Введение к работе
Атусиъностъ и суирюапь телы иссиеОовашя. Повишопныэ требования, предъявляемые к авиационным газотурбинным двигателям (ГТД) по показателям бозотказпости, обусловили пеобходимомсть вводопия росурсішх ограгагчесниЯ их фупкциопировоїшя на самолоте. Однако значительная часть ГТД, используемых в гражданской авиации (ГА), не отрабативаот положенных ресурсов в связи с повреждениями элементов проточной часта посторонними предметами (ПП). Чаще всего механические повреждения наблюдаются па лопатках компрессоров я турбин (звбоиш. погнутости, царошпш и пр.). Такого рода повре-здеігая создают опаспость зарождения и развития тротил усталости с последующим обривом (разрушошшм) лопаток, что может повлечь за собоп сорьознно отрнцатолышо последствия.
Опыт эксплуатации свидетельствует, что несмотря на ряд активних мор, продпршшмаомцх разработчиками ГТД по предотврщонию механических повреждения элементов проточпоя часта от попадания ПП (установка защитных устройств на входо в ГТД, споциалышо "караматГ для ПП, разворот реверсивных уотройств отпоситолыю оси ГТД, ис-пользованиэ в качества лопаточных материалов армированных углепластиков с пониженной чувствительностью к механическим повреждениям и пр.), количоство досрочно спимаомих с эксплуатации по этой причине двигателей восьма велико. Напримор, из общего числа широко испольэуоюд двигателей типа ДЗО-КУ, досрочно снятых с самолетов ТУ-І5ЛІ, ЇІЛ-Б2Н па долю поврождошшх ПП приходится до 50.
Отметим, что при существующих ценах на двигатоля. их капитоль-ш% и восстановительный ромопт, досрочноо прокращопие эксплуатации ГТД сопряжено с серьезными наториалышми потерями, которые несут авиакомпании и првдприлтил отрасли. Все это свидетельствует об актуальности проблеми сгоютщш поврождаомостя авиэдвагателои ГА от попадания ПП. '
і( перспективным направлениям о этой области относятся т.п.
пассшлшо мори зцитн ГТД от ПП. В качестве примера можно привести проводншо в условиях эксплуатации работа по зачистісо забоип, искусствошюа срезке уголков но рабочих лопатках, съему н земояе повреадонпнх лопаток первых ступенои KOMnpoccopoD низкого давления (ШЩ) н др.
К эффективным результатам могут привести также роботи по поро-
смотру допустима геометрических размеров механических повреждения па лопатках ГТД. Необходимость в проведении такого рода исследований подтверждается рядом фактов,наблюдаемых в эксплуатации:
мпожаством случаев удовлотворительной отработки ресурса двигателями с механическими повреждениями на лопатках (как правило ЮЩ). существенно превышающими допустимие пормы (эти повреждения по были замочены в аксплуатации и зафиксированы лишь при разборка ГТД в процессе ромопта);
отсутствием трещин усталости па большинство мест расположения механических повреждений увеличенных размеров;
результатами лабораторных исследований причин разрушения лопаток КНД при работе , подтверждающими достаточную усталостную прочность их материала (практически в каждом случае имелись способствующие разрушению дополнительные факторы).
Целесообразность проведения работ по пересмотру норм на допустимые механические повреждения лопаток компрессоров ГТД подтверждают также величины зарубежных норм ( в частности фирм США) на безопасные повреждения лопаток, существенно превышающие отечественные .
В диссертационной заботе сделана попытка на основе статистического анализа повреждаемости ГТД ПП, теоретических обобщений в области усталостной повреждаемости лопаточных материалов, а также методов ее оценки, вскрыть закономерности изменения свойств материалов BT3-I, ВД-І7, отражающих стойкость лопаток к тазличным моханическим повреждениям в условиях длительного воздействия спектра эксплуатационных нагрузок.
Различают повреждаемость скрытую, обусловленную структурними превращениями в материале и видимую -определяемую числом, видом, в Формой механических повреждений конструкции. Оба вода повреждаемостей тесно связаны между собой. Очевидно, что способность лопаток ГТД безотказно функционировать с механическими повреждениями (забоинами) тесно связана с состоянием лопаточного материала.
Состояние проблемі. Процессы повреждаемости различай! материалов машиностроительных в авиационных конструкций при многокомпонентном циклическая пагрухешш изучались довольно давно. Докшш-рущая роль здесь принадлежит отечественным ученым. В частности, широко известны работы научных коллективов, возглавляемых Биргором И.Д., Сиропшым С.А. .Балашовым Б.Ф..Потуховым А.Н. -(ЦШІ км. П.И.
Бараяова), Кяшкиным СИ., Лашко Н.Ф., Качановим Е.Б., -(ВИАМ), Иввновим В.П. Белоусовым Г.Г. -(МГГУГА), Долголэнко Г.П.,Розен-фЭЛЬД И.А. -{ЛИИ ИМ. Ы.М. Громова), Филшовим А.П. -(НИИЭРАТ ВВС), Назаровым А.П..Кулешовым В.В., Радкевичем В.В. -(ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского), Ивановой B.C. -OWTf).
Существенный вклад в исследование повреждаемости материалов внесли также известные зарубежные ученые, такие, как: Фрейдепталь, Кортен, Долан, Нейбер. Ирвин, Орован, Пэрис и др.
Тщательный анализ работ этого направления выявил многообразие процессов трансформация физико-механических характеристик материалов в различных условиях пагруження. Интенсивность накопления усталостных, длительных, износовых, коррозионных повреждений связана с рядом условиями нагрухепия (уровень, степень ностационар-ности и длительность нагружения), а также свойствами самого материала (упругость, пластичность, склонность к естественному старению и пр.). Рядом исследователей установлено, что трансформация основных физико-механических характеристик моталлических материалов может иметь как неблагоприятный так и благоприятный характер. В последнем случао ато может положительно сказываться на величине усталостной долговечностнь, чувствительности к надрезу и других показателях, ответственных за способность конструкции безотказно функционировать с видимыми механическими повреждениями.
Исследовании поведения лопвточных материалов при длительном воздействии эксплуатационных пагрузок посвящен ограниченный круг работ. В частности, по отношении к лопаткам турбин ГТД известны работа Лоэицкого Л.П., Лапшрва В.Ф.- (КЖГА), а также Паллоя Э.С., Коняева Е.А., Тойбера Ы.Л. -(РИИГА). Что касается лопаток компрессоров ГТД, то тематика их исследований сосредоточена в последнее время на совершенствования аналитических методов оценки на прочность ( Биргер И.А., ЦЬрр Б.Ф., Мавлютов P.P.), а также экспериментальных проверках сопротивлошш усталости без учета влияния длительности эксплуатационного нагружения (Балашов Б.Ф.,Петухов А.П., Иванов В.П., Белоусов Г.Г.).
Таким образом, вопросы влияния наработки на способность лопаток компрессоров ГТД функционировать с различного рода механическими поврэждопилга до сих пор остаются открытыми, несмотря на их очевидную практическую значимость.
Опит показывает, о инженерный анализ подтверждает, что несмотря
iio возрастание случов разрушепий лопаток в эксплуатации (в основном за счет увеличонші общего парка двигателей ), они в большой моро спровоцированы дополнительными факторами, вызвавшими резкое увеличение уровня циклического нагружвшя при работе. Так, на двигателях типа ДЗО-КУ оти разрушения били обусловлены т.н. "нахлестом" прикомлових полок лопаток КПД (II и III ступени), а тагаю недопустимым износом мост контакта бандажных полок лопаток (I ступень). На двигателях упомянутого типа чисто усталостных разрушений лопаток от забоин в условиях эксплуатации практически пот.
Наоборот, в очередной капитальный ремонт часто поступает двигатели, їмоодно незамеченные в эксплуатации множественные повреждения лопаток , превышающие допустимые в 3-5 раз, без признаков развития трещин усталости. Таким образом, целесообразность проведения исследований по выявление возможностей расширения норм па допустимые механические повреждения является очовидноЯ.
Диссертационная работа базируется па материалах теоретических, а также експериментальних исслодоваїтай, вшюлпошшх под научным руководством и непосредственном участии автора в иТТУГА. Основная часть экспериментов выполнялась по заказу в Государственном науч-но-исследоватольском илституто гражданской ввиации (ГосНШ ГА), Рижском институте инженеров гражданской авиации (РИИ ГА), ОКБ "Гранит", Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ), Всоросилском институте авиационных материалов (ВИАМ), других исслодоватольсих центрах. Комплекс работ проводился в рамках НИР МТА Ж35-88 (І988-І99І г.г.) и в соответствии с приказом МАП-МГА от 6.03.1990 г. JM2/96 "о совершенствовании работы и координации усилий мТА СССР и минавиапрома СССР по улучшению состоішия гражданской авиационной техники и перспективах ее развития".
Ниже приводится краткая характеристика целой, задач, содержания я основных результатов диссертационной работы.
Цель роботи -выявлевиэ дополнительных возможностей расширения норм па безопасные размори механических повреждений лопаток компрессоров ГТД, обусловленных длительностью воздействия эксплуатационной наработки.
Главный заОйчачі исследований являлись:
статистический анализ данных об эксплуатационных повреждениях лопаток компрессоров ГТД на различных етанах их использования по назначению;
проведение теоретических обобщении результатов исследований и оценок структурной повреадаемости лопаточных материалов в различных условиях эксплуатационного нагрухения;
паучБвя трактовка и разработка концепции обоснования норм на допустимые мехапические повреадення лопаток компрессоров ГТД с учетом влияния длительности наработки:
проведение цикла экспериментальных проверок правильности концептуальных поломили о благоприятном влияшш длительной наработки на стойкость повреадошшх ПП лопаток КВД (на примере наиболее повреадаемых в эксплуатации семействе двигателей ДЗО-КУ (КП.КУ-154):
экспериментальное определенно допустимых механичоских повреждении на лопатках КНД двигателей ДЗО-КУ (КП, КУ-І54) с учетом благоприятных трансформаций свойств их материала, обусловленных длительностью эксплуатационного нагругеггдя;
оценка экономической эффективности использования самолотпо-моторного парка с расширенными нормами па допустимые механические поврезденнялопаток ІЩЦ двигателей ДЗО-КУ (КП, КУ-І54);
разработав рекомендация по практической реализация результатов исследований.
УетоОи исслсОоваа.'я. В зависимости от решаемых задач в работе использовались методи классификации и идентификации состояний, математической статистики и теории вероятностей, функционального анализа, матричной алгебры, интегрального и дифференциального исчислений.
Научная новизна результатов хюслеОовашй. Проведенную работу в области усталостной повроздаемостп материалов лопаток компрессоров ГТД ыозшо ішаяифяцлровать как новый вклад в развитие теории и практики обоснования допустимых повроядвний на эксплуатируемых авиационных иопструїсцаях. Дассортацня содержит слодугщио основные паучныо результаты:
-
На основе выполненного статистического анализа, а также теоретических оСобэднип в области усталостной повреадаемости лопаточных материалов опродолеш взвалмосвязи моаду процессами изменения усталости прз длительной роботе а стойкости лопаток к механическим повреждениям:
-
Проводонпымя иотадлофязяческямя исследованиями лопаточного материала ВД-Г7 выявлены споцифячосклэ струюгурныо превращения от
олпгоііриятного воздействия наработки ( в интервале от 3000 до 13000 и болое часов), начиная от параметров кристаллических решеток до микротвердости отдельных зерен сплава;
-
. использованием трибоспектрального метода оценки однородности поверхностного слоя работавших лопаток установлены ранее пои-звостные закономерности благоприятного измвнокил их усталостных свойств, а Т8юю повышеимя стойкости к механическим повреждениям в широком интервале эксплуатационной наработки;
-
В результате ударных испытании лопаток раскрыта физика процесса эксплуатационного старения лопаток, позволившая обосновать допол:гатолышо возможности расширения действующих ограничении па механические повреждения;
5.Проведенными испытаниями кратковременной прочпости материала новых и работавших лопаток определены закоиоморпости измоненоия характеристик чувствитолыюсти к надрезу (забоине) лопаточного сплава ВД-І7, подтвердившие возможность расширения норм па безопасные размори механических повреждении в широком интервале наработки;
6.Результатами усталостных испытании лопаток КНД двигателей ДЗО-КУ (КП, КУ-І54) на электродинамическом и воздушном вибраторах подтверждено благоприятное влияние зксплуатациошюго нагружения в шгтерваде от 3000 до 13000 и болое часов на стойкость лопаток к механическим повреждениям. При атом обоснована возможность увеличения размеров безопасных механических повреждений;
7.Получены данные о технико-экономичес;..)м эфЮкте использования самолотно-моторного парке с увеличенными пормами на механические повреждения рабочих лопаток КНД указашшх двигателей.
Достоверность результатов исследований, обоснованность научных положений, выводов и практичоских рекомендаций подтверждается достаточным объемом экспериментов с использованием высокоточного испытательного оборудования, корректным применением расчвтно-виалитических методов оценки погрешностей экспериментов. Устапо-влешшые теоретические и акегюримонтальныо зависимости подтверждаются данными о фактических размерах безопасных механических повреждении лопаток КНД на отечественных в зарубежных ГТД.
Положения, выпоаиыв на защшлу.
І. Результати статистического анализа поврождаеиомти ГТД от попадания в проточную часть ПП.
-
Результати теоретических обобщений в области усталостной повреадаомости лопаточных материалов, концепция возможности расширения норм на допустимое механические повреждения лопаток компрессоров ГТД с учетом длительности эксплуатационного нагружопия.
-
Научное обоснование явления повышения стойкости материала лопаток к механическим повреждениям, обусловленного длительность» эксплуатационного нагружепия.
4.Результата экспериментальной оценки структурпой повреадаомости материэла лопаток по:
степени искажения кристаллической решетки, а также сочетания и взаимосвязи упрочняющих и разупрочняпцих интерметаллидных фаз в лопаточпом материале ВД-І7 с увеличением наработки;
степени однородности поверхностного слоя лопаток с уволичоснивм наработки:
ударной стойкости лопаток с увеличением паработки;
кратковременным характеристикам прочности, отражающим чувствительность к надрезу (забойно) лопаточного сплава ВД-І7 с увеличением наработки;
остаточной усталостной долговечности рабочих лопаток II и III ступеней КНД двигателей ДЗО-КУ (КП, КУ-І54), имовдих различную наработку і различные по глубине механические повреждения.
5. Новий подход к обоснованию допустимых механических повреждений на лопатках компрессоров ГТД ГА с использованном нелинейной математической модели изменения работоспососбности лопаток в процессе функционирования.
йрахтшская значимость и апробация результатов раОоаы. Практическая значимость работа заключается в том, что возможность расши-реїшя норм на допустише механические повреждения лопаток II и III ступеней ЮЩ двигателей Д-ЭОНУ (КП. КУ-І54) позволяет:
повисить коэффициент использования ГТД в предприятиях и авиакомпаниях ГА РФ;
в существенной мере снизить досрочный съем указанных типов двигателей в процоссо эксплуатации и улучшить тем самым характеристики их надежности;
сократить потробпость предприятия и авикомпаяил ГА в "вигятолях и снизить их дефицит:
снизить трудозатраты на техническое обсдужшдашо сямолетно-моторного парка в предприятиях и авиакомпаниях ГА.
Результаты, полученные в диссертационной работе отражены в межведомственном Заключении о возможности расширения норы па механические повреждения лопаток КНД двигателей Д-ЗОКУ (КП, КУ-І54), частично виедрены в бюллетенях на новые нормы механических повреждения от попадания в ГТД ПП. Принципы дифференцированного подхода к оценке допустимой not. еждаемости КНД и КВД реализованы в методиках осмотра проточной части указанных типов двигателей о помощью оптнко-виэуалышх средств.
Часть результатов внедрена в учебный процесс в мТТУГА в рамках специальности 130300.
Результаты выполненных исследовании докладывались и получили положительную оценку на Всесоюзных конференциях по прочности двигателей (г. Куйбышев, 1982, 1986 г.г.), аффоктивности технической эксплуатации ЛА и АД (ГосНИИ ЭРАТ ВВС 1989, 1990 г.г.), Всесоюзных конференциях по защите ГТД от попадания посторонних предметов (ЛИИ им. м.ы. Громова 1988, 1992 г.г.). Всесоюзных и Всероссийских конференциях по аффоктивности эксплуатации ЛА и АД в 1ШГА -НГТУТА (1988, 1990, 1994 г.г.), ряде внутривузовских конференций и научно-технических семинаров.
По материалам диссертации опубликовано 3 монографии, 3 учебных пособия, 30 научных статей н учобно-методичоских разработок. Часть результатов диссертационной работы включена в учебник "Повреждаемость и диагностирование авиационных конструкций'' (евт. Пивоваров В.А., изд-во "Транспорт", 1994 г.)
Полученные в период I987-I99I г.г. результаты отражены в цикле отчетов по научно-исследовательской теме Х35-88 "Оценка влияния эксплуатационных повреждений на работоспособность лопаток КНД ГТД с целью корректировки их допустимых размеров"(* гос. регистрации 018870024418 ), по которой автор являлся научным руководителем.
Струищ/ра и ооьвл Оиссврвациюнной раЗат. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, приложения.
Основная часть работы изложена на 230 страницах машинописного текста, содержит 85 рисунков, 28 таблиц в 147 библиографических названий (из них 48 на английском языке). Общий объем работы - 308 страниц.
