Разработанный метод синтеза геометрии сложнопрофильных элементов позволяет находить оптимальную геометрию проточной части не традиционной формы.