Вводные замечания. Создание и доводка авиационных двигателей требуют значительного числа экспериментов

Создание и доводка авиационных двигателей требуют значительного числа экспериментов. Они планировались всегда. Однако планирование эксперимента с такими сложными техническими системами, какими являются современный двигатель и его элементы, не всегда возможно на интуитивном уровне, обобщающем лишь предыдущий инженерно-технический опыт.

В настоящее время широко развита и интенсивно применяется математическая теория планирования эксперимента, основанная на теории вероятностей и математической статистике. Объектами исследования в теории эксперимента являются объем и порядок осуществления опытов, в которых измерения подвержены случайным ошибкам. Объем и порядок проведения опытов называются планом эксперимента. Теория эксперимента формулирует оптимальные планы эксперимента, позволяющие при минимальном (заданном) числе опытов достичь максимальной точности результатов. В простейших случаях оптимальный план экспериментов можно построить заранее, до их проведения. В более сложных случаях план экспериментов уточняется по ходу эксперимента.

«Черный ящик»

Чтобы использовать математический аппарат теории вероятностей и статистики, необходимо формализовать инженерно-технические объекты. Проще всего это сделать, используя понятие модели исследуемых объектов или процессов. На рис. 3.1 изображена заимствованная из кибернетики модель объекта исследования, называемая «черным ящиком». Стрелки слева обозначают способы экспериментального воздействия на исследуемый объект, называемые факторами или входами «черного ящика». Стрелки справа обозначают численные характеристики функционирования исследуемого объекта, называемые откликом,

Рис. 3.1. Модель исследуемых объектов или процессов

целевой функцией, выходом «черного ящика». Каждому из возможных сочетаний значений факторов (в планировании эксперимента - уровней факторов) соответствует некоторое состояние (задаваемое численными значениями откликов) объекта исследования.

Согласно этой схеме эксперимент заключается в том, чтобы, задавая различные сочетания уровней факторов, переводить исследуемый объект из одного состояния в другое, отличное от первого, и по изменению откликов установить закономерность его работы в виде количественных характеристик.

К изложенной схеме объекта испытания как «черного ящика» необходимо сделать несколько пояснений о том, насколько закономерна и целесообразна такая модель применительно к рассматриваемым в данной книге объектам, не принижаем ли мы тем самым степень наших знаний о них. Действительно, в настоящее время имеется хорошо разработанная теория ГТД и его элементов. Современные теоретические (аналитические) математические модели двигателя учитывают сложные закономерности взаимодействия элементов в системе двигателя. Однако не следует переоценивать надежность и возможности этих расчетно-теоретических методов.

Требования к точности определения параметров и характеристик ГТД чрезвычайно высоки. Например, несоответствие между заложенными в расчет и реально полученными в изготовленном двигателе значениями КПД турбины или компрессора в 1...2 % серьезно сказывается на показателях двигателя в целом. Такое же различие в удельном расходе топлива может быть решающим доводом при выборе того или иного двигателя для конкретного самолета.

Для улучшения технико-экономических показателей двигателя на 2...3 % иногда проводятся сложнейшие и дорогостоящие мероприятия, вплоть до переделки целых его узлов и систем. Точность теоретической оценки эффективности этих мероприятий явно недостаточна.

Таким образом, на одном из этапов как исследования, так и производства двигателей, определяемом глубиной и полнотой теоретических представлений и методов расчета, требуемой точностью результата, ответственностью задачи, почти неизбежно приходят к ситуации, когда, исчерпав все возможности современной теории, требуемых результатов все же не получают. В этот момент даже хорошо изученный в классической теории объект с пока неизвестными особенностями характеристик становится «черным ящиком», функционирование которого следует изучать экспериментально. Например, это может быть компрессор, обеспечивающий требуемые параметры на расчетных режимах, но имеющий пониженный КПД или запас устойчивости на глубоком дроссельном режиме и др.