8.1. Рекомендуемая литература

основная литература

1. Надежность систем энергетики и их оборудование в 4 т. Т. 1 / Под ред. Ю.Н. Руденко. М.: Высш. шк., 2004.

2. Парогазовые и газотурбинные установки электростанций: Учеб. пособие.-Казань: КГЭУ,2004.-259с.

3. Таймаров, М. А. Обеспечение надежности и экономичности работы котлотурбинного оборудования. Учеб. пос. - Казань.: КГЭУ,2003. - 70с

4. Надежность, диагностика, контроль авиационных двигателей. Под ред. Шепеля В.Т., РГАТА, Рыбинск, 2001. - 350 с.

5. Цанев С. В. и др. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учеб. пос. для вузов. Под ред. С. В. Цанева. М.: МЭИ, 2002. 584с.

6. Сиротин Н.Н. Конструкция и эксплуатация, повреждаемость и работоспособность газотурбинных двигателей. М:, РИА "Им-Информ", 2002. - 439 с. (10 экз)

7. Надежность теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС. Учебное пособие, под ред. А.И. Андрющенко. М: Высш. шк., 2001.

8. Акимов В.М. Основы надежности газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1981. -207 с. (21 экз.)

дополнительная литература

9. Шалаев Г.М.. Испытания воздушно-реактивных двигателей. Учебное пособие. Казань, КГТУ, 1999, 55 с.

10. Черкез А.Я., Онищик И.И. и др. Испытания воздушно-реактивных двигателей. М.:Машиностроение, 1992, 304 с.

11. Косточкин В.В. Надежность авиационных двигателей и силовых установок. М.: Машиностроение, 1988. - 270 с. (44 экз.)

12. Спектор С.А.. Электрические измерения физических величин. Л.:Энергоатомиздат, 1987, 320 с.

13. ГОСТ 16504-81. Испытания и контроль качества продукции. М.:Госстандарт, 1985, 28 с.

14. Гортышов Ю.Ф. и др. Теория и техника теплофизического эксперимента. М.:Энергоатомиздат, 1985, 360 с.

15. Преображенский В.П.. Теплотехнические измерения и приборы. М.:Энергия, 1978, 704 с.

16. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И.. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1976, 216 с.

17. Солохин Э.Л.. Испытания авиационных воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1975, 356 с.

Вероятностно-статистические и инженерные методы в задачах надежности гту

Необходимость установления и исследования закономерностей, характеризующих надежность технических устройств, желание получать количественное описание характеристик их надежности привели к созданию теории надежности, позволившей сформировать общетеоретические подходы к решению многих задач надежности различных устройств самого разного назначения.

Математические методы, используемые в теории надежности, базируются, в основном, на теории вероятностей и математической статистике, а современную теорию надежности называют иногда статистической теорией надежности. Вероятностно-статистическая база теории надежности объясняется тем, что каждый конкретный “отказ“ есть, по существу, событие случайное, появление которого не может быть точно предсказано заранее. Изучением же закономерностей, свойственных случайным событиям, занимается теория вероятностей. Характеристики случайных событий на практике определяются на основе массовых наблюдений, а объективно обоснованная оценка получаемых при этом статистических материалов основывается на методах математической статистики. Аппарат теории надежности непрерывно развивается.

Можно говорить о нескольких крупных направлениях, в которых развивается современная теория надежности.

В их числе:

• анализ и описание статистических закономерностей, свойственных надежности технических устройств;

• синтез надежных сложных систем на основе элементов с недостаточной надежностью;

• разработка методов статистического контроля и испытаний по оценке надежности и др.

В последнее время часто говорят о технической диагностике как разделе теории надежности.

Актуальность и практическое значение тех или иных разделов теории надежности для технических устройств разного типа не одинаковы. Они зависят от специфических свойств этих устройств, важных с точки зрения теории надежности.

Отметим некоторые из таких свойств, которые характеризуют ГТУ как определенный класс машин.

Это, во-первых, невозможность резервирования большинства основных элементов конструкции ГТУ. В этом смысле ГТУ структурно весьма просты — параллельные соединения, как правило, отсутствуют и все элементы ГТУ соединены в последовательную цепь. В надежности под этим понимается структура, при которой выход из строя любого элемента выводит из строя всю систему. Поэтому те разделы теории надежности, которые посвящены вопросам резервирования и схемной надежности, т. е. вопросам синтеза сложных систем, имеющие решающее значение для радиоэлектронных систем со сложными структурами, для ГТУ могут найти весьма ограниченное применение, главным образом,— в системах их регулирования.

Во-вторых, характерным свойством современных газотурбинных двигателей является огромное время функционирования, доходящее до многих тысяч и даже сотен тысяч часов, а также очень большие величины наработки на некоторые виды отказов. Эти обстоятельства, особенно для тех типов ГТУ, объем серийного выпуска которых невелик, ограничивают применение для ГТУ классических методов испытаний на надежность, наиболее эффективных для массовой продукции с умеренными временами функционирования.

Наконец, газотурбинные двигатели вместе с аппаратурой их автоматического регулирования представляют собой сложную систему, в которой происходит множество разнообразных процессов (химических, теплофизических, газодинамических, механических и др.), что приводит к большому многообразию причин отказов. Это подчас делает затруднительным выявление «чистых» статистических закономерностей, характерных для надежности устройств, которым свойственно ограниченное число типичных физических причин отказов.

В настоящее время наибольшее практическое применение для газотурбинных двигателей (особенно в авиации) нашли методы теории надежности, позволяющие получать статистические закономерности по результатам широкой эксплуатации серийных образцов.

Начинают находить применение методы теории надежности при проектировании ГТУ с электронными системами регулирования, для которых актуальны вопросы схемной надежности. Развиваются и вопросы технической диагностики применительно к ГТУ.

Вероятностно-статистические исследования надежности ГТУ позволили иметь объективную количественную оценку этого свойства для каждого типа ГТУ. Позволили установить связи между уровнем надежности и различными факторами, на него влияющими. Дали инженерам дополнительные возможности для оценки меры выработки ГТУ ресурса и т. д.

Задачи, связанные с выбором стратегии обслуживания, с прогнозированием ожидаемого уровня надежности, с технико-экономическим анализом эксплуатации ГТУ, с планированием ремонтов и выпуска запасных частей и многие другие не могут решаться без привлечения характеристик надежности ГТУ, без использования методов теории надежности. Но при этом надо помнить, что используя только вероятностно-статистические методы, нельзя обеспечить необходимого повышения надежности ГТУ.

Если для структурно сложных систем теория надежности позволяет выбрать такое сочетание элементов, которое обеспечивает максимальную надежность системы в целом, то для газотурбинных двигателей, как уже указывалось, соответствующие разделы теории надежности могут найти лишь очень ограниченное применение. Статистическое же описание и анализ характеристик надежности ГТУ и их элементов, являясь средствами, обеспечивающими правильное понимание закономерностей изменения надежности, будут эффективны лишь тогда, когда сопровождаются широкими инженерными исследованиями, а также и организационными мероприятиями, дополняют их, позволяют объективнее оценить их результаты.

Глубокое исследование физических причин и картины возникновения и развития отказов, разработка на этой основе методов расчета, проектирования и испытаний, обеспечивающих максимальную работоспособность конструкции, внедрение в процессы производства, эксплуатации, обслуживания и ремонта двигателей инженерных методов и средств обеспечения и подержания высокой надежности — вот главные условия решения проблемы высокой надежности ГТУ.

Одновременное использование в газотурбостроении статистической теории надежности повышает эффективность инженерных методов обеспечения надежности, позволяет правильнее ориентироваться в этой комплексной проблеме, целеустремленней направлять усилия различных специалистов. Поэтому успешное решение задач надежности ГТУ требует сочетания инженерных и вероятностно-статистических методов.

Надежность ГТУ

Надежность — свойство энергетического изделия (системы, сборочной единицы, агрегата, детали) сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования [1]. Надежность принадлежит к числу важнейших эксплуатационных свойств ГТУ, оказывающих прямое и существенное влияние на безопасность в эксплуатации и экономическую эффективность энергоблока.

В общем случае, надежность трактуется как способность противостоять отказам независимо от причин, их вызывающих. По своей природе надежность является вероятностной величиной и требует привлечения статистических методов исследований, что связано с необходимостью испытаний большого количества изделий.

Надежность изделия является сложным свойством и состоит из сочетания свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Важными понятиями, связанными с надежностью, являются понятия работоспособности, отказа и неисправности.

Изделие считается работоспособным, если оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

Отказ—событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния изделия.

Неисправность — состояние изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному из требований технической документации.

Необходимо различать неисправности, не приводящие к отказам (повреждение — это событие, заключающееся в нарушении исправного состояния при сохранении работоспособного состояния), и неисправности (и их сочетания), вызывающие отказы. Очевидно, что неисправное изделие может быть работоспособным, обратное невозможно: неработоспособное изделие всегда неисправно.

Дефект — каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям.

Безотказность — свойство изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта (ТО и Р).

Сходство между безотказностью и долговечностью состоит в том, что оба свойства характеризуют способность изделия сохранять работоспособность.

Различие заключается в том, что безотказность характеризует способность сохранять непрерывную работоспособность (не прерываемую отказами, но, возможно, прерываемую регламентами технического обслуживания), а долговечность характеризует свойство изделия сохранять длительную работоспособность в течение всего срока, прерываемую возможными отказами, которые устраняются во время ремонтов.

Ремонтопригодность — свойство изделия, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения ТО и Р.

Сохраняемость — свойство изделия сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Вероятность безотказной работы P(t) характеризует вероятность того, что в заданном интервале времени t не произойдет ни одного отказа.

Вероятность отказа Q(t) — вероятность того, что в заданном интервале времени произойдет хотя бы один отказ.

Поскольку работоспособность и отказ являются несовместимыми событиями,

то опытная оценка вероятности безотказной работы (t) определяется из соотношения

где N — общее количество изделий одинакового типа при испытании на надежность; n(t) — количество отказавших изделий на интервале времени t . Дифференцируя левую и правую части соотношения (1.2), получим

Поделив левую и правую части ( 1 .3) на (t) , получим

откуда оценка интенсивности отказов имеет вид

При увеличении количества изделий, участвующих в испытании на надежность N до уровня N → , оценка вероятности (t) и интенсивности отказов (t) стремятся к постоянным значениям P(t) и (t), и уравнение (1.4) принимает вид

Решение этого дифференциального уравнения, которое находится интегрированием левой и правой его частей с учетом того, что Р(0) = 1 , приводит

При постоянной интенсивности отказов  = const взаимосвязь вероятности безотказной работы P(t) с интенсивностью отказов  имеет вид

Используя соотношение (1.1) и (1.8), получим

Следовательно, плотность вероятности отказов подчиняется экспоненциальному закону распределения

Следует отметить, что для любого закона распределения справедливы соотношения

В качестве частного показателя надежности ГТД используется среднее время безотказной работы или наработка на отказ Т (математическое ожидание случайной величины t)

Для экспоненциального закона распределения отказов (1.10) среднее время безотказной работы приобретает вид

С надежностью тесно связано понятие ресурса. Основными понятиями, относящимися к ресурсу, являются следующие:

Наработка — продолжительность работы изделия или объем работы изделия (системы, агрегата), измеряемая в часах (циклах).

Наработка до отказа — наработка изделия от начала эксплуатации до возникновения первого отказа.

Ресурс — наработка изделия до предельного состояния, оговоренная технической документацией.

Ресурс до первого ремонта — наработка изделия до первого ремонта, устанавливаемая технической документацией.

Межремонтный ресурс — наработка изделия между двумя последовательными капитальными ремонтами, устанавливаемая технической документацией.

Назначенный ресурс — установленная для данного этапа серийного производства, эксплуатации и подтвержденная всеми видами исследований и испытаний суммарная наработка изделия, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от состояния изделия.

Ресурс по техническому состоянию — наработка в пределах назначенного ресурса, устанавливаемая изделию по результатам анализа его технического состояния по действующей технической документации.

В процессе наработки ГТУ, как и другие технические устройства, имеет три характерных периода эксплуатации с различными уровнями интенсивности отказов и закономерностями ее проявления (-характеристика).

Эти периоды следующие:

1 — приработка (начальный период эксплуатации);

2 — этап нормальной эксплуатации;

3 — период износа (или старения).

В начальный период эксплуатации новых двигателей или после их ремонта функция интенсивности отказов (t) имеет повышенное значение. Это обусловлено отказами элементов, имеющих низкую надежность и необнаруженные при сборке (скрытые) дефекты металлургического или технологического характера, отказами из-за несоответствия (в пределах допусков) сопряженных деталей условиям сборки, которое приводит к возникновению повышенных нагрузок в соединениях, и т. д..

По мере увеличения наработки двигателей на этом периоде происходит приработка их составных частей и, как говорят, «выжигание» дефектов, что сопровождается снижением интенсивности отказов. При хорошо поставленном контроле качества изделий, высокой точности и стабильности производства, достоверной проверке в процессе заводских испытаний и эффективной системе опережающей поузловой доводки ГТУ начальная интенсивность отказов на периоде приработки может быть существенно уменьшена, вплоть до полного исключения этого периода.

На этапе нормальной эксплуатации (второй этап), который имеет наибольшую длительность, интенсивность отказов примерно постоянна. Отказы ГТУ на этом этапе имеют случайный характер. Они обусловлены возникновением неучтенных при проектировании ситуаций, внезапным воздействием внешних факторов (например, попаданием в двигатель посторонних предметов), проявлением факторов эксплуатационного характера (перегревами, перегрузками, неправильно выполненными работами по техническому обслуживанию) и другими причинами. Отказы данной категории носят название внезапных отказов. Их нельзя предупредить профилактическими методами технического обслуживания, так как они отражают заложенные в двигатель свойства, которые объективно проявляются в заданных условиях его применения.

На третьем участке -характеристики (период износа или старения) интенсивность отказов возрастает из-за проявления большого числа отказов, связанных с постепенным накоплением необратимых физико-химических изменений в элементах двигателя, которые достигают вследствие этих изменений своих предельных состояний. Отказы данного типа носят название постепенных. Они могут быть вызваны не только механическим износом деталей, но и накоплением в них повреждений: усталостных, коррозионных, эрозионных, термоусталостных и т. д.

Постепенные отказы возникают в период износа совместно с внезапными. Основным путем предотвращения сильного ухудшения надежности ГТУ в третьем периоде эксплуатации является своевременная замена поврежденных элементов, а при невозможности такой замены — отправка двигателя в ремонт.

Наработка, соответствующая началу периода износа, играет очень важную роль в проблеме надежности ГТУ, поскольку эта наработка характеризует гамма-процентный (-процентный ресурс) _. Гамма-процентный ресурс с заданной вероятностью гарантирует недопущение предельного состояния. Этот показатель определяется как ресурс, в течение которого изделие с вероятностью  сохраняет работоспособное состояние.

Величину ресурса _ необходимо знать для каждого конкретного двигателя и не допускать ее превышения в эксплуатации, которое приведет к существенному снижению надежности, недопустимому по условиям безопасности эксплуатации, Поэтому к числу главных задач надежности ГТУ следует отнести задачу прогнозирования ресурса _. К сожалению, до настоящего времени данная задача не имеет достаточно точного решения.

Для анализа характера изменения надежности двигателей в процессе их освоения в эксплуатации используют среднестатистические показатели надежности.

При определении усредненных показателей надежности исходными данными являются наработка рассматриваемой совокупности двигателей и число их отказов за какой-то ограниченный календарный период. Основным среднестатистическим показателем надежности является средняя наработка на отказ:

где

• N — общее число двигателей в рассматриваемой совокупности;

• t_i — наработка i -го двигателя за анализируемый календарный период;

• Nот — число отказавших за этот период двигателей.

Например, наработка на один отказ приводящий к досрочному снятию двигателя с эксплуатации

приводящий к выключению

наработка на отказ и неисправность

где N_ОУЭi—число устраняемых в эксплуатации отказов у i -го двигателя.

Аналогичные соотношения можно записать для нелокализованных и устраняемых в эксплуатации отказов.

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 определенные по выражению (1.15) значения приближаются 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 есть некая усредненная характеристика надежности перемешанного парка двигателей с разной степенью выработки ресурса. Однако практика показывает, что для многих задач с помощью среднестатистической величины полностью определяется поток отказов двигателя как элемента системы, например подразделения наземных машин и т. п..

Учитывая вышесказанное, можно, рассматривая парк двигателей с использованием (1.9), найти величину вероятности отказа двигателя в этом парке за интересуемый интервал времени t_П.

Так, вероятность отказа

а вероятность досрочного съема за ресурс 

Часто в качестве усредненной характеристики надежности совокупности двигателей за календарный период пользуются коэффициентом отказов на 1000 ч наработки, обратно пропорциональным :

Среднестатистические критерии надежности двигателей позволяют решать ряд задач, связанных с вероятностью выполнения задания системой, элементом которой является двигатель; применительно к ГТУ с использованием показателя _оп может быть оценено влияние надежности на безопасность эксплуатации.

Вышеизложенное рассматривалось для случая невосстанавливаемого изделия. Однако ГТУ является восстанавливаемым объектом. За время эксплуатации он имеет, как правило, не один отказ. Причем в случае отказа происходит восстановление работоспособности тем или иным путем. В частности, у двигателя могут быть заменены новыми отказавшие агрегаты регулирования и топливопитания, поврежденные лопатки и другие детали и узлы.

В ряде случаев восстановление осуществляется и без замен, например промывкой проточной части ГТУ, покрывшейся отложениями в результате попадания пыли на вход в двигатель в процессе его работы. Во всех случаях существенно лишь то, что последствия отказа ликвидируются, и изделие продолжает работать, сохраняя те же свойства, что и до отказа. Последовательность моментов отказов или восстановлений образует поток случайных событий, называемый потоком отказов (потоком восстановлений). Характеристика потока восстановлений — параметр потока отказов w(t) при экспоненциальном распределении времени работы между отказами, т. е. при f(t) =  exp (- t) совпадает с интенсивностью отказов w(t)==const. Это означает, что в данном случае не нужно делать различия между параметром потока отказов и интенсивностью отказов.