Расчётно-экспериментальное исследование влияния упрочнения методом ППД на малоцикловую усталость деталей ГТД с концентраторами напряжений

Портер Александр Маркович; Букатый Станислав Алексеевич; Лёшин Дмитрий Павлович; Букатый Алексей Станиславович

УДК: 621.438:539.431: 621.787

РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УПРОЧНЕНИЯ МЕТОДОМ ППД НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ ДЕТАЛЕЙ ГТД С КОНЦЕНТРАТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЙ

1ОАО «Научно-производственное объединение «Сатурн», г. Рыбинск Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

3

Ярославский государственный технический университет

Разработана методика КЭ-моделирования напряжённо-деформированного состояния деталей ГТД в зоне концентрации напряжений с учётом остаточных напряжений после упрочняющей обработки методом поверхностного пластического деформирования (ППД). На примере диска компрессора низкого давления рассмотрено НДС в замковом соединении типа «ласточкин хвост» после упрочнения микрошариками. Расчёты и испытания образцов и дисков на малоцикловую усталость на стенде УИР-3 подтвердили эффективность упрочнения методом ППД в зоне концентрации напряжений.

Малоцикловая усталость, детали ГТД с концентраторами напряжений, повреждаемость, упрочнение ППД, остаточные напряжения, испытания на МЦУ, прогнозирование долговечности.

В настоящее время повышение надёжности и ресурса ГТД связано с увеличением сопротивления малоцикловой усталости (МЦУ) основных деталей, к числу которых относятся диски 1-й ступени компрессора низкого давления двигателей Д-30КУ-154. Опыт эксплуатации двигателей и натурные испытания дисков показывают, что наиболее нагруженными областями диска являются зоны концентрации напряжений в замковом соединении типа «ласточкин хвост» (рис. 1), где происходит образование усталостной трещины в радиусе перехода от дна к боковой поверхности лопаточных пазов вблизи заднего торца диска. Для предотвращения возможных обрывов части обода диска, которые приводят к нелокализованным отказам, на ОАО «НПО «Сатурн» были проведены исследовательские работы по устранению данного дефекта.

Конечно-элементный анализ напряжённо-деформированного состояния (НДС) в системе подтвердил, что место за-

рождения усталостной трещины на диске совпадает с зоной максимальной концентрации окружных и первых главных напряжений (рис. 2 - 3).

Расчёты показали (рис.4), что в зоне концентрации напряжения, превышающие предел текучести, локализованы в тонком поверхностном слое и на глубине 0.4 мм они

Имитатор

рабочей

лопатки

Замковый

выступ

диска

Рис. 1. Образование трещины в замке диска 1 ст. КНД при испытаниях на установке УИР-3

становятся меньше 800 МПа, т. е. находятся в упругой области для материала ВТ3-1. Следовательно, для восстановления работоспособности дисков можно удалять поверхностный слой материала с максимальными повреждениями, образующимися при пластическом деформировании в процессе эксплуатации. С этой целью на ОАО «НПО «Сатурн» введена операция перепротяжки радиусной части пазов дисков на глубину 0.5 ±0.1 мм (рис. 5), устраняющая повреждённый слой [1].

Рис. 2. Распределение окружных напряжений в диске 1 ступени КНД на взлетном режиме работы двигателя Д-30КУ-154

Для повышения работоспособности дисков после перепротяжки используется ППД - упрочнение обода и пазов диска микрошариками, которое наводит в поверхностном слое материала детали сжимающие остаточные напряжения (ОН). Упрочнение дисков осуществляется на роботизированной установке Vapor Blast фирмы Rosier. Для определения эффективных режимов упрочнения из ободной части некондиционных дисков вырезались опытные образцы для определения ОН и проведения испытаний на МЦУ (рис. 6).

Для проведения сравнительных испытаний образцы вырезали из следующих ти-

Рис.З. Распределение первых главных напряжений в диске 1 ступени КНД

пов дисков: а) нового без наработки (брак при изготовлении); б) прошедшего эквивалентно-циклические испытания (ЭЦИ) на УИР-3; в) бывшего в эксплуатации на двигателе Д-30КУ-154 с наработкой 17995 часов / 5545 циклов; г) из диска варианта в) с доработкой перепротяжкой и упрочнением. Результаты определения поверхностных ОН рентгеновским методом в исходном состоянии дисков в левом и правом радиусах замка показали рассеяние в пределах +20...-290 МПа.

Три образца после перепротяжки подвергались упрочнению по всему лопаточному пазу стальными микрошариками диаметром 300-500 мкм при давлении воздуха

0,1 МПа. Режим упрочнения определяли по распределению наибольших по величине ОН, эпюры которых после упрочнения на различных режимах показаны на рис. 7.

Испытания образцов на МЦУ проводили при консольной схеме крепления (рис. В) на установке фирмы MTS модели 322 с толкающим усилием P = 2,5 ±0,1 кН по отнуле-вому трапецеидальному циклу нагружения частотой f = 0,25 Гц. Уровень напряжений cmax = 1160 ±15 МПа контролировали тен-зометрическим методом.

Рис.4. Значение первых главных напряжений на глубине 0,4 мм в зоне с максимальной концентрацией на взлетном режиме работы двигателя Д-30КУ-154

Остаточные напряжения, МПа

Вид А

Б-Б

нормально к оснодоиию позо

Б-Б

нормально к іоснованию позо

серийный дариаит паза

перепротиутш паз

Рис. 5. Эскизы диска 1 ст. КНД, исходного и перепротянутого пазов

Рис. 6. Образец для испытаний на МЦУ

Рис. 8. Схема нагружения образца

Глубина травления h, мкм

Рис. 7. Эпюры остаточных напряжений после упрочнения микрошариками на установке Vapor Blast фирмы Rosier

Испытание прекращалось, когда падение нагрузки при появлении трещин составляло ~ 0,10...0,15 кН. При этом в радиусе замка в образцах в нагруженном состоянии фиксировали трещину, наличие которой подтверждалось методом цветной дефектоскопии.

Результаты испытания образцов представлены в табл. 1. Анализ результатов показал, что циклическая долговечность пере-протянутых и упрочненных образцов в 3 - 4 раза больше долговечности образцов из серийных дисков.

Наряду с образцами были проведены сравнительные ЭЦИ четырёх дисков с приблизительно одинаковой наработкой в составе

Таблица 1. Результаты испытаний опытных образцов на МЦУ

№ образца Количество циклов до разрушения

Образцы из диска без наработки Образцы из диска с наработкой при ЭЦИ 9658 циклов Образцы из диска с наработкой в эксплуатации 17995час/ 5545циклов Образцы из диска с наработкой в эксплуатации, после перепротяж-ки и упрочнения

1 14629 12909 9666 58000

2 14242 3522 20900 51762

3 10247 9600 13344 42000

4 19907 - - -

Среднее количество циклов 14756 8677 14637 50587

двигателей. Два диска проходили в исходном альной установке для испытания роторов

состоянии и два после перепротяжки с по- УИР-3, схема и фотография которой показа-

следующим упрочнением по описанной вы- ны на рис. 9 и 10. Результаты испытаний

ше технологии. ЭЦИ проводили на специ- представлены в табл. 2.

Привод от двигателя

К МуЛЬТИПЛИКіІТОР'ІМ

Рис. 9. Схема установки для испытания роторов УИР-3

Рис. 10. Фотографии установки УИР-3 и диска 1 ступени КНД с имитаторами рабочих лопаток

Для разработки расчётной методики оценки влияния перепротяжки и последующего упрочнения на НДС и долговечность в системе ANSYS были разработаны КЭ-модели образцов и дисков с перепротянутым и упрочнённым замковым соединением типа «ласточкин хвост». В основу расчётной методики, учитывающей ППД, положено моделирование эпюры остаточных напряжений [2], образовавшихся в поверхностном слое детали при упрочнении перепротянутого паза. В моделях диска компрессора и образца, вырезанного из диска, выделяется поверхностный слой в виде объёма упрочнённого материала с ОН. Толщина поверхностного слоя равна глубине залегания сжимающих ОН. Модель упрочнённого паза представляет собой совокупность объёмов, моделирующих стенки паза, основание паза и две выкружки, полученные перепротяжкой.

После построения геометрии диска осуществляется разметка модели конечными элементами. Основной объём размечается элементами Solid 45, объёмы поверхностного слоя - Solid-Shell 190. Процедура загрузки напряжений в размеченные объёмы осуществляется средствами ANSYS. Каждый отдельно взятый объём поверхностного слоя представляет собой выборку элементов, в которые загружается эпюра напряжений. Элемент поверхностного слоя имеет послойную структуру, состоящую из точек интегрирования. Эпюра напряжений разделяется на точки, число которых равно числу точек интегрирования по толщине элемента. Для задания последовательности команд с параметрами каждого слоя, составляющего элемент, создается «*.ist» файл следующей структуры (рис. 11):

Здесь 1-я позиция - номер элемента, 2-я -

/CSYS,0

,1,1,1,0,69,0,0,0,0

,2,1

,3,1

,4,1

,1,1

,2,1

1.0.69.0.0.0.0

2.0.72.0.0.0.0

и т.д.,

Рис. 11. Структура *.ist файла

точки интегрирования элемента, 3-я - номер слоя, 4-я - точки интегрирования слоя, остальные позиции - шесть компонент загружаемых напряжений. Последовательно выделяя выборки элементов, принадлежащих каждому из объёмов, считываем «.*ist» файл командой «inis, read», в результате чего загружаем эпюру напряжений в точки интегрирования элементов выбранного объёма. Последовательно загружая файл напряжений в каждый из объёмов, получаем поверхностный слой детали с загруженной эпюрой сжимающих напряжений.

Перераспределение напряжений в поверхностном слое рассчитывается на первом шаге нагружения, в результате чего получаем модель диска компрессора с распределением ОН в поверхностном слое упрочнённых пазов и деформациями от загруженных напряжений. На втором шаге нагружения рассчитывается НДС диска от прочих нагрузок, которым подвергается диск в рабочих условиях.

Расчёт циклической долговечности образцов и дисков проводился методом универсальных наклонов по модифицированной в ЦИАМ формуле Мэнсона:

Г 1 л0,6

Ae =

s -s

дл ^r

E(t)

ln

1-y(t)

T-0,6

N', (1)

где Ав - интенсивность размахов деформаций за цикл нагружения; адл и аш -

соответственно предел длительной прочности материала и среднее напряжение в цикле, МПа; Е(1) - модуль упругости материала дисков, МПа; у(^) -относительное сужение материала с учетом длительности работы и температуры.

Интенсивность размахов деформаций определяли по формуле /2

As=— [(As x -As y )2 + (As y -As Z )

3

+

3

+ (AsZ -Asxr + 2(AYXy +Aryz + AYXz)

(2)

где Ав х, Ав у, Ав г - размахи составляющих линейной относительной деформации; Ауху, А/уг, Аухг - размахи составляющих относительной деформации сдвига.

Таблица 2. Результаты сравнительных испытаний и расчётов долговечности опытных образцов и дисков на МЦУ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Количество циклов до разрушения

Долговечность опытных образцов Долговечность дисков

Варианты Опытные образцы без упрочнения ППД Опытные образцы с упрочнением ППД Диски без упрочнения ППД Диски с упрочнением ППД

Результаты испытаний 3 (14756+8677+14637)= =12690 50587 3(5874+7635) = =6755 3(24835+29400)= =27118

Результаты расчётов 10490 51210 9556 46100

Эффективность экспер./расчётн. 4 / 4,9 4 / 4,8

Интенсивность размахов деформаций с разделением на упругую Ав * и пластическую Авр1 составляющие в опасной точке детали определяли по формуле 3

As =

pi

(3)

2(1 + т)

где ц - коэффициент Пуассона.

В настоящее время отсутствуют чёткие и достаточно эффективные рекомендации по определению среднего напряжения цикла ош при сложном напряженном состоянии. Поэтому в данной работе проверяли различные варианты с использованием как октаэдрических (средних) напряжений, так и интенсивностей и размахов напряжений. Наиболее близкие к эксперименту были результаты расчётов, основанные на гипотезе о наибольшем влиянии на малоцикловую прочность максимальных по величине главных напряжений и их интенсивностей при нагружении и разгрузке:

"-,,1 =1 Кф+<згр),

(4)

s 2 =-(стнагр + стразгр

ш,2 2 •

).

Расчёты показали, что в силу различия типов НДС образцов, нагружаемых изгибом, и дисков, нагружаемых центробежными си-

лами, для оценки долговечности наиболее близкие к эксперименту результаты показывают для образцов 1-й и для дисков 2-й варианты определения ош.

Результаты расчётов долговечности образцов и дисков без упрочнения и с упрочнением, приведённые в табл. 2, так же как и результаты испытаний, подтверждают достаточно большую эффективность применения упрочняющих технологий методом ППД для повышения долговечности не только в многоцикловой, но и в малоцикловой области.

Библиографический список

1. Разработка мероприятий по повышению ресурса дисков I и II ступеней КВД двигателей Д-30КП и Д-30КУ-154 [Текст] / А.М. Портер, С. А. Букатый, Н.Г. Маслова [и др.] // Вестн. Рыбинской гос. авиац. технол. академ. им. П. А. Соловьёва: сб. науч. тр. - Рыбинск, 2007. -№ 2 (12). - 179с. - С. 67-71.

2. Букатый, А.С. Разработка метода определения режимов упрочнения тонкостенных деталей ГТД на основе исследования технологических остаточных напряжений и деформаций [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук : 01.02.06; 05.07.05 / СГАУ. / АС. Букатый. - Самара, 2009. -16 с.

EXPERIMENT-CALCULATED RESEARCH OF THE INFLUENCE OF THE SHOT-PEENING STRENGTHENING UPON THE LOW-CYCLE FATIGUE OF THE GAS TURBINE PARTS WITH THE STRESS CONCENTRATOR

1«NPO «Saturn» Corporation, Rybinsk 2 Rybinsk state aviation technological academy 3Yaroslavl state technical university

The finite-element technique of the deflected mode of the gas turbine parts in the stress concentration zone with the residual stress after shot-peening strengthening has been developed here. The deflected mode in the interlock of the type “dovetail” after shot-peening strengthening is examined on the example of the low pressure compressor disc. Calculations and low-cycle fatigue tests of the samples and disks performed on the test stand “UIR-3” verified the effectiveness of the surface plastic deformation strengthening in the stress concentration zone.

Low-cycle fatigue, gas turbine parts with the stress concentrator, damageability, surface plastic deformation strengthening, residual stress', low-cycle fatigue test, durability prediction.

Информация об авторах

Портер Александр Маркович, кандидат технических наук, начальник отдела Научнопроизводственного объединения «Сатурн». Тел.: (4855) 296-012; 903-821-69-97. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: остаточные напряжения и деформации, упрочняющие технологии, компьютерное моделирование и расчёты на прочность.

Букатый Станислав Алексеевич, доктор технических наук, профессоp Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева; директор ООО Научно-коммерческой фирмы «СБК». Тел.: (4855) 213-964; (4855) 216-504, 9108137542. E-mail: bukaty [email protected]. Область научных интересов: остаточные напряжения и деформации, упрочняющие технологии, малоцикловая усталость, механика разрушения.

Лёшин Дмитрий Павлович, инженер Научно-производственного объединения «Сатурн», г. Ярославль. Тел.: (4855) 296-012; (4855) 216-504, (9206527001). E-mail: [email protected]. Область научных интересов: малоцикловая усталость, прочность газотурбинных двигателей.

Букатый Алексей Станиславович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения» Ярославского государственного технического университета. Тел.: (4852) 44-15-19; (4855) 216-504, 9206527001. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: остаточные напряжения и деформации, упрочняющие технологии, компьютерное моделирование и расчёты на прочность.

Porter Aleksandr Markovich, сandidate of science, Head of "Engineering department of analysis and service life management" of ”NPO ”Saturn” Corporation. Rybinsk city, Yaroslavl region. Phone: (4855) 296-012; 9038216997. E-mail: [email protected]. Area of research: gas turbine reliability and durability, low-cycle fatigue and long-term strength.

Bukatyi Stanislav Alekseevich, doctor of Science, professor of the chair "Theoretical mechanic and strength of materials" of Rybinsk state aviation technological academy in the name of P.A. Solovev; Research manager of "Engineering department of analysis and service life management" of ”NPO ”Saturn” Corporation. Phone: (4855) 213-964; (4855) 296-012; (4855) 216-504, 9108137542. E-mail: bukaty [email protected]. Area of research: residual stress and strains, strengthening technologies, low-cycle fatigue, fracture mechanics.

Leshin Dmitryi Pavlovich, engineer of "Engineering department of analysis and service life management" of ”NPO ”Saturn” Corporation. Phone: (4855) 296-012; (4855) 216-504, 9206527001. E-mail: [email protected]. Area of research: gas turbine reliability and durability, low-cycle fatigue and long-term strength.

Bukatyi Alexey Stanislavovich, сandidate of science, Lecturer of the chair “Manufacturing engineering” of Yaroslavl state technical university. Phone: (4852) 440-276; (4855) 216-504, 79206527001. E-mail: [email protected]. Area of research: residual stress and strains, strengthening technologies, model engineering and strength design.