1

www.npo-saturn.ru

Технологический форсайт. Методология прогнозирования

технических рисков авиационных и промышленных ГТД

II Международный технологический форум«Инновации. Технологии. Производство», 23-25 марта 2015 г.

Секция №4 «Анализ технических рисков при разработке и эксплуатации авиационных и промышленных ГТД»,

24.03.2015 г.

2

ФОРСАЙТ

Стратегический форсайт:Выбор наиболее предпочтительных из возможных альтернатив развития.Управленческий инструмент многодисциплинарного объемного моделированиятенденций развития и оптимизации финансовых и интеллектуальных затрат,обеспечивающий базу для принятия решений о долгосрочных инвестициях на 15-20 и более лет.Обеспечивается комплексом методик долгосрочного прогнозирования,базирующихся преимущественно на интуитивных экспертных оценках (разработкасценариев, SWOT/ SOFT/ SNW/ GAP – анализы и построение «дорожных карт» иликарт трендов, экспертные панели и т.д.).

Технологический форсайт:Выполнение прогнозов и периодической оценки их результатов для техническихобъектов с учетом их расчетного и реализованного (реализуемого) жизненногоцикла.

ФОРСАЙТФОРСАЙТ

3

Технологический форсайт:Управление техническими рисками в общем процессе системы управлениябезопасностью полетов и безотказностью авиационных маршевых ГТД, а так жебезопасностью эксплуатации и безотказностью промышленных ГТД в течениежизненного цикла парка двигателей.

1 Методология оценки технических рисков системы управления безопасностьюполетов (СУБП) при проектировании и серийной эксплуатации ГТД на основебайесовской и вейбайесовой статистики с использованием сгруппированных данныхспециализированных баз данных.

2 Схема классификации деталей ГТД на основе функциональной матрицыкритичности.

3 Методология организации системы ограничительных действий согласно документуGM21А.3В(d)(4) в соответствии с принципом «ограничительных трапеций».

4 Базы данных мониторинга технических рисков задачи FRACAS для жизненного циклапарка ГТД.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФОРСАЙТТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФОРСАЙТ

4

СУБП – СИСТЕМА СКВОЗНОЙ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКИХ РИСКОВ

СУБП – СИСТЕМА СКВОЗНОЙ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКИХ РИСКОВ

• 186 Сессией ИКАО 4.03.2009 принята 101 поправка к Приложению 8 Конвенции о международной ГА - требование создания Системы управления безопасностью полетов (СУБП). Внедрение в РФ 101 поправки выполняется на основании документа РУБП – DOC9859, AN/474,ИКАО, 2009, изд.2.

• СУБП предполагает наличие системы сквозной оценки технических рисков на всем жизненном цикле авиационного ГТД.

• В основе СУБП – 2 основополагающих принципа:• Управление факторами риска • Гарантия безопасности полетов.

• Риск, относящийся к состоянию БП, определяется величиной интенсивности отказов (hazard rate) события с опасными последствиями (определен перечнем CS-E (п.510)/АП-33 (п.75). Общие гарантии.

• Риск, относящийся к состоянию безотказности, - технико-экономическая составляющая эксплуатации парка ГТД, определяется величиной интенсивности отказов (hazard rate) некритических по отношению к БП видов отказов (задержка / отмена рейсов). Специальные гарантии.

5

• Градация между общими и специальными гарантиями – матрица критичности для ГТД СУ.

• Матрица связывает тяжесть последствий отказа со степенью допустимости их в эксплуатации. Формируется на этапе разработки.

• Матрица формируется на этапе разработки и контролируется в эксплуатации.

Матрица критичности видов отказов ГТД СУ коммерческого ЛА с СУ ≥2 ГТД (CS-E (п.510)/АП-33 (п.75))

В основе матрицы критичности – «принцип кривой Фармера».

Принцип нормирования надежности ГТД коммерческих пилотируемых ЛА.

Матрица критичности.

Безопасность полетов - Общие гарантии.

Безотказность - Специальные гарантииCS-E 510

6

Жизненный цикл парка изделий в терминах надежности

7

Общая схема «Информационной системы управления надежностью на этапе разработки и серийной эксплуатации ГТД». Типовая программа SSPP

88

Нормативные требования:

-Certification Specifications for Engines. CS-E. EASA. ED Decision 2003/9/RM/24/10/2003 (п. 510);- Авиационные правила. Часть 33. Нормы летной годности двигателей воздушных судов − М.: МАК, 2003. − 54С(п.75.33) (п.75.33 проекта АП-33 в редакции 2010 года);-Положение П 1.1.132-2007 Нормы безотказности двигателей гражданской авиации (для магистральных самолетов), ЦИАМ. –Гос НИИ ГА, 2004г. 20С.

Нормативные документы и методы анализа, оценки и подтверждения уровня безопасности и безотказности:

Нормативные требования:

- Certification Specifications for Engines. CS-E. EASA. ED Decision 2003/9/RM/24/10/2003 (п. 510);- Авиационные правила. Часть 33. Нормы летной годности двигателей воздушных судов − М.: МАК, 2012. (п.75.33)- Положение П 1.1.132-2007 Нормы безотказности двигателей гражданской авиации (для магистральных самолетов), ЦИАМ – Гос НИИ ГА, 2004г. 20С.

Нормативные документы и методы анализа, оценки и подтверждения уровня безопасности и безотказности:

ARP 4761: Guidelines & methods for conducting the safety assessment process on civil airborne systems & equipments. SAE.331C.

RISK MANAGEMENT GUIDE FOR DOD ACQUISITION, 6 ed. (Ver.1.0), 08.2006, Dept. of Defense

IEC N60812, Ed.2 Analysis techniques for system reliability – Procedure for failure mode and effects analysis

FTA

FME(С)A(FMES)

CCA

FRACAS

ГОСТ Р 51901.5-2005 (МЭК 60300-3-1:2003) «Руководство по применению методов анализа надежности»ГОСТ Р 51344-99 «Безопасность машин. Принципы оценки и определения риска»ГОСТ Р51901.12-2007(IEC N60812) «Менеджмент риска. Метод анализа видов и последствий отказов» (FMEA)ГОСТ Р 51901.6-2005 (IEC 61014:2003 Program for reliability growth)«Менеджмент риска. Программа повышения надежности» ГОСТ Р 51901.13-2005 (МЭК 61025:1990) «Анализ дерева неисправностей»ГОСТ Р 51901.11 (МЭК 61882:2001) Менеджмент риска. Исследование опасности и работоспособности (HAZOP)ГОСТ Р 51901.16-2005 (МЭК 61164:1995 Risk management. Reliability growth. Statistical test and estimation methods) «Менеджмент риска. Повышение надежности. Статистические критерии и методы оценки»ГОСТ Р 51901.15-2005 (IEC 61165:1995 Application of Markov techniques)«Менеджмент риска. Применение Марковских методов»

Общая процедура оценки безопасности конструкции

9

Этап разработки. Процедура FMECA. Технологическая карта FMECA.

Процедура FMECA + «частные» FTA»

10

Этап стабильной серийной эксплуатации Д-30КУ/КУ-154. Процедура FTA. Мониторинг видов отказов (неисправностей)

11

Специальные гарантии. Оценка интенсивности отказов модификации двигателя, вводимого в серийную эксплуатацию

ST

r

++=

ρδλ

)

0,)1(

)()( )(1 ≥

+Γ+= +−−+

+

λλδ

ρλ ρλδδ

STrr

S eT

rH

!

)()(

r

eTrP

sTrs

λλλ−

=0,0,0,

)()(

1

≥≥≥Γ

= −−

ρδλσλρλ ρλ

δδ

ef

Априорная плотность распределения λ - Гамма-

распределение (парк двигателей Д-30КУ)

Текущая информация: Пуассоновское распределение надежности парка Д-30КУ-154 ( r-число отказов, Т- наработка

Апостериорная плотность

распределения λ - Гамма-распределение (парк

двигателей Д-30КУ-154)Апостериорная интенсивность отказов λ -Гамма-распределение (парк двигателей Д-30КУ-154)

Оценка интенсивности отказов λ - при

достижении по наработке 1-й точки подтверждения

Априорное распределение

Модифицированные распределения

Bayes – risk analysis

12

( ) ( )( ) ( )

( )

( ) ( )( )

( )

∆Τ∆

∆Τ∆−∆Τ∆=∆Τ

∆Τ∆Τ∆

=∆Τ

∆Τ+

Τ

∆Τ∆Τ

−+Τ+=

∑

∑∑Σ

Σ

ΣΣ

Σ

=Σ

Σ

ΣΣ ∑

%.100*

;%100*

;

1

21

1221

1

i

ii

i

общ

дорi

i

k

m

ii

i

iуд

ДСД

r

rr

N

Na

t

ra

r

η

ρη

δλ

ST

r

+ρ+δ=λ

) Bayes – risk analysis

Специальные гарантии. Оценка интенсивности отказов модификации двигателя, находящегося на этапе серийной

эксплуатацииД-30КУ-154, 2000 г. съем с учетом эксплуатации по

техническому состоянию

0,00E+00

5,00E-06

1,00E-05

1,50E-05

2,00E-05

2,50E-05

3,00E-05

3,50E-05

4,00E-05

4,50E-05

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Месяц

Ин

тен

си

вн

ос

ть о

тка

зов

АК БашкАвиалинииАО АРМАЛАК СибирьАК ВнуковскАвиал.Весь парк

Д-30КУ-154, 2000 г. съем с учетом эксплуатации по техническому состоянию

0,00E+00

5,00E-06

1,00E-05

1,50E-05

2,00E-05

2,50E-05

3,00E-05

3,50E-05

4,00E-05

4,50E-05

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Месяц

Ин

тен

си

вн

ос

ть о

тка

зов

АК БашкАвиалинииАО АРМАЛАК СибирьАК ВнуковскАвиал.Весь парк

Маловероятное событие.

Иллюстрация достаточно скоротечного вторичного отказа, не определяющего собственно ресурс детали и зависящего от эксплуатационных факторов.

1) λ для всех видов ППП в ГВТ дв. Д-30КУ-154: 1,9Е-05

2) λ для ППП в ГВТ ( песок, гравий, бетонная крошка с ВПП): 1,44Е-07

3) λ для ВП(ДСД) при событии «2)»: 7,2Е-08

Прогноз ДСД

13

ПРИЧИНА ПОСЛЕДСТВИЯ

ВЕРОЯТНОСТЬ СОБЫТИЯ

Ограничение времени для устранения причины

+

Общие гарантии. Оценка риска события с опасными последствиями. Оценка ограничительного срока

принятия решения. Модельный пример.

Модификация распределения события «разрушение диска 1-й ступени КНД» с использованием байесовского подхода (1 – априорная информация по данным [SAE AIR 40031, SAE, 9-87 ], 2- с учетом информации по разгонным испытаниям на установках (НПО «Сатурн»), 3 –с учетом результатов эксплуатации)

Пример оценки ограничительного срока принятия решения по внедрению мероприятий по дефекту, связанному с отказом диска 1-й ст. КНД двигателей серии Д-30КУ/КП/КУ-154 (GM 21A.3B(d)(4), Dec.# 2003/1/RM, 17.10.2003 EASA (“AMC and GM to Part 21”). AMC and GM to Part 21 Acceptable Means ).

14

Оценка величины эксплуатационной долговечности для события съема двигателя с эксплуатации в ремонтный

Анализ надежности с использованием модели «доживания» (Каплана-Мейера).Возврат в ремонтный цех (SV – shop visit(ДСД+ДСБ) двигателя в период с наработки большей гарантийной.

Специальные гарантии. Прогнозирование на этапе разработки (модернизации) конструкции – оценка по

результатам эксплуатации. Модельный пример.

( ) ( )1−β

ηηβ+λ=λ+λ=Λ T

TT

,

1−ββ

βλη=WT

( ) ( )[ ] ( )jt

jjnjntS

δ

∏ +−−= 1/)(

15

Оценка безотказности конструкции. Специальные гарантии. Имитационная модель прогнозирования ремонтов в пределах

ЖЦ.

Электронная форма подетальной регистрации параметров надежности одной из деталей конструкции авиационного ГТД с указанием ссылки на FMECA, выполненного на этапе сертификации типа.

Прогноз количества ремонтов осредненного двигателя в пределах специальных гарантий авиакомпании в зависимости от ограничения ресурса деталей группы особоответственных и параметрической модели.Модельный пример.

16

Начальник КОИН

СЕРИЯ

Процедуры исследования

(расследования)

отказов (неисправностей)

серийных ГТД

ОКР

Исследование / оценка

технических рисков (ВБР на

ГСИ)Инструкция № 111-14-0004-

2008,ПОНр изделия

СЕРИЯ

Процедура мониторинга

технических рисков и ЛГ парков

серийных ГТД

ПГТД,

Инструкция 111-13-0013-2003

ОКР / EIS / Серия

Задачи расследования причин

отказов двигателя SaM146

Инструкция № 111-14-0004-2008

ОКР/ SaM146

Задачи организации

исследования дефектов

ДСЕ

(период сертификации)

Инструкция № 111-14-0004-2008

АГТД,

СТП503.262

Организация

исследования совмеситно

со специализированным

отделом ОКБ-1

Исследование причины

отказ ГТД в

эксплуатации

(рекламация). Указание

ГК

Организация

исследования

отказа

совместно с

отделом-

разработчиком

ДСЕ ОКБ-1

Исследование

отказа. План

КОИН.

Заключение

КОИН

Заключение

отдела-

разработчика

ДСЕ ОКБ-1

Заключение

КОИН

Исследование

отказа. План КОИН.

Заключение КОИН

Исследование причины

отказ ГТД в

эксплуатации

(рекламация:

двигатель/агрегат

НПО»С»).

аварийный отказ

на стенде.

План КОИН,

Заключение

КОИН

План КОИН,

Заключение

КОИН

аварийный отказ

двигателя

на стенде /

в эксплуатацииАГТД, ГТД для

БПЛА

Исследование причины

отказа ГТД при

выполнении

экспериментальных

испытаний

аварийный отказ

ГТД (указание ГК)

План КО ОКБ-1,

согласованный

с КОИН

План КОИН,

Заключение

КОИН

Морские, ПГТД

Отказ

эксперим. узла

Заключение

КО ОКБ-1БД КОИН

ОКР

ОКР

Система

КЗД

Начальник бригады

исследований ОКР

План КО ОКБ-1,

согласованный

с КОИН

Заключение

КО ОКБ-1

Зам. Нач. КОИН

Разработка и

согласование с

отраслевыми НИИ и

НИИУ Заказчика

методик оценки

безотказности на

этапе ОКР

ПГТД,

Инструкция 111-13-0013-2003

АГТД, СТП503.074

ГТД для БПЛА,

ПОНп по изделию

EIS, SAM146. процедура

SaM146-PWJ-TEC-PRO-

ENG-00055-01

БД КОИН

серт.исп

(SaM146)

Взаимодействие

с отраслевыми

НИИ и НИИУ

Заказчика по

исследованию

причины

аварийного

отказа

Сводный

отчет по

ПГТДТехнические

отчеты по

типам ПГТД

Сводный

отчет по ОКР

Сводный

отчет по

АГТД

Технические

отчеты по ГосА и

ГА РФ,

эксплуатантам

БЗ и ДЗ

График КЗД

по ОКР

График КЗД

по серийным

АГТД

График

закрепления

дефектов

SAM146,

ред.1

БД КОИН

Серия ПГТД

БД КОИН

Серия АГТД

Отчеты по

ПОНп сер.

Изд.

Реализация информационной системы управления надежности.

Информационнаясистема управления

надежности

17

Задача регистрации несоответствий при экспериментальной доводке. FRACAS.

Общая схема БД и пример регистрации события «инцидент» в БД «Сертификационные испытания» с полным циклом оформления документов по факту отказа при останове испытания двигателя на испытательном стенде по попаданию в ГВТ двигателя постороннего предмета.

18

Задача регистрации несоответствий при серийной эксплуатации. FRACAS.

Общая схема БД и пример регистрации события в эксплуатации, перечень отчетных документов отраслевой ежегодной оценки надежности парков авиационных ГТД (п.1.15 ОТУ-2012), средства и способы статистической обработки массива БД

19

1919

Статистическая оценка (оценка законов распределения )

I Экспоненциальное распределение для гарантийного периода(интенсивность отказа постоянна)

II. Распределение Вейбулладля «постгарантийного» периода (интенсивность отказов возрастает)

Суммарное распределение для возврата в цех SVR (ДСД+ ВР)

Анализ надежности с использованием модели «доживания» (Каплана-Мейера)

Статистическая выборка из БД «Надежность» возврата двигателей в ремонтный цех:I – съем двигателей по ДСД (КПН)II – съем двигателей по ВР (до 1-го рем. и межремонтного)

Риск возврата в ремонтный цех двигателя в период с наработки большей ХХХ часов делится между поставщиком и эксплуатантом системой эксплуатации по техническому состоянию

Статистическая оценка параметров распределений SVR (ДСД+ДСБ) периодовэксплуатации (по часовым наработкам):

I- Гарантийный период (0…ХХХ час. СНЭ, ППР)II- Период эксплуатации по техническому состоянию, постгарантийный период (ХХХ…ХХХ1 час. СНЭ, ППР)

Пример решения с использованием БД «Надежность». Безотказность. Возврат в ремонтный цех

20

Общая схема

«Информационной системы поддержки надежности. Система прогноза, оценки риска и мониторинга безотказности и безопасности на этапе

разработки и серийной эксплуатации газотурбинных двигателей»

21

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

Сарычев С.В., к.т.н., эксперт КОИН, ОАО «НПО «Сатурн»,Кожина Т.Д., д.т.н., профессор, РГАТУ