Введение к работе
Актуальность темы. В авиационной технике актуальной является проблема оценки степени усталостной повреждённости деталей и, в частности, рабочих лопаток ГТД.
В настоящее время эксплуатация ГТД ведётся по его назначенному ресурсу, когда деталь снимается с двигателя после выработки установленного ресурса. Однако экономически целесообразным является эксплуатация деталей ГТД по их фактическому состоянию. Поэтому актуальной является задача разработки новых и усовершенствования существующих методов диагностики текущего технического состояния материала деталей ГТД в процессе их эксплуатации.
Таким образом, актуальность темы обуславливается следующими обстоятельствами:
важность разработки мероприятий, направленных на необходимость повышения надёжности деталей ГТД на протяжении всего жизненного цикла; экономия материальных средств за счет повторного использования деталей;
необходимость развития новых и повышение чувствительности существующих методов диагностики состояния материала деталей ГТД – основа перехода к эксплуатации по техническому состоянию.
Цель диссертационной работы - разработать технологию диагностики текущего технического состояния материала деталей ГТД, минимизирующую методические и инструментальные погрешности.
Для достижения поставленной цели необходимо последовательно решить следующие задачи:
на основание анализа литературных данных выбрать диагностические признаки, наиболее чувствительные к структурным изменениям материала при усталости;
разработать высокопроизводительную диагностическую установку, для определения величин принятых диагностических признаков, минимизирующую влияние граничных условий;
провести экспериментальные исследования зависимости выбранных диагностических признаков от степени усталостной повреждённости материала;
на основе полученных экспериментальных данных выявить общие закономерности в изменении величин диагностических признаков от наработки;
разработать критерий оценки остаточного ресурса деталей ГТД;
разработать экспериментально-расчетную методику для определения критических значений диагностических признаков, расширяющую область применения разработанного метода диагностики и минимизирующую материальные затраты на проведение экспериментальных исследований.
Методологическая и теоретическая основа исследования. При решении задач поставленных в диссертационной работе использовались теория колебаний, теория вероятностей с элементами математической статистики, сопротивление материалов, методы математического анализа и моделирования, а также методы численного решения задач статического и модального анализа с использованием прикладных программ, основанных на методе конечных элементов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением корректных и обоснованных исходных предположений и гипотез, аттестованного оборудования, сертифицированного программного обеспечения и подтверждается высокой сходимостью расчётных данных с результатами экспериментальных исследований.
Результаты, выносимые на защиту:
обоснование выбора диагностических признаков для оценки текущего состояния материала - частота собственных колебаний детали (fсоб.), внутреннее трение (В) и коэффициент полигармоничности колебательного процесса (К);
экспериментальная акустическая установка, для определения величин принятых диагностических признаков;
зависимость критерия в виде угла =аrctg (кривой fсоб.=F(N)), определяемого на начальном этапе усталостной наработки (рис. 5), от ресурса деталей ГТД;
экспериментально-расчётная методика для определения критерия fсоб., при достижении которого происходит разрушение материала детали.
Научная новизна работы:
предложено сочетание схемы подвеса диагностируемой детали и способов ввода-вывода акустического сигнала, минимизирующих влияние граничных условий на величины измеряемых диагностических признаков, и реализованные в оригинальной экспериментальной акустической установке;
впервые выявлены три ярко выраженные фазы изменения собственной частоты колебаний лопаток по ходу усталостной наработки до разрушения;
предложен критерий - угол , который на начальном этапе усталостных испытаний, позволяет прогнозировать остаточный ресурс типовых деталей ГТД;
предложен критерий fсоб., определяемый экспериментально-расчётным путём, который позволяет диагностировать текущее техническое состояние деталей любой формы и размеров, выполненных из одного материала, и расширяет область применения разработанного метода диагностики.
Практическая ценность. На основе принятых интегрально чувствительных диагностических признаков, которые позволяют получать достоверную информацию о структурных изменениях материала в процессе накопления усталостных повреждений, а также на основе разработанной экспериментальной акустической установки, которая с высокой точностью определяет величины диагностических параметров, разработана комплексная методика диагностики текущего технического состояния материала деталей ГТД.
Реализованный в установке метод резонансных колебаний позволяет достоверно исследовать изменение свойств материала, не увеличивая вибрационную наработку диагностируемой детали.
Выявленная связь угла с величиной остаточного ресурса позволяет, на начальном этапе усталостных испытаний, спрогнозировать количество циклов знакопеременного нагружения до разрушения материала, при этом сохраняется пригодность детали для дальнейшей эксплуатации. Таким образом, предлагаемый метод диагностики является неразрушающим.
Разработанная экспериментально-расчётная методика позволяет определить величину критерия - изменение частоты собственных колебаний детали (fсоб.), и значение m кривой усталостной прочности, на основе которых можно оценить её текущее техническое состояние и обоснованно продлить ресурс эксплуатации. Исходное значение частоты собственных колебаний - основной параметр паспорта на деталь перед началом эксплуатации, а её изменение в процессе наработки характеризует генетическую наследственность материала.
Реализация работы. Разработанная резонансная акустическая установка диагностики технического состояния деталей ГТД использована в научно-исследовательских работах в отделе экспериментальной прочности ОАО «НПО «Сатурн». В частности, с её помощью, исследованы изменения собственных амплитудно-частотных параметров лопаток первой и второй ступеней компрессора и второй ступени турбины (унифицированный газогенератор двигателя М70РУ) по мере усталостной наработки до разрушения.
Апробация работы. Отдельные результаты работы:
докладывались на международной школе-конференции молодых учёных, аспирантов и студентов (Рыбинск, октябрь 2006);
докладывались на Российской научно-технической конференции (Рыбинск 2007);
полностью работа докладывалась в Государственном научном центре Летно-исследовательском институте им. М. М. Громова (Жуковский 2010);
внедрены в учебный процесс на кафедре «Авиационные двигатели» РГАТА им. П. А. Соловьёва и используются при обучении студентов по дисциплинам «Приборы и технические измерения», «Динамика и прочность АД и ЭУ» и при проведении практических занятий;
внедрены в производственный процесс на ОАО «НПО «Сатурн»;
- полностью работа докладывалась на заседаниях кафедры «Авиационные двигатели» в Рыбинской государственной авиационной технологической академии.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 5 статей, из которых 2 в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и заключения по работе, списка использованных источников из 89 наименований и 4 приложений. Общий объем – 193 страницы, содержит 61 рисунок, 10 таблиц.
