Авиационный двигатель и его производство

Авиационный двигатель и его производство

Мировой опыт развития авиационного производства свидетельствует, что изготовление авиационных двигателей является наукоемким производством (НП).

Авиадвигателестроение является одной из наиболее наукоемких отраслей с высокой удельной стоимостью продукции. Известно, что стоимость одного килограмма газотурбинного двигателя в сотни раз превосходит стоимость одного килограмма автомобильного двигателя.

Авиационный двигатель можно рассматривать как сложную техническую систему_; непрерывно развивающуюся на протяжении всего жизненного цикла, который включает соответствующие основные этапы (рис. 1.1).

Конструктивно-технологическое совершенствование двигателей осуществляемое, на всех этапах жизненного цикла с целью повышения качества АД, приводит к необходимости непрерывного совершенствования технологических процессов производства.

Увеличение ресурса АД является следствием комплексного подхода к решению проблем повышения ресурса на всех этапах жизненного цикла. В основе комплексного подхода лежит принцип разработки конструктивно-технологических решений на основании стендовых и специальных испытаний по эквивалентно-цикловым программам двигателей, исчерпавших свой ресурс, а также принцип определения живучести отдельных деталей и узлов с эксплуатационными повреждениями. При этом осуществляется системный конструктивно-технологический анализ технического состояния деталей и узлов после отработки заданного ресурса двигателей, снимаемых досрочно, а также деталей и узлов двигателей, находящихся в эксплуатации. Увеличение, ресурса обеспечивается также внедрением метода эксплуатации по техническому состоянию, что приводит к необходимости разработки методов и средств диагностирования основных элементов проточной части двигателя, узлов и деталей, а также состояния его систем.

Например, реализация в производстве мероприятий, направленных на совершенствование конструкции двухконтурного двухвального двигателя НК-86, потребовала разработки 4049 новых технологических процессов, создания 90 единиц оборудования и 410 наименований технологической оснастки [6.8].

Характеристика наукоемкого объекта производства.

Авиационный двигатель как наукоемкий объект производства (НОП) характеризуется следующим признаками [6.2]:

Рис. 1.1. Этапы жизненного цикла АД

1. НОП имеет в своем составе целый ряд взаимосвязанных систем и узлов, обеспечивающих выполнение сложных функциональных задач разной физической природы и принципа действия (рис. 1.2).

В свою очередь системы и узлы состоят из большого количества конструктивно сложных деталей, изготавливаемых из различных материалов. В табл. 1.1 приведены данные о количестве деталей, входящих в конструкции различных двигателей семейства НК.

Табл. 1.1.

Эти данные свидетельствуют о больших технических, технологических и организационных сложностях, возникающих при изготовлении наукоемкого объекта производства.

2. НОП является технической системой, непрерывно развивающейся по этапам жизненного цикла, включающего проектирование, изготовление опытного образца, серийное производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию.

Конструктивное совершенствование двигателей осуществляется непрерывно в течение всего жизненного цикла. В основу этого совершенствования положены следующие принципы:

• улучшение основных параметров двигателя (тяги, удельного расхода
  топлива и т.д.);

• повышение ресурса и надежности;

• улучшение эксплуатационных характеристик;

• обеспечение технологичности;

• повышение коэффициента использования металла и т.д.

Совершенствование конструкции, как правило, проводится по основным узлам и системам двигателя в соответствии со специально разработанными программами.

При этом осуществляется принцип комплексного подхода к конструктивному совершенствованию этих узлов и систем двигателя.

Основными целями совершенствования двигателей по применяемым материалам являются следующие: улучшение параметров рабочих процессов, повышение надежности и ресурса двигателя, улучшение его весовых характеристик. Замена применяемых материалов осуществляется непрерывно и комплексно для всех основных деталей и узлов, определяющих ресурс и надежность ГТД.

Рис. 1.2 Функциональные системы и узлы авиационного двигателя

3. НОП характеризуется высокими значениями параметров рабочего процесса с ужесточенными полями допусков. Применительно к авиационному двигателю - это высокие давления, температуры, скорости рабочего тела в проточной части двигателя, высокая частота вращения роторов и большие уровни вибраций.

При работе авиационного двигателя на различных его режимах детали и узлы подвергаются статическим, повторно-статическим, ударным, циклическим, термическим и термоциклическим нагружениям (рис. 1.3).

Данные воздействия приводят к различным видам повреждений деталей и узлов, которые классифицируются следующим образом: вязкое и хрупкое разрушение, потеря устойчивости, усталостное разрушение, термические трещины и коробления, контактное выкрашивание и износ, коррозия и эрозия (рис. 1.4).

В этих условиях технологические процессы на всех стадиях производства должны обеспечивать такое качество деталей, узлов и систем двигателя, которое исключало бы возникновение при эксплуатации двигателя указанных повреждений.

Все это обусловливает высокие требования к производству НОП, к построению технологических процессов изготовления деталей и узлов двигателя, в которых значительное место должны занимать различного вида технологические испытания.

4. На каждом этапе жизненного цикла НОП решение технических проблем по совершенствованию двигателя опирается на современные достижения науки и техники.

В основу создания нового двигателя с перспективными тягово-экономическими характеристиками закладываются принципы экономии энергии, материальных и трудовых ресурсов. Эти принципы являются определяющими на этапах проектирования и доводки двигателя при выборе его термогазодинамической схемы, параметров рабочего процесса, КПД основных узлов, а также конструктивной схемы. Они распространяются и на методологию доводки.

На этапе серийного изготовления в соответствии с этими принципами стараются обеспечить повышение таких производственно-технологических показателей, как коэффициент использования материала, технологичность конструкции и другие при одновременном снижении трудоемкости изготовления деталей и узлов, сборки и испытаний. Эти принципы должны обеспечивать также простоту и надежность эксплуатации двигателя.

5. В процессе создания НОП используются современные экспериментально-доводочные комплексы. Так, при конструкторско-прочностной отработке деталей и узлов авиационного двигателя эти комплексы обеспечивают проведение испытаний, наиболее полно имитирующих действующие нагрузки.

Рис. 1.3. Схема видов нагружений деталей и узлов двигателя

Рис. 1.4. Схема видов повреждений деталей и узлов двигателя

Газодинамическая и параметрическая доводка компрессоров и турбин проводится с использованием целого ряда установок автономной доводки, а также их испытания в составе полноразмерных двигателей. Так, доводка каскада вентилятора и гондолы проводится на установках, обеспечивающих автономные испытания вентиляторов, а также их испытания в составе полноразмерного двигателя.

При этом экспериментально-доводочные комплексы оснащаются современным контрольно-измерительным оборудованием и автоматизированными системами испытаний.

Многие вопросы прочностной и параметрической доводки НОП решаются в сотрудничестве с научно-исследовательскими институтами, что свидетельствует о наукоемкости процесса создания НОП и значительной организационной сложности.

6. Одной из характеристик НОП является материалоемкость. Коэффициент использования материала (КИМ) является одним из основных показателей, характеризующих конструктивное совершенство, технологичность двигателя и уровень его производства. Высокий коэффициент использования материала в основном определяется технологичностью конструкции, которая отрабатывается на этапах эскизного, технического и рабочего проектирования, а также серийного производства.

Например, в конструкции двигателя НК-86 используются различные материалы 85 наименований. Это предъявляет высокие требования к производству и применяемым технологическим процессам, оборудованию, инструменту.

7. Параметры рабочего процесса НОП, конструкция деталей и узлов, а также используемые для их изготовления материалы непрерывно совершенствуются. Например, в процессе жизненного цикла в конструкцию двигателя НК-8-4 было внесено более 130 изменений и заменено около 20 наименований материалов.

8. Одним из показателей, характеризующих НОП, является экологическое совершенство. Применительно к авиационному двигателю - это выполнение требований международных норм по уровню шума и эмиссии вредных и загрязняющих веществ в атмосферу.

Примером экологического совершенствования двигателя является использование криогенного топлива (сжиженного природного газа или жидкого водорода).

7. Непременным условием для НОП является его сертификация на соответствие принятым международным нормам по надежности, ресурсу, экологичности и экономичности.

Контрольные вопросы к лекции 1.

1. Основные этапы жизненного цикла АД?

2. Чем характеризуется АД как наукоемкий объект производства?

3. Основные функциональные системы и узлы АД?

4. Виды нагружений деталей и узлов АД возникающие при его эксплуатации?

5. Виды повреждений деталей и узлов АД возникающие при его эксплуатации?