Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния науки и практического опыта об оценках прочности, надежности и ресурса ГТУ 29
2. Экспериментальные методы оценки напряженности и сопротивляемости переменным напряжениям образцов и деталей ГТУ и использование их для определения надежности. Объекты исследования 53
2.1. Оценка надежности лопаток турбокомпрессоров методом тензометрирования 58
2.1.1 Измерение деформаций основных деталей ГТУ при их эксплуатации и в стендовых условиях 58
2.1.2. Точность измерения переменных механических напряжений 61
2.1.2.1 Дисперсия свойств тензорезисторов, вызванная их нестабильностью 64
2.1.2.2 Дисперсия, вызванная различной жесткостью защемления детали 64
2.1.2.3 Дисперсия, вносимая погрешностью тарирования измерительного тракта 65
2.1.2.4 Дисперсии, определяемые замерами по стрелочному прибору 65
2.2. Регистрация динамических процессов нагруженности деталей.
Частотный, амплитудный и фазовый анализ 68
2.2.1. Регистраторы. Магнитографы и цифровые накопители с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) 69
2.2.2. Обработка данных измерений динамических процессов 69
2.2.2.1. Погрешности при обработке динамических процессов с использованием аналового анализа 72
2.2.2.2. Погрешности обработки динамических процессов при использовании аналого-цифровых преобразователей и при обработке экспериментальных данных в цифровых ЭВМ 76
2.2.2.3. Методы обработки амплитудных данных сложных колебаний 78
2.3. Методы усталостных испытаний деталей и образцов, замковых соединений лопаток турбокомпрессоров 84
2.3.1. Резонансные усталостные испытания консольных лопаток турбин и компрессоров, элементов трубопроводов и других деталей 84
2.3.2. Методы исследования собственных частот, форм и распределения напряжений при колебаниях деталей по высшим формам колебаний 87
2.3.3. Выбор типа вибростенда для усталостных испытаний деталей 90
2.4 Метод усталостных испытаний лопаток турбокомпрессоров при случайных нагрузках 93
2.5. Математические методы анализа результатов усталостных испытаний 95
2.5.1. Методы определения значений пределов выносливости 95
2.6. Методы испытаний на усталость при высоких частотах (15000-20000Герц)и формах колебаний деталей 100
2.7. Методы испытаний на усталость замковых соединений лопаток и дисков в условиях асимметрии цикла 101
2.8. Методы ускоренных .усталостных испытаний 107
3. Особенности вибрационной напряженности лопаток турбокомпрессоров ГТУ в стендовых и эксплуатационных условиях 110
3.1. Анализ вибрационной напряженности деталей ГТУ 111
3.2 Особенности спектра колебаний реальных лопаток ГТУ 118
3.2.1. Динамическая напряженность направляющих лопаток осевого компрессора 122
3.2.2 Динамическая напряженность рабочих лопаток турбины 129
3.2.3. Демпфирование колебаний охлаждаемых лопаток турбины 132
3.3 Влияние эксплуатационных факторов на вибрационную напряженность лопаток силовых установок ГТУ летательных аппаратов 140
4. Усталостная прочность лопаток турбин и компрессоров транспортных ГТУ 151
4.1 Анализ результатов усталостных испытаний деталей при циклических нагрузках 151
4.2 Анализ результатов усталостных испытаний лопаток при случайных колебаниях 158
4.3 Методы повышения усталостной прочности лопаток осевого компрессора ГТУ 165
4.4 Влияние эксплуатационных факторов на усталостную прочность лопаток 184
5 Воздействие эксплуатационной повреждаемости лопаток осевого компрессора посторонними предметами на их усталостную прочность 186
5.1 Экспериментальное исследование усталостной прочности лопаток с повреждениями 191
5.2. Защита от повреждения лопаток и ее влияние на усталостную прочность 196
5.3. Исследование влияния забоин и процессов эрозии на усталостную прочность лопаток 199
5.4 Эффективность применения метода ускоренной оценки усталостной прочности лопаток 212
6. Методология современного определения ресурса деталей машин в условиях переменных напряжений 221
6.1. Надежность и определение ресурса лопаток ГТУ по переменным напряжениям 221
6.2. Расчетное определение числа эксплуатационных циклов нагружения до разрушения лопаток ГТУ 225
6.3. База данных для расчета долговечности лопаток ГТУ 238
Выводы 247
Список литературы 251
- Измерение деформаций основных деталей ГТУ при их эксплуатации и в стендовых условиях
- Резонансные усталостные испытания консольных лопаток турбин и компрессоров, элементов трубопроводов и других деталей
- Влияние эксплуатационных факторов на вибрационную напряженность лопаток силовых установок ГТУ летательных аппаратов
- Методы повышения усталостной прочности лопаток осевого компрессора ГТУ
Введение к работе
Актуальность проведения исследований. Отечественная система поддержания работоспособности турбинных двигателей требует детальной разработки способов повышения и оценки степени безопасности эксплуатации. Анализ современного состояния надежности и работоспособности энергетических и транспортных ГТУ свидетельствует о том, что, несмотря на большой объем работ по совершенствованию этой техники в эксплуатации, наблюдаются следующие типичные опасные происшествия:
Ухудшение состояния проточной части двигателя, приводящее к газодинамической неустойчивости компрессора.
Повреждения лопаток компрессора и турбины.
Трещины и разрушения лопаток (в основном усталостного типа) компрессоров и турбин, валов, дисков и т. д..
Отказы систем управления двигателем.
Увеличение безопасности эксплуатации, повышение прочности, эксплуатационной долговечности, ресурса и надежности узлов авиационных газотурбинных силовых установок (ГТУ), а также точности их априорных оценок – весьма актуальная задача в жизненном цикле турбинных двигателей. Оценки запасов прочности, полученных при стендовых испытаниях машин, недостаточно.
Из представленного перечня видна актуальность темы диссертационной работы - концепция экспериментального обеспечения безопасной эксплуатации, прочности и ресурса газотурбинных установок.
Следует учесть и тот факт, что для вновь поступающих в эксплуатацию транспортных турбомашин остро стоит задача достижения срока службы двигателей до проектного их срока службы.
Эксплуатационная надежность транспортного средства, оснащенного ГТУ, во многом определяется прочностью, долговечностью лопаток турбокомпрессоров. При эксплуатации лопатки турбокомпрессоров подвержены действию значительных случайных переменных и постоянных нагрузок в условиях повышенных температур и агрессивной среды. Количество лопаток в одном двигателе велико, поломка хотя бы одной лопатки может привести к выходу из строя двигателя.
Лопатки турбокомпрессоров изготавливаются из материалов, обладающих высокими механическими свойствами, а также повышенной сопротивляемостью коррозионному и эрозионному разрушению.
Прочность лопаток оценивается расчетно-экспериментальными методами. Характеристики усталости материалов лопаток турбомашин хорошо изучены на цилиндрических образцах при регулярных переменных напряжениях. Сопротивляемость усталости лопаток с учетом конструктивных и эксплуатационных факторов была изучена явно недостаточно. Практически отсутствовали данные об усталости лопаток турбомашин при эксплуатационных случайных напряжениях.
Работоспособность лопаток оценивалась, обычно, по величине запаса прочности по максимальным главным напряжениям, полученным при стендовых испытаниях двигателя.
Данных о структуре эксплуатационной напряженности лопаток турбомашин тоже не было. Вследствие этого процессы накопления усталостных повреждений в эксплуатационных условиях, определяющих безопасность эксплуатации и ресурс, практически не исследовались.
Следует отметить также, что опытных данных, пригодных для вероятностно-статистической оценки прочности и надежности деталей из хромистых, хромоникелевых сталей, титановых и никелевых сплавов, описанных в технической литературе явно недостаточно.
Задачи исследования. Целью работы являлась разработка концепции экспериментального обеспечения безопасной эксплуатации, прочности и ресурса газотурбинных установок.
В задачи работы входило:
Комплексное исследование надежности и вероятности разрушения деталей ГТУ путем изучения вибрационной напряженности и характеристик сопротивления усталости в статистическом аспекте.
Разработка методов оценки циклической долговечности и ресурса на базе экспериментальных данных.
Совершенствование и уточнение методов расчетно-экспериментальной оценки прочности деталей машин для снижения их массы, определения и обоснованного установления ресурса ГТУ
Получение опытных данных о параметрах кривой (функций) распределения пределов усталости моделей, образцов и натурных лопаток турбин и компрессоров, а также данных тензометрирования, представляющих собой спектры напряжений и гистограммы распределений переменных напряжений лопаток в различных условиях их эксплуатации, пригодных для оценок надежности и ресурса деталей.
Исследование особенностей спектра и демпфирования колебаний реальных лопаток в эксплуатационных условиях при резонансных и нерезонансных (узкополосных) колебаниях.
Изучение закономерностей накопления усталостных повреждений с применением методов теории вероятностей, математической статистики и случайных процессов для прочностных расчетов, позволяющее существенно уточнить расчеты прочности и ресурса ГТУ, с учетом некоторые важных конструкционных особенностей ГТУ и эксплуатационных факторов.
Разработка метода оценки уровней эквивалентных циклических напряжений, по повреждающей способности, соответствующих гистограммам случайных нагрузок на базе усталостного эксперимента.
Разработка и применение методики ускоренной оценки степени снижения усталости поврежденных в эксплуатации лопаток осевого компрессора.
Разработка и экспериментальное подтверждение концепции накопления усталостных повреждений и долговечности лопаток по переменным напряжениям с учетом эксплуатационных условий.
Методы исследований. В работе накопление статистических данных об усталости образцов материалов, натурных лопаток и их вибрационных напряжениях в рабочих условиях проводилось следующими приемами:
Натурные испытания лопаток турбомашин при резонансных циклических напряжениях.
Испытания на усталость лопаток при узкополосных случайных, приближенных к реальным эксплуатационным нагрузкам.
Накопление данных о вибрационных напряжениях лопаток при работе двигателя в стендовых условиях.
Изучение методом тензометрирования влияния эксплуатационных условий на вибрационную напряженность лопаток авиационных газотурбинных силовых установок.
Изучение влияния эксплуатационных повреждений лопаток осевого компрессора на их сопротивление усталости.
Одна из главных составляющих анализа эксплуатационной безопасности, прочности, надежности и долговечности являются усталостные испытания лопаток турбомашин или их элементов. Эти испытания проводятся на специальных установках (вибростендах).
Созданы установки для усталостных испытаний лопаток при случайных узкополосных колебаниях, и для испытаний на усталость замковых соединений (лопатка-диск) при высоких частотах нагружения, Проведены и использованы результаты испытаний большого числа рабочих лопаток и образцов различных размеров. Лопатки изготавливались различными технологическими методами. Для определения усталости по вероятностно- статистической схеме в одном испытании расходовались не менее 60 лопаток. Испытания проводились при циклическом и случайном видах нагружения.
Исследование усталости производилось на испытательных машинах резонансного типа с обратной связью (при случайных нагрузках) и периодическим контролем условий проведения эксперимента, что исключало возможные существенные отклонения режимов от заданных.
Существенное повышение эксплуатационной долговечности деталей осевых компрессоров, а, следовательно, безопасности, надежности и ресурса машины в целом, достигается правильным применением методов поверхностного пластического деформирования (ППД). Проблема применения упрочняющей обработки к малоразмерным лопаткам (деталям сложной формы с тонкими кромками), которые изготавливаются из титана и прочных антикоррозионных сталей, весьма актуальна. Важной частью проблемы является правильный выбор режима упрочнения лопаток на установках, обеспечивающих смягченный жидкой средой удар дробинок об обрабатываемую поверхность.
Важная составляющая анализа эксплуатационной безопасности, прочности, надежности и долговечности – это данные о вибрационной напряженности деталей авиационной силовой установки на различных режимах. В работе проведены объемные эксперименты по тензометрированию деталей транспортных ГТУ на различных режимах при разных условиях. Изучена вибрационная напряженность направляющих и рабочих лопаток, рабочих лопаток турбины турбовальных и двухконтурного (четвертого поколения) авиационных ГТД.
Определение вибрационных напряжений производилось методом тензометрирования. Измерялись переменные напряжения при колебаниях лопаток по основному тону и пластинчатым формам высоких собственных частот. Диапазон частот исследования до 35000 герц.
Целью анализа были:
Спектральный анализ переменных напряжений в лопатках
Построение гистограмм уровней переменных напряжений
Кепстральный анализ
Динамический процесс напряженности лопаток турбин и компрессоров современных транспортных ГТУ представляет собой сумму гармонических составляющих и случайных колебаний разной интенсивности.
Спектральный анализ проводился при помощи ЦЭВМ и аналоговым методом.
Гистограммы уровней переменных напряжений строились в зависимости от вида процесса, с применением какого-либо из методов учета амплитуд колебаний. Наиболее часто использовался метод «размахов, превышающих некоторое значение».
В работе представлены также материалы исследования влияния эксплуатационных факторов на вибрационную напряженность лопаток транспортных ГТУ. Материалы получены при тензометрировании лопаток на испытательном стенде с имитацией внешних эксплуатационных условий:
Давления воздуха на входе в компрессор (Р)
Степени пульсации давления на входе в компрессор (DР/Р)
Температура воздуха на входе в компрессор (Т).
Важной проблемой при любом измерении следует считать точность оценок физических величин. В данном случае значений переменных напряжений (деформаций).
Наиболее значимой и наименее определенной является погрешность, вносимая первичным чувствительным элементом и тензометрическим усилителем в измерительной цепи. В технической литературе почти не существует данных о точности измерения величин переменных механических напряжений. Точность измерения переменных напряжений в лопатках и других деталях автором оценивалась экспериментально с применением вероятностно-статистических методов.
Научная новизна. Наиболее существенными новыми научными результатами, содержащимися в диссертационной работе, являются следующие:
Разработана и предложена концепция безопасности эксплуатации, надежности и ресурса по накоплению усталостных повреждений лопаток авиационных двигателей последних поколений, учитывающая наработку летательного аппарата на разных режимах. Подход основан на гипотезе параллельного накопления усталостного повреждения при колебаниях лопатки на разных режимах ГТУ при колебаниях по различным формам колебаний в наиболее напряженных частях лопатки при конкретной форме колебаний (до 35000герц).
Разработан метод и проведены усталостные испытания рабочих лопаток турбины на частоте, близкой к частоте основного тона (первая изгибная форма) лопаток при случайных узкополосных колебаниях. Эксперимент проведен с устойчивой обратной связью в течение всего опыта и регистрацией начала разрушения по малому изменению собственной частоты колебаний.
На основе разработанного метода и проведенных опытов установлено, что распределение чисел циклов до усталостного разрушения лопаток при случайных нагрузках подчиняется логарифмически – нормальному закону распределения.
Разработана теоретически и обоснована экспериментально формула оценки величин регулярных нагружений, эквивалентных по повреждающему действию эксплуатационному режиму нагружения лопаток и методика определения их параметров. Метод основан на использовании результатов обработки гистограмм эксплуатационного режима нагружения.
Установлена возможность применения обобщенных параметров упрочнения для определения оптимальных режимов виброгалтовки лопаток осевого компрессора на установках, использующих гидравлическую прослойку для смягчения удара шарика об обрабатываемую поверхность. Величина передела усталости лопаток повышена на 10-30%.
Исследована структура переменной напряженности лопаток авиационных двигателей с высоким значением pк. Наряду с гармониками, связанными с неравномерностью газового потока, выявлен сравнительно высокий уровень переменных напряжений случайного характера в широком диапазоне частот вызванный высокой турбулентностью газовоздушного потока. Построены гистограммы переменных напряжений лопаток на различных режимах работы двигателя.
Предложена поправка линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений и определены ее параметры применительно к материалам лопаток турбомашин.
Разработан алгоритм учета влияния эксплуатационных условий на характер и уровень переменных напряжений в лопатках компрессора и турбины.
Разработан и обоснован метод оценки степени снижения усталости поврежденных лопаток осевого компрессора с эксплуатационными забоинами различного типа. Метод основан на использовании ускоренного способа определения пределов выносливости.
Практическая ценность. Практическая ценность работы состоит в следующем:
Перечисленные мероприятия и средства повышения безопасности эксплуатации, прочности и ресурса лопаток компрессоров и турбин ГТУ внедрены в практику ОАО «Завод им. В.Я. Климова» в 1970-2005годах.
Разработан метод оценки регулярных нагружений в деталях, эквивалентных по своему повреждающему действию эксплуатационному режиму переменных нагружений в полетном цикле.
Автором показана возможность использования обобщенных параметров упрочнения, разработанных для сухой дробеметной обработки, при определении оптимальных режимов упрочнения на установках с гидравлическим ударом. Величины обобщенных параметров упрочнения при использовании различных способов могут сравниваться между собой с учетом относительного количества жидкости в рабочей смеси. Усталостная прочность лопаток осевых компрессоров, изготавливаемых холодным вальцеванием, существенно повышена после применения упрочняющей обработки, включающей виброупрочнение стальными шариками. Установлено, что разработанная методика упрочняющей обработки повысила предел усталости профилированных частей рабочих лопаток осевого компрессора на »27%.
Разработана методика испытаний лопаток на частоте близкой к частоте основного тона лопаток при случайных узкополосных нагружениях.
Разработан метод оценки степени снижения усталости поврежденных эксплуатационными забоинами различного типа лопаток осевого компрессора.
Исследовано влияние внешних эксплуатационных условий на структуру и уровень переменных напряжений в лопатках компрессора и турбины авиационной силовой ГТУ.
Предложен подход к оценке безопасности, надежности и долговечности лопаток (каких?), основанный на гипотезе параллельного накопления усталостного повреждения при колебаниях лопатки на разных режимах при колебаниях по различным формам колебаний.
Материалы работы изложены в методиках, инструкциях, технических отчетах с участием автора ОАО «Завод им. В.Я. Климова» в 1970-2005годах.
Основные результаты работы докладывались на 17 симпозиумах, конференциях и семинарах.
По теме диссертации автором опубликовано 44 научные работы.
Диссертация состоит из введения, шести разделов и заключения, списка использованной литературы.
Измерение деформаций основных деталей ГТУ при их эксплуатации и в стендовых условиях
Основные этапы доводки ГТУ в процессе ее сертификации содержат следующие работы: отработка работоспособности конструкции до требуемого ресурса; отработка необходимых характеристик и эксплуатационных свойств ГТУ при требуемом ресурсе (стендовыми испытаниями). обеспечение целесообразного уровня надежности достаточного для начала эксплуатации (путем стендовых и летных испытаний). Этап обеспечения требуемого уровня надежности включает в себя серию специальных испытаний по определению уровня напряжений в деталях и узлах двигателя (тензометрирование), по определению вибрационного состояния двигателя (вибрографирование), определение запаса газодинамической устойчивости и т.д., а также проведение эксплуатационных испытаний и некоторого числа длительных испытаний, которые завершаются государственными испытаниями. Главная цель доводочных испытаний состоит в получении основных заданных параметров двигателя (Ne, Се и т.д.) и достаточной его прочности и надежности. Опытная доводка ГТУ сопровождается моделированием, как методом исследований характеристик машин. Применялись три основных метода моделирования: Математическое моделирование; Физическое моделирование; Полунатурное моделирование. В работе использовались все упомянутые методы. Эффективность доводочных мероприятий проверяется при испытаниях двигателей на стендах в наземных условиях, на стендах, имитирующих условия работы силовой установки в эксплуатации. Особенно трудоемкой частью доводочных экспериментальных работ является комплекс специальных испытаний, предусмотренный для проверки выполнения требований НЛГ: оценка прочности (проверка работы двигателя при максимально возможной в эксплуатации температуры газов перед турбиной, тензометрирование лопаток компрессора и турбины, исследование вибрационного состояния двигателя и др.); определение специальных характеристик (испытания с отбором воздуха, проверка ГДУ и т. д.); контроль отдельных систем и узлов двигателя (проверка эффективности систем двигателя в различных атмосферных условиях и т. Д.) Все виды доводочных испытаний проводят в основном на обычных и специальных заводских стендах. Экспериментальные стенды обеспечивают выполнение всех видов работ, предусмотренных различными программами испытаний. Для этого их оснащают необходимым комплексом оборудования, как правило, включающем систему измерений и регистрации параметров ГТУ в процессе испытания. Испытательные стенды по назначению можно подразделить на следующие типы: для испытаний полноразмерного двигателя; для автономных испытаний узлов (компрессоров, камер сгорания, турбин, выхлопных устройств, входных устройств и т.д.); для испытаний отдельных элементов, моделей, агрегатов и др.
В свою очередь, стенды для испытаний полноразмерных двигателей могут быть открытого типа и высотные. При испытаниях на стендах открытого типа реализуются условия, соответствующие работе двигателя на земле (Мп=0 и /4=0). На них выполняются большие объемы испытаний для установления соответствия НЛГ основных данных, характеристик отдельных элементов, ресурса.
Высотные стенды применяют для определения высотно-скоростных характеристик, проверки надежности запуска в полете, определения условий совместной работы входного устройства с ПЗУ, свободной турбины и выходного устройства. По сравнению с летными испытаниями эксперименты на высотных стендах позволяют получить более точные и надежные данные благодаря использованию большего количества специализированной измерительной аппаратуры, возможности непосредственного измерения мощности и более широкому диапазону изменения параметров. На рисунке 2.1 представлена схема размещения испытуемого двигателя в термобарокамере (ТБК).
Оценка долговечности и ресурса деталей машин по усталости всегда основывается на опытном исследовании характеристик необходимых для расчета. Тензометрирование - это основное средство определения степени вибронапряженности деталей турбомашин. Хорошо известный бесконтактный дискретно - фазовый метод не получил распространения соизмеримого с тензометрированием.
Объектом исследования в работе служили узлы, детали, модели и образцы деталей вертолетного газотурбинного двигателя со свободной турбиной и двухконтурного ГТД, предназначенного для самолета.
Исследовалась усталость лопаток турбокомпрессоров и моделей их замковых соединений. Собственные частоты и формы колебаний изучались с использованием лопаток и моделей.
Резонансные усталостные испытания консольных лопаток турбин и компрессоров, элементов трубопроводов и других деталей
При обработке осциллограмм в этом методе за амплитуду напряжений принимают половину размаха между двумя соседними экстремумами процесса, при этом учитываются все экстремумы. На рисунке аі, т2, С73 и т.д. По отдельной выборке определяются все экстремумы и по ним, строятся гистограммы действующих переменных напряжений. Если выборка достаточно представительна, то по ней можно оценить долговечность конструкции по переменным напряжениям. Одной из разновидностей этого метода считается метод размахов не превышающих заданное значение. Этим значением может быть 0,5а.ь т.е. величина составляющая половину от величины предела выносливости при симметричном цикле нагрузки. Может быть какая либо другая величина.
Метод пары размахов [1.17]можно рассмотреть на примере рис.2.9. В этом методе циклом считается размах деформаций, если ему в качестве пары можно найти соответствующий той же величины обратного направления размах деформации. При сложном процессе деформации некоторые размахи, принимаемые за циклы являются простыми. Простыми назовем те размахи, в течении которых деформация не меняет знака. Существуют размахи, прерываемые меньшими размахами, эти меньшие размахи тоже следует воспринимать как циклы добавляющие свою долю в процесс накопления усталостного повреждения. На рисунке учитываемые размахи отмечены сплошной линией, а парные им — пунктирной. Каждый пик по порядку берется как начальный пик размаха, за исключением пиков, пропускаемых потому, что они уже были учтены в паре с прежде учтенными размахами. Если начальный пик размаха min, то циклом считается дистанция между этим min и наибольшим положительным max, который встретится, прежде чем деформации не примут значения меньшего, чем начальный пик размаха. Например, на рисунке 2.9 цикл определяется между 1 и 8 пиками, 8 пик - наибольший положительный max, который встречается, прежде чем деформации не станут более отрицательными, чем пик 1. Если начальный пик размаха max, циклом считается расстояние между этим max и наибольшим отрицательным min, который встретится прежде, чем деформации не станут более положительными, чем начальный пик размаха. На рисунке 2.9 циклом определяется расстояние между 2 и 3 пиками, 3 пик - это наиболее отрицательный min, который встречается, прежде, чем деформации не станут более положительными, чем пик 2. Каждый учитываемый размах объединяется со следующим, деформированием равной величины и противоположного знака, т.о. подсчитывается количество полных циклов, а не полуциклов. Так, например, на рисунке 2.9 часть размаха между 8 и 9 пиками объединяется с размахом между пиками 1 и 8.
Метод подсчета циклов по течению дождя с крыши пагоды показан на рисунке 2.10. Процесс деформирования (как и в предшествующем методе) изображен так, что ось времени проходит сверху вниз вертикально, а линии, соединяющие пики деформаций, похожи на ряд крыш пагод. Для определения циклов и полуциклов применяются некоторые правила, которым подчиняются капли дождя, стекающие с этих крыш. Течение дождя начинается последовательно изнутри каждого пика деформаций. Течение, начинаясь в каждом пике, может пролиться вниз и продолжиться, причем начинаясь в минимуме, оно останавливается не доходя до минимума, более отрицательного, чем тот, от которого оно началось. На рисунке 2.10 течение начинается с пика 1 и останавливается не доходя до пика 9, который более отрицателен, чем 1. Полцикла считается между 1 и 8 пиками. Аналогично, если течение начинается в максимуме, оно должно остановиться не доходя до максимума, который окажется более положительным, чем тот, с которого течение началось. Например, течение ( рис. 2.10 ) начинается с пика 2 и останавливается, не доходя до пика 4. Половину цикла учитываем между 2 и 3 пиками.
Течение должно остановиться также, если оно встретится с потоком текущим с более высокой крыши. Так на нашем рисунке полуцикл, начинающийся с пика 3, заканчивается под пиком 3. Важно заметить, что каждая часть процесса деформирования учитывается один и лишь один раз.
Используя описанную процедуру к сложному процессу деформирования, учитываются полуциклы между наибольшим положительным max и наименьшим отрицательным min. Предположим, что в процессе деформирования наибольший положительный max встречается раньше, чем наименьший отрицательный min. Полуциклы учитываются также между наибольшим положительным max и наименьшим отрицательным min, который в процессе деформирования встречается раньше его; между этим min и наибольшим положительным max, опережающим его, и т.д. до начала процесса. После наименьшего отрицательного min в процессе деформирования учитываются полуциклы, которые заканчиваются в наибольшем положительном max, следующем за ним в процессе, в наименьшем отрицательном min, следующим за этим max и т.д. до конца процесса деформирования. Размахи деформаций, учитываемые в полуциклах, поэтому увеличиваются до max, а затем убывают.
Влияние эксплуатационных факторов на вибрационную напряженность лопаток силовых установок ГТУ летательных аппаратов
В разделе рассматриваются результаты исследования вибрационной напряженности лопаток турбокомпрессоров ГТУ в стендовых и эксплуатационных условиях.
Особенность всех современных авиационных газотурбинных двигателей заключается в ажурности и высокой напряженности наиболее ответственных деталей. Лопатки осевых компрессоров и газовых турбин подвержены сложному комплексу нагрузок и работают в агрессивных средах.
На ГТУ и её узлы и детали действуют значительные усилия как статические, так и динамические. По опыту газотурбостроения главная причина ненадежности (или непрочности) вновь разрабатываемых и изготавливаемых машин -недопустимый уровень колебаний или вибраций их корпусов, узлов или деталей. Ответственными за надежность и безопасность эксплуатации лопаток считаются переменные механические напряжения [3.1][3.2]. Исходная надежность и эксплуатационная долговечность лопаток непосредственно зависят от уровня переменных механических напряжений [3.1] Эксплуатационная повреждаемость в виде коррозии, эрозии или механических повреждений проявляется и действует более активно при высоких переменных напряжениях. Исследование вибронапряженности необходимо для оценки запасов прочности и показателей надежности лопаток современных высоконагруженных авиационных двигателей. Проблема усложняется тем, что колебательные процессы плохо подлежат расчетному прогнозу. Сложность расчетов колебаний деталей и узлов ГТУ вызвана тем, что - это механические системы с большим числом степеней свободы и сложными упругими связями. Кроме того плохо поддаются расчету силы трения. Вибрационные процессы деталей авиационных ГТД относятся к группе случайных или смешанных процессов. С некоторыми допущениями (постоянство оборотов роторной системы и условий входа в двигатель) эти процессы можно отнести к разряду стационарных и эргодических случайных процессов. Колебания лопаток турбомашин связны с газодинамическими процессами в газовоздушном тракте двигателя. Изучение процессов накопления усталостных повреждений при колебаниях лопаток связаны с наблюдением возбуждающих явлений и отклика лопаток, как механических колебательных систем на эти возбуждения. Процессы возбуждения можно назвать входными, колебания деталей - выходными. Преобразование энергии возбуждающего колебания входного процесса в опасные по усталости вибрации лопаток в широком диапазоне собственных частот и многорежимном двигателе можно представить одной из таких моделей: Модель с одним выходом; Модель с одним входом и несколькими выходами. Удобно рассматривать линейные механические системы, которые располагают неизменными во времени параметрами, а входные и выходные процессы линейно связаны между собой. Они располагают следующими свойствами: Аддитивности, ее реакцию на сумму двух входных сигналов равна сумме реакций на каждый сигнал в отдельности; Здесь х; значение сигнала, - реакция системы на Однородности, т.е. реакция ее на произведение постоянной и входного сигнала равна произведению этой постоянной и реакции, вызванной одним лишь сигналом; (с х)=с (х). Условие неизменности частоты вращения роторных систем двигателя и условий во входном устройстве (полное давление и температура воздуха) позволяет отнести исследованные механические системы к числу линейных. Газовый поток в ГТУ UH (рис. 3.1), располагающий некоторой неравномерностью x(t) можно считать реализацией входного эргодического процесса. Процесс динамической напряженности лопаток - выходной реализацией y(t). Динамические свойства этой механической системы описываются импульсной переходной функцией («весовая функция»). Она определяется как реакция в произвольный момент времени на импульсное воздействие, поступившее на вход системы за временя т. Для любого входного сигнала x(t) выход системы y(t) задается интегралом свертки: здесь h(r)=0 — «весовая функция», при т 0, если система физически реальна, т.е. она реагировала только на прошлые значения сигнала.
Методы повышения усталостной прочности лопаток осевого компрессора ГТУ
Механический дробеметный способ упрочнения лопаток осевых компрессоров с жидкостной пленкой реализуется в установках для гидрогалтовки, виброгалтовки дробью или шариками [1.23].
Сухое дробеструйное упрочнение для обработки малоразмерных лопаток осевого компрессора не применяются.
Рабочая смесь при гидрогалтовке: шарики или дробь (стальные или стеклянные) и жидкость (сульфофрезол, эмульсия). Как и при других способах упрочнения скорость соударения дробинки о поверхность детали является одним из определяющих параметров упрочнения. Она складывается из собственно скорости дроби и скорости вращения кассеты с лопатками вокруг главного шпинделя и собственной оси. На ри.4.7 представленные стеклянные шарики с увеличением в 100 раз, применяемые для упрочнения и повышения чистоты поверхности малогабаритных лопаток осевого компрессора.
Особенность гидрогалтовочных машин заключается в возможности использования мелкой дроби, стеклянных и кварцевых шариков. На гидрогалтовочных машинах упрочняются лопатки различных размеров, геометрической формы и материала. Допустимая и оптимальная скорости соударения определяются маркой материала, твердостью и радиусами кромок лопаток.
Распределение остаточных напряжений в детали после пневмо-гидродробеструйной обработки и гидрогалтовки отличается равномерностью. Резкие подслойные максимумы, объясняемые тепловым эффектом при сухом ударе дробинок, отсутствуют. Более плавные максимумы после упрочнения с жидкостной прослойкой располагаются ближе к поверхности.
Виброобработка [4.6] [4.7] с целью повышения выносливости создает еще более мягкие условия соударения шарика и детали. Это предполагает широкие возможности применения вибрационных установок для упрочнения деталей с очень тонкими стенками из мягких материалов. В зависимости от назначения виброустановки могут быть одно-, двух- и трехкоординатными.
При вибрационной обработке детали могут крепиться на неподвижной стойке или на подвижной части. Иногда детали не закрепляются и загружаются в контейнер вместе с рабочей смесью. Рабочая масса при виброобработке состоит из рабочих тел и рабочей жидкости. В качестве рабочих тел используется абразивные гранулы или стальные шарики. Гранулы абразива могут быть различной твердости, формы и материала. Стальные полированные шарики разного диаметра изготавливаются из твердых сталей. Увеличение предела выносливости образцов и деталей обнаружено как при виброобработке абразивом так и стальными полированными шариками. Эффективность упрочнения стальными шариками определяют следующие параметры: V - скорость соударения шариков с деталью, G - объем шариков в контейнере, D - диаметр шариков. Абсолютная скорость соударения V определяется виброскоростью подвижной части установки. В практике широко исполъзуются трехкоординатные установки с механическим вибратором для объемного виброупрочнения [1.26]. Коэффициенты виброперегрузки и виброскорости этой машины в соответствующих направлениях определяется так: Виброобработка стальными шариками на любых режимах положительно влияет на выносливость деталей. На режимах с малыми виброскоростями выносливость повышается за счет улучшения чистоты поверхности пластическим деформированием микронеровностей. Высокие виброскорости способствуют возникновению на поверхности наклепа и сжимающих напряжений. Чистота поверхности по отношению к исходной увеличивается. Уменьшение "резкости" удара о поверхность детали за счет уменьшения абсолютной скорости дроби и использования жидкостной прослойки позволило расширить диапазон применения обработки дробью. Упрочнение мелких деталей ажурной формы из мягких сталей и сплавов
оказывается весьма эффективным. Это остро ставит задачу применения общих объективных критериев для выбора оптимальных режимов упрочнения при новых видах обработки дробью или шариками. Выбор оптимального режима упрочнения детали целесообразно разделить на две стадии: 1. Оценку требуемой степени наклепанности, глубины слоя и остаточных напряжений, исходя из геометрических размеров, вида нагруженного состояния детали. 2. Выбор метода п.п.д. и режимов с учетом данных пункта 1 и особенностей детали. Для решения первой задачи применительно к деталям из сплавов малой и средней твердости используются соответствующие выражения М.Н.Степнова, В.Лингарта или С.В.Серенсена [4.8]. Наиболее удобна простая зависимость С.В.Серенсена:
