Расчётное обоснование ресурса и технических регламентов по периодичности осмотра обода диска КНД двигателя д-з0ку Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта

УДК 629.735.083

РАСЧЁТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕСУРСА И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕГЛАМЕНТОВ ПО ПЕРИОДИЧНОСТИ ОСМОТРА ОБОДА ДИСКА КНД ДВИГАТЕЛЯ Д-З0КУ

В.В. КУТЫРЁВ, Ю.А. ПОТАПЕНКО Статья представлена доктором технических наук, профессором Шанявским А.А.

Исследована эксплуатационная нагруженность диска 1-й ступени компрессора низкого давления (КНД) двигателя Д-З0КУ и рассчитаны напряжения в его ободе. Установлена нижняя граница распределения долговечности в острых углах пазов с учётом влияния эксплуатационных факторов, на основе которых обеспечивается безопасная эксплуатация и может быть введена обоснованная периодичность технического обслуживания дисков.

Ключевые слова: ресурс, технический регламент.

Во многих случаях безопасная эксплуатация по циклической долговечности дисков КНД ограничивается по критерию образования трещин в пазах типа «ласточкин хвост» (рис. 1 а и б) [1—3]. Техническое обслуживание двигателя в этом случае подразумевает своевременное и надежное выявление возникающих трещин. Однако в некоторых случаях трещины оказываются столь быстро развивающимися, разрушение конструкции наступает раньше, чем в процессе эксплуатации удаётся выявить трещины (рис. 1 в).

б в Рис. 1. Зона образования трещин (а, б) и характер разрушения диска (в)

Основными источниками зарождения трещин явились концентраторы напряжений в виде радиусов сопряжения основания паза и боковой поверхности выступов диска (галтелей пазов). В некоторых случаях очаги разрушений находились в зоне радиуса сопряжения галтели паза и торцевой поверхности диска со стороны острого угла (точка «К» на рис. 1 а). В других случаях трещины были обнаружены на расстоянии 1...8 мм от торцевой поверхности (точка «Ь» на рис. 1 а).

Очаги трещин в дисках КНД были расположены как на поверхности, так и под поверхностью галтели. Во всех случаях был установлен усталостный характер зарождения трещин от воздействия напряжений высокого уровня. В очагах усталостного разрушения одновременно были сформированы элементы рельефа, отражающие разрушение материала в области многоцикловой и малоцикловой усталости. Выявлены разные типы элементов рельефа поверхности разрушения, которые, в ряде случаев, были сформированы в очаге зарождения трещин одновременно.

Для определения напряжённо-деформированного состояния (НДС) в зоне галтелей замковых пазов и анализа влияния на несущую способность обода диска конструктивнотехнологических факторов были проведены расчёты [3-6]. Выявлено, что наибольшие напряжения существуют в среднем сечении галтели паза и со стороны входа и выхода газового потока. Именно там, как правило, и образовывались трещины. При этом безопасный ресурс составил Рэкс = 1000...5000 полётов [5].

Попытка уменьшить максимальные напряжения притуплением кромок острого угла в пазах типа «ласточкин хвост» приводит к снижению на 5.10% главных максимальных напряжений и интенсивности напряжений на торце обода диска в точке «К» (рис. 1 а). При этом точка

с экстремальными напряжениями <71 перемещается с торца обода диска в глубину паза точку -Ь (рис. 1 а). Величина этих напряжений после притупления кромки возрастает примерно на 5%. Исследования [4] свидетельствуют о том, что размер радиуса фаски может быть оптимальным, при этом концентрация напряжений в галтели паза со стороны острого угла будет минимальной.

Расчёты напряжённого состояния дисков при номинальной посадке (хвостовика лопатки и выступа диска) и «ослабленной» в пределах, допустимых чертежом, показали, что у «ослабленной» посадки окружные напряжения в галтелях пазов повышаются примерно на 10% по сравнению с напряжениями, действующими при номинальной посадке.

Анализ напряжённого состояния дисков в зоне обода, проведенный с использованием объёмных расчётных моделей, показал, что суперпозиция и взаимовлияние конструктивных факторов обуславливают образование трещин на краю паза или на некотором расстоянии от него.

Таким образом, основной причиной ограничения ресурса дисков величиной Рэкс < 5000 циклов является высокий уровень окружных номинальных напряжений и их концентрация в зоне острого угла, радиуса галтели, радиуса сопряжения паза с боковой поверхностью выступа, в сочетании с углом закрутки лопатки.

Во многих случаях долговечность Ыу, рассчитанная по формуле Мэнсона с использованием средних значений механических характеристик материала, совпала с её экспериментальной величиной ЫЭ . Относительные долговечности а]%Ыэ = 1§ ЫЭ были распределены в диапа-

зоне а1%Ыэ = 0,87...1,13 (а1ёЫэ = 1,0) ; при этом существенного влияния на долговечность дисков

технологических факторов не наблюдалось.

Однако в некоторых случаях расчётные значения долговечности существенно отличались от их экспериментальных величин. В этих случаях были выявлены технологические и эксплуатационные факторы, обусловившие снижение долговечности относительно величины, рассчитанной по формуле Мэнсона [1-6]:

- наклёп, полученный в результате упрочнения поверхности деталей в зонах концентраторов микрошариками, или обработки тупой протяжкой, при размахах напряжений, превышающих удвоенную величину предела текучести материала;

- фреттинг-износ в местах сопряжения деталей;

- инородные включения в материале дисков гранульной технологии;

- металлургические дефекты и неоднородное структурное состояние материала;

- растягивающие поверхностные и объёмные остаточные напряжения в материале диска;

- дефекты материала в виде нитрида титана, расположенного у поверхности диска в зоне конструктивных концентраторов напряжений и/или газонасыщенные включения;

- низкая пластичность и трещиностойкость материала в очагах потенциальных или реальных концентраторов напряжений (трещин, рисок, уступов, надрезов поверхности материала при выполнении механических операций и других шероховатостей поверхности).

Вместе с тем, в эксплуатации при наработке 6020 полётных циклов произошло разрушение диска 1-й ступени КНД двигателя Д-З0КУ [5,6]. При исследовании этого диска в пазах типа «ласточкин хвост» были обнаружены очаги трещин, расположенные на поверхности и под поверхностью галтели со стороны выхода потока воздуха.

По фрактографическим данным причина разрушения диска была связана с особенностями состояния диска, выраженными в его высокочастотных колебаниях, а также возможен был высокий уровень остаточных напряжений, созданных при изготовлении диска [5].

Попытки увязать разрушение с потенциальными причинами, приведшими к снижению долговечности и непредвиденному разрушению конструкции, обусловили необходимость проведения анализа ресурса дисков и условий их нагружения для обоснования периодичности осмотров в рамках технического обслуживания.

Для выполнения указанной работы были проведены сравнения расчётных и экспериментальных величин долговечностей дисков до образования трещин [5,6]. В том числе были использованы расчёты, ссылка в статье на расчёты, выполненные А.В. Сальниковым (ЦИАМ, Москва) и Д.П. Лёшиным (НПО «Сатурн», Рыбинск).

1. Механические характеристики сплава

Механические характеристики титанового сплава ВТ3-1 приняты на основе статистической обработки результатов входного и периодического контроля штамповок дисков КНД девяти выборок объёмом от 50 до 220 образцов (данные предоставлены автору Р.Н. Сизовой, Т.П. Захаровой, ЦИАМ и ТМКБ «Союз»). При этом средние значения и коэффициенты вариации пределов кратковременной прочности материала находились в диапазоне &В = 1037...1116 МПа, v = 1,9...3,5% .

Испытания образцов, вырезанных из дисков, проводились в диапазоне температур 20...450°С; при этом значения механических характеристик сплава оказались однородными по всему сечению диска и в разных направлениях (для каждого значения температуры).

Значения этих характеристик (табл. 1) использовались для определения запасов местной прочности и долговечности диска двигателя Д-30КУ. При построении параметров упругопластического деформирования и расчёте долговечности использовались средние величины механических характеристик, а при определении запасов местной прочности - нижние границы распределения пределов кратковременной прочности материала (ГВ = &В (1 - 3v ), где

&В и Уав - среднее значение и коэффициент вариации. Значения модуля упругости Е и отношения пределов текучести к пределам прочности = s0 2 / оВ приняты по справочным данным

ВИАМ.

Таблица 1

Механические характеристики титанового сплава ВТ3-1

Т °С Е S0,2 У gs

МПа %

20 115000 1080 980 1020 31 0,945

100 113000 1030 930 930 31 0,894

2. Расчётная модель

Расчёт напряженно-деформированного состояния (НДС) проводился методом объёмных конечных элементов с использованием программного обеспечения для циклосимметричной модели. Вследствие циклической симметрии конструкции расчётной моделью диска с лопаткой (колеса) является сектор, соответствующий двум рабочим лопаткам, с углом при вершине а = 360° / (2 • гл), где гл = 31 - число лопаток. При построении расчётной схемы основное внимание уделялось наиболее нагруженным зонам обода диска - острым углам галтели паза (рис. 2 а). Лопатка моделировалась целиком. Модель колеса состоит из 147967 элементов и 115064 узлов.

а Б

Рис. 1. Сектор диска с лопатками: а - конечно-элементная модель; б - схема нагружения

Расчётная схема представляет собой конечно-элементную трёхмерную модель фрагмента колеса с граничными условиями (воздействиями механических усилий и условиями закрепления). Граничные условия модели колеса задавались в цилиндрической системе координат: х, у, г - радиальное, окружное и осевое направление. Задача решалась в геометрически нелинейной постановке с учётом больших перемещений и восстанавливающего эффекта в поле центробежных сил. Расчёты НДС в галтели паза диска проводились при номинальных размерах замкового паза и хвостовика (рис. 1 б).

3. Результаты расчёта НДС на граничных режимах

Расчёты выполнены на двух граничных режимах:

- «стоянки» при воздействии на диск монтажных усилий от затяжки ротора (итт = 0 ) и температуры диска Тд =20°С;

- «максимального» при частоте вращения ротора птах = 4735 об/мин и Тд=80°С.

Как показали расчёты, экстремумы напряжений наблюдаются в острых углах галтелей со стороны входа и выхода газового потока (сечение 1 и 3), а также в срединном сечении паза диска (сечение 2). Поля главных (упругих) напряжений и окружных перемещений выступов диска на «максимальном» режиме представлены на рис. 3 и 4.

а б

Рис. 3. Распределение главных напряжений в галтели Рис. 4. Распределение

паза диска на «максимальном» режиме: а - на входе и в се- окружных перемещений

редине паза; б - на выходе потока газа выступов диска

Окружные номинальные напряжения в ободе диска (в зоне расположения концентраторов напряжений) определялись как осреднённые значения напряжений, действующих в плоскости параллельной торцевой поверхности диска. Дискретные значения окружных номинальных и максимальных напряжений на двух граничных режимах приведены в табл. 2. Эти напряжения были использованы для определения запасов местной прочности и оценки циклической долговечности.

Таблица 2

Значения номинальных и максимальных напряжений (МПа) в остром и тупом углу галтели паза

Сечение Режим «максимальный» Режим «стоянки»

Тупой угол Острый угол

°в ^в °г < ^в < < <

1 120 280 36 744 1015 1022 1163 5

2 148 136 - 1126 1126 1000 1117 0

3 90 250 - 389 886 858 961 80

Наибольшие значения максимальных напряжений в ободе диска реализуются в остром углу галтели паза со стороны входа потока газа. Максимальные напряжения в остром углу галтели паза со стороны выхода (в зоне образования трещин) существенно ниже, чем в других зонах, имеющих выраженные экстремумы напряжений. При этом они несколько превышают величину предела текучести материала 70 2.

Номинальные напряжения в зонах острых и тупых углов паза могут быть представлены как напряжения, вызванные растяжением (и изгибом) обода, а также кручением выступа диска: в сечении 1 7в = 200 ± 80, в сечении 3 ов = 170 ± 80 МПа, соответственно. Соотношение напряжений, вызванных растяжением обода и кручением выступа, а также распределение окружных перемещений выступов диска (рис. 3) свидетельствуют о существенном крутящем воздействии хвостовика лопатки на выступ диска.

4. Обоснование долговечности дисков

Исходными данными для расчёта долговечности дисков 1-й ступени КНД двигателей Д-З0КУ являются: значения механических характеристик материала (табл. 1) и значения максимальных напряжений на граничных режимах (табл. 2).

Циклическая долговечность дисков в зонах концентрации напряжений рассчитана по формуле Мэнсона

Ае = [1п-^]0-6 Ы-0-6 + 3,5(7в ~°т ] Ы-0Д2, (1)

1 -у Е

где Ы^- - число циклов до образования усталостных трещин, определённое с использованием средних значений механических характеристик материала;

от - среднее напряжение цикла (учитывается в случае, если от > 0 );

Ае = Аер + Аее - размах пластических и упругих (полных) деформаций за цикл нагружения.

Г раничные режимы при циклическом нагружении реализовывались при изменении частоты вращения ротора от 0 до птах и изменении температуры диска от 20 до 80°С.

Упругие напряжения сг^ в наиболее напряженных точках обода диска в сечениях 1 и 3

(далее зонах) определялись из решения задачи МКЭ. При определении размаха полных деформаций за цикл нагружения применены приближённые графоаналитические зависимости: зависимость Нейбера между упругими напряжениями и напряжениями в упругопластической области, гипотеза А. А. Ильюшина об упругой разгрузке, принцип Мазинга об удвоении предела текучести при разгрузке.

Нижние границы распределения долговечности Ы5 могут быть спрогнозированы на основе

её значений, рассчитанных по формуле Мэнсона (табл. 3), прогнозируемых величин коэффициентов вариации, с помощью которых учитывается рассеяние долговечности [6], а также найденных соотношений расчётных и экспериментальных значений долговечностей (аЫЭ = 18Ыэ/1в= 0,87 .1,01) .

Таблица 3

Значения долговечности и запасы местной прочности в зонах острых углов галтелей пазов

Зона Ыэ ЫЭ ...ЫЭ Ыг Ы8 ЫК Кт Кт а1ё Ыя V80 К1ё Ых

1 >8130 >4335.5060 10100 4920 3200 3,4 1,0 2,6

3 8130 4335.5060 19800 5690 4070 3,8 0,92

Полученные данные позволяют учитывать влияние технологических и эксплуатационных факторов

18 Ы5 = а1ъЫ8 , (2)

где а1ёЫ = аХъЫэ - коэффициент относительной долговечности, величина которого принимается на основе сопоставления расчётных и экспериментальных данных (табл. 3);

= 1 - Ы п1ёЫ - коэффициент, позволяющий учитывать рассеяние долговечности;

21ё ы = 2 - толерантный множитель, соответствующий доверительной вероятности

0,75.0,90, вероятности образования трещины 0,05 и числу испытанных экземпляров 10.50, соответственно.

На основании данных фрактографических исследований изломов и расчётов долговечности разрушившегося диска в 1- и 3-й зонах коэффициент относительной долговечности принимается как коэффициент, позволяющий учитывать динамические напряжения, вызванные колебаниями диска ах% ы5 = аёЫУ = 0,92 (далее а™ ЫУ).

Значения коэффициентов вариации долговечности дисков при температуре эксплуатации 80°С (табл. 3) определены по методике [6]; при этом коэффициент, позволяющий учитывать рассеяние долговечности и оценивать её нижнюю границу распределения, составил = 0,95.

Нижние границы распределения долговечности Ыв в острых углах галтелей пазов приведены в табл. 3.

При возможном попадании в зону галтели паза дефектов материала (надрывов, надрезов, инородных включений, металлургических дефектов) нижняя граница распределения долговечности диска ЫК может быть оценена с использованием запасов местной прочности:

Кт

1ё Ыкт =а^Кт///% (3)

где Кт =оВ / ов - запас местной прочности в зоне расположения галтели паза (табл. 3). Сравнительный анализ данных, приведённых в табл. 3, показал следующее:

- прогнозируемая долговечность дисков в острых углах галтелей пазов в 3-й зоне (критической) больше, чем в 1-й зоне;

- влияние на долговечность диска (в критической зоне) эксплуатационных факторов, обусловивших снижение долговечности относительно величины, рассчитанной по формуле Мэнсона, может быть учтено коэффициентом относительной долговечности а^Ы = 0,92 , который больше, чем коэффициенты (а1ё Ы = 0,78...0,85), полученные ранее для оценки фреттинга, наклёпа, включений;

- величина долговечности, при которой разрушился диск, а также значения нижних границ распределения долговечности в критической зоне ЫЭ...ЫЭ и Ыв больше долговечности ЫК ,

прогнозируемой в предположении нахождения в ободе дефектов;

- влияние состояния материала на долговечность разрушившегося диска несущественно;

- долговечность разрушившегося диска находится в пределах естественного рассеяния малоцикловой усталостной долговечности, а относительная долговечность попадает в диапазон её статистического распределения - влияние на долговечность технологических и эксплуатационных факторов незначительно.

5. Оценка нижней границы долговечности обода диска

Критериями несущей способности обода диска КНД являются запасы местной прочности и долговечности. Из сравнения значений ресурсов дисков Рэкс с нижними границами распределения долговечностей Ыв следует, что они могут являться оценкой ресурса диска [6]

Рэкс = ЫВ . (4)

Прогнозируемый вероятностно-статистический запас, позволяющий учитывать влияние на долговечность дисков технологических и эксплуатационных факторов и рассеяние усталостной долговечности, может быть принят в качестве допустимого запаса как [К1ёЫ ] = 1. В этом случае

допустимые значения расчётных запасов [ К ] , гарантирующие долговечность диска до образования трещин на уровне нижних границ Ы5, могут быть определены как

[К ] = 1/ Х амнцу

1-К1ё Ы,! 11 Ыв'

Величины этих запасов в числах циклов [Кы ], кроме того, зависят от планируемого ресурса дисков и могут быть пересчитаны как

[К^ ] = 10[К-]№ / ры. (6)

Допустимые запасы местной прочности в ободе дисков КНД при расчёте номинальных напряжений <гв как осреднённых значений напряжений в сечениях, расположенных в плоскости, параллельной торцевой поверхности диска, могут быть определены в зависимости от планируемого ресурса РЫ [8]:

[Кт ] = ГГ1в Ры/аЦЩу . (7)

Величины запасов местной прочности и долговечности в 1- и 3-й зонах диска, ресурс которого Рн = 4300 циклов, приведены в табл. 4.

Таблица 4

Допустимые и фактические запасы долговечности и местной прочности диска

1-й ступени КНД двигателя Д-30КУ

Зона N3 N33 ...Щ Ыг ЫК Кт Кт а1в Ы V80 к1в Ы

1 >8130 >4335.5060 10100 4920 3200 3,4 1,0 2,6

3 8130 4335.5060 19800 5690 4070 3,8 0,92

Из сравнения значений запасов местной прочности и долговечности, определённых для критической зоны (табл. 4), следует, что их величины достаточны для обеспечения безопасного ресурса дисков 4300 циклов (полётов). Поэтому периодический осмотр дисков в эксплуатации при проведении обслуживания двигателей Д30-КУ для выявления трещин в дисках 1-й ступени КНД следует вводить не ранее, чем после наработки в эксплуатации 4300 полётов.

Выводы

1. Наибольшие значения максимальных напряжений в ободе диска реализуются в остром углу галтели паза со стороны входа потока газа. Значения максимальных напряжений со стороны выхода (в зоне образования трещин) существенно ниже, а расчётная долговечность больше, чем в других зонах, имеющих экстремумы напряжений. Наблюдается существенное крутящее воздействие хвостовика лопатки на выступ диска.

2. Долговечность разрушившегося диска больше прогнозируемых значений, рассчитанных с учётом влияния конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, и в критической зоне обеспечивает безопасный ресурс дисков 4300 циклов до введения его технического обслуживания и периодического осмотра.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях // Монография, Уфа, 2003.

2. Петухов А.Н. О реализации принципа допустимости первоначального дефекта в деталях ГТД. // Конверсия в машиностроении. -2005, №3.

3. Кутырёв В.В. Исследование напряжённого состояния и критерии прочности дисков компрессоров из титановых сплавов. // Конверсия в машиностроении. - 2006, №6.

4. Шереметьев А.В., Прибора Т.И. Использование компьютерного моделирования при проектировании дисков компрессоров авиационных ГТД. // Вестник двигателестроения. - 2006, №2.

5. Кутырёв В.В. Оценка циклической долговечности дисков авиационных двигателей с учётом влияния технологических факторов. // Конверсия в машиностроении. - 2008, №2.

6. Кутырёв В.В. Закономерности малоцикловой долговечности, критерии прочности и прогнозирование ресурса дисков авиационных двигателей. // Конверсия в машиностроении. - 2008, №2.

NUMERICAL FOUNDATION OF IN-SERVICE LIFETIME AND INSPECTION PERIOD OF TECHNICAL MAINTENANCE PROCIDURES OF LPC DISK RIM OF ENGINE D-30KU

Koutiryev V.V., Potapenko Yu.A

The in-service loading of compressor disk of the first stage LPC of engine D-30KU has investigated and stresses within the volume of the disk rim have calculated. Established bottom border for durability dispersion in areas around corners of the grooves using in-service influenced factors based on which safety service guaranteed and can be introduced founded periodical inspection of disks for maintenance procedure.

Сведения об авторах

Кутырёв Василий Владимирович, 1952 г. р., окончил МВТУ им. Н.Э.Баумана (1974), кандидат технических наук, старший научный сотрудник Государственного центра безопасности полетов, автор более 40 научных работ, область научных интересов - прочность и ресурс дисков авиационных ГТД.

Потапенко Юрий Александрович, 1971 г.р., окончил МАТИ (1994), начальник сектора Государственного центра безопасности полетов, автор более 25 научных работ, область научных интересов -прочность, безопасность эксплуатации и обслуживания авиационных двигателей.