Введение к работе
Актуальность темы. Рабочие лопатки (РЛ) турбин авиационных газотурбинных двигателей являются важнейшими деталями, во многом определяющими возможность получения высоких рабочих параметров, ресурс и безопасность полетов. Разрушение РЛ турбин авиационных двигателей приводит, как правило, к значительным разрушениям внутри силовой установки. Поэтому проблема точного прогнозирования прочности, ресурса и надежности РЛ, сводящего к минимуму вероятность разрушения, всегда была и остается чрезвычайно актуальной на всех стадиях создания, доводки и эксплуатации двигателей.
При эксплуатации летательных аппаратов на трассах различной протяженности длительность основных режимов работы газотурбинных двигателей изменяется в широких пределах, причем это изменение имеет случайный характер. На каждом режиме работы двигателей уровни действующих на конструктивные элементы нагрузок и температур являются случайными величинами, что обусловлено полетами в различных климатических зонах и на различных высотах, изменчивостью атмосферных условий, точностью систем автоматического регулирования двигателей и многими другими причинами.
На различных режимах работы двигателей в рабочих лопатках газовых турбин под действием высоких температур и напряжений от центробежных и газовых сил, а также стационарных температурных напряжений возникают повреждения, которые при отсутствии других причин приводят к разрушению лопаток вследствие исчерпания длительной прочности. Суммирование указанных повреждений с целью оценки длительной прочности лопаток в условиях случайной длительности эксплуатационных режимов работы двигателей, случайной изменчивости нагрузок и температур на этих режимах необходимо производить с использованием методов теории вероятностей и математической статистики. Из этого следует вывод о необходимости совершенствования традиционных методов расчета на основе вероятностного подхода.
Объектом исследования в настоящей работе являются литые рабочие лопатки турбин турбовентиляторных двигателей семейства НК-8 конструкций Н.Д.Кузнецова.
В работе рассматривается нагруженность РЛ турбин от центробежных и газовых сил, а также неравномерного нагрева.
Рабочие лопатки первой ступени турбины двигателей семейства НК-8 изготавливаются из литейного жаропрочного сплава на никелевой основе ЖС-30ВИ (сплав с монокристаллической структурой материала), а также из литейного жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ с равноосной структурой материала. Эти сплавы в настоящее время широко используются для изготовления рабочих лопаток турбин двигателей для самолетов гражданской авиации.
Исходя из вышесказанного можно сформулировать цель данной работы: создание метода прогнозирования ресурса рабочих лопаток турбин авиационных ГТД по параметру длительной прочности на основе вероятностного подхода, с учетом изменения нагруженности и характеристик долговечности материала рабочих лопаток в процессе эксплуатации.
В рамках указанной цели были сформулированы и решены следующие за-дачи:
1. Анализ условий эксплуатации и дефектов РЛ в нормальных условиях эксплуатации.
2. Определение напряженно-деформированного состояния (НДС) РЛ.
3. Оценка влияния эксплуатационной наработки на нагруженность рабочих лопаток в статистическом аспекте.
4. Анализ влияния эксплуатационной наработки на долговечность материалов РЛ.
5. Оценка ресурса рабочих лопаток турбин двигателей семейства НК-8 на основе вероятностного подхода.
Научную новизну работы составляют:
1. Разработанный метод прогнозирования ресурса рабочих лопаток авиационных ГТД.
2. Построенные модели изменения времени до разрушения, предела длительной прочности материалов рабочих лопаток (ЖС6У-ВИ и ЖС30-ВИ) в зависимости от исходного уровня и эксплуатационной наработки.
3. Полученные модели изменения действующих в рабочих лопатках из рассматриваемых сплавов напряжений в зависимости от исходного уровня и эксплуатационной наработки.
4. Результаты оценки надежности рабочих лопаток авиационных ГТД по параметру длительной прочности с учетом изменения характеристик материалов и нагруженности рабочих лопаток в эксплуатации.
Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждена данными металлографического исследования рабочих лопаток турбин с использованием аттестованной измерительной аппаратуры.
Практическая ценность работы. Предлагаемый метод позволяет с достаточной точностью прогнозировать ресурс рабочих лопаток турбин авиационных ГТД при проектировании, а также любом уровне эксплуатационной наработки. Метод применим для оценки индивидуального ресурса, что позволяет обеспечить эксплуатацию по техническому состоянию.
Использование результатов. Результаты работы могут использоваться в организациях, занимающихся проектированием авиационных ГТД при оценке ресурса рабочих лопаток. Также результаты могут быть использованы в процессе решения вопросов по продлению ресурса существующих авиационных двигателей. В настоящее время результаты работы используются в научных исследованиях и в учебном процессе кафедры авиационных двигателей и энергетических установок КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены на XV, XVI Международном конгрессе двигателестроителей (пос. Рыбачье, Республика Крым, Украина), IV Международной научно-технической конференции «Проблемы динамики и прочности в турбомашиностроении» (Киев, Украина), Международной конференции «Наука и образование – производству» (Набережные Челны, Россия), XIV, XVII и XVIII Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, Россия), а также на семинарах кафедры АДЭУ.
Личный вклад автора. Автором разработан метод прогнозирования ресурса рабочих лопаток турбин авиационных ГТД. Им выполнены расчеты по определению напряженно-деформированного состояния лопаток, проведен большой объем работ, связанный со статистической обработкой экспериментальных данных. Предложена математическая модель изменения времени до разрушения в зависимости от наработки в эксплуатации для материалов ЖС6У-ВИ и ЖС30-ВИ. Уточнены имеющиеся уравнения длительной прочности в плане учета влияния наработки в эксплуатации. Проведена оценка ресурса рабочих лопаток турбин конкретных авиационных ГТД с использованием разработанного метода.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 3 – в рекомендованных ВАК изданиях, 1– в зарубежном издании.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, включающего 142 наименования. Работа изложена на 125 листах машинописного текста, содержит 36 таблиц, 50 иллюстраций. Общий объем работы – 141 лист.
