CC BY
50
УДК 629.7.036:539.4
А.Н. Михайленко, Т.И. Прибора ГП «Ивченко-Прогресс», г. Запорожье, Украина
УВЕЛИЧЕНИЕ РЕСУРСА ТИТАНОВЫХ ДИСКОВ КОМПРЕССОРОВ
Аннотация: Рассмотрены особенности рабочих колес первых ступеней компрессора. Рассмотрены характерные черты титановых сплавов, их преимущества перед сталями. Приведены методы увеличения ресурса, включая конструктивные, технологические, эксплуатационные.
Консольные 2, 2ановыс д, ск,, ресурс, оценка напр женно-де- орм, рованного сос2о н, , межпазовый выс2уп, ус2алос2на 2рещ, на
Формирование рационального поля деформаций и напряжений в детали всегда составляло важнейшую задачу конструктора. Использование в процессе проектирования средств вычислительной техники, внедрение численных методов и применение расчетных моделей высокого уровня при проведении тепловых, газодинамических и прочностных расчетов, накопленный богатый опыт доводки и эксплуатации авиадвигателей, создание расчетно-эксперимен-тального банка по материалам позволили ввести в практику установления ресурсов авиационных газотурбинных двигателей расчетно-экспе-риментальный метод установления ресурсом [1].
Математическое моделирование раскрывает для конструктора большие возможности анализа процессов и состояний, но при этом в математической модели пока невозможно учесть многие конструкторские, технологические и металлургические факторы.
Использование расчетно-экспериментальных методов лежит в основе современных систем разработки ГТД. Современные численные методы совместно с экспериментами позволяют с минимальными материальными затратами устанавливать и прогнозировать ресурс деталей и узлов авиационного двигателя.
На примере разработки конструкции рабочего колеса первой ступени компрессора ГТД рассмотрим некоторые пути увеличения его ресурса.
Консольные диски первых ступеней компрессора находятся в условиях возможных совместных колебаний групп лопаток с ободной частью диска. Формы совместных колебаний групп лопаток с ободной частью диска и собственных колебаний лопаток могут существенно влиять на динамические напряжения в межпазовых выступах и совместно с высокими статическими напряжения-
ми оказывать значительное влияние на ресурс дисков в целом.
Рабочие колеса первых ступеней компрессора имеют лопатки больших размеров и по высоте и по хорде, что обуславливает значительное нагруже-ние межпазовых выступов. Наличие косых пазов (расположение лопаток в диске путем введения углов установки лопаток) сопровождается повышением местной напряженности в зоне острого угла. Именно в этой зоне чаще всего наблюдается образование усталостных трещин [2]. Кроме того, велика вероятность попадания в проточную часть компрессора птиц, льда, града, снега, дождя, посторонних предметов.
Температура воздушного потока на входе меняется в значительном диапазоне в зависимости от географических зон эксплуатации. Все выше перечисленные факторы являются базой для формирования технического задания на проектирование рабочих колес.
Выбор титановых сплавов не случаен для дисков компрессора, а первых ступеней - особенно. Основное преимущество титана - его высокая удельная прочность, масса титановых лопаток почти в два раза меньше, чем стальных, вследствие чего появляется возможность уменьшить нагруже-ние основания межпазового выступа диска в поле центробежных сил, по сравнению со стальными лопатками.
Однако, существующая особенность поведения титановых сплавов при выдержке материала под нагрузкой (приводящая к его охрупчива-нию, за счет диффузии Н2) должна учитываться и на стадии расчетов при создании ГТД [3].
Материал дисков должен иметь однородную структуру. С целью получения качественной однородной структуры с отсутствием вредных приме-
© А.Н. Михайленко, Т.И. Прибора 2006 г.
сей рекомендуется тройной переплав. Данная технология обеспечивает получение титанового сплава с прогнозируемыми свойствами.
Параметрами внешнего воздействия на титановые диски являются частота нагружения, асимметрия цикла, сочетание малоцикловой усталости (МЦУ) и малых амплитуд нагрузок, в том числе выдержка материала под нагрузкой. Поверхностному растрескиванию способствуют легкие вещества - О2 Н2 N2 что связано с образованием хрупких, газонасыщенных фаз.
Анализ эксплуатационных повреждений, растрескиваний, позволяет получить интегральную оценку реакции титанового сплава на условия на-гружения при конкретном структурном состоянии самого материала и не всегда позволяет однозначно разделить роль условий нагружения и роль чувствительности самого материала к условиям эксплуатационного нагружения. Сочетание нагрузок с низкими амплитудами, выдержек материала под нагрузкой, воздействия окружающей среды - все это, в совокупности, существенно сокращает период зарождения усталостной трещины и снижает общую долговечность титановых дисков. Остаточные напряжения (в результате местного упрочнения поверхности) позволяют увеличить долговечность и снизить чувствительность материала к внешним воздействиям [3].
Рассматриваемый в данной работе диск первой ступени КНД изготовлен из титанового сплава ВТ3-1, работает в составе ротора в условиях обратного температурного перепада. То есть, температура обода ниже температуры ступицы, что является причиной увеличения окружных напряжений в ободной части диска. Следует заметить, что по ширине обода тоже имеется температурный перепад, что усугубляет напряженное состояние в ободной части. Исходному профилю диска был назначен ресурс 3045 циклов, 4922 часа.
В период доводки двигателя имелись случаи разрушения диска. Разрушения носили общий характер, а именно: отделение сегмента с двумя, тремя или четырьмя межпазовыми выступами, рис.1.
Очаги разрушения во всех случаях находились в зоне радиусного перехода дна паза к боковой поверхности межпазового выступа со стороны острого угла и выхода. Исследования указали на усталостный характер разрушения.
Рис.1 - Разрушение диска первой ступени КНД
На стадии проектирования оценка напряженности дисков оценивалась интегральным методом по номинальным напряжениям в ободе и ступице. В данный момент, оценка напряженно-деформирован-
ного состояния (НДС) рабочего колеса выполнена
методом конечных элементов на трехмерной модели высокого уровня. Задача определения НДС решалась в нелинейной контактной постановке с учетом трения. Расчеты показали, что критической зоной (местом локализации максимальных напряжений, определяющих ресурс детали) данного диска является именно зона радиусного перехода дна паза к боковой поверхности межпазового выступа со стороны острого угла и выхода, рис. 2.
Рис. 2 - Эквивалентные напряжения в диске исходного профиля Таким образом, результаты расчетов подтверждают природу разрушения диска в реальной эксплуатации, подсказывают пути решения проблемы.
В качестве мероприятия по снижению вероятности разрушения предложено перепротягивание замковых пазов с увеличением радиуса сопряже-
ния донышка паза с боковой поверхностью межпазового выступа. Радиус был увеличен с 1,2 до 2 мм.
Создана расчетная модель предложенного варианта рабочего колеса. Конечно - элементная сетка имеет тот же уровень густоты, что и в модели исходного рабочего колеса, одинаковые тепловые и газодинамические нагрузки. Выполнен расчет МКЭ в аналогичной постановке. На рис. 3 представлено распределение эквивалентных напряжений исходного диска с радиусом сопряжения поверхности основания паза и боковой поверхности 2 мм.
Рис.3 - Эквивалентные напряжения в диске исходного профиля после перепротягивания
Для обеспечения надежной работы ротора спроектирован усиленный диск первой ступени КНД. Кроме увеличения радиуса перехода от дна паза к боковой поверхности с 1,2 до 2 мм, усилен обод диска и, соответственно, усилена ступица диска. Результаты расчета усиленного диска приведены на рис. 4.
Уменьшение напряжений в критической зоне
привело к увеличению ресурса диска в 2,4 раза.
На стендовых специальных испытаниях усиленный диск без разрушения наработал более 24000 циклов.
Задача обеспечения надежной работы ротора может быть решена и иным путем. Известно, что диск с замковым соединением типа "елочка" имеет преимущества перед замком типа "ласточкин хвост". Основное преимущество заключается в усилении межпазового выступа, именно в основании, где происходит концентрация напряжения.
Рис.4 - Эквивалентные напряжения в усиленном диске
На рис. 5 представлены эквивалентные напряжения в диске с замком "двузубая елочка", полученные на модели, построенной аналогично предыдущим моделям. Величина максимальных эквивалентных напряжений в основании межпазового выступа незначительно ниже, чем в усиленном диске с замком "ласточкин хвост".
Рис.5 - Эквивалентные напряжения в диске с «двузубой елочой»
Нагрузка от центробежной силы лопатки распределяется равномерно по четырем площадкам смя-
тия и имеет более низкий уровень, чем при распределении на две площадки смятия в случае "ласточкиного хвоста". Но при недостаточной точности изготовления " елочного" замка может оказаться, что усилие будет передаваться не всеми зубьями замка, а лишь некоторыми из них, в результате чего может произойти их поломка. Так как температура обода диска и ножки лопатки компрессора невелика, то ожидать перераспределения на-
грузки между зубьями благодаря пластичности материала не приходится.
В таблицу 1 сведены результаты расчета четырех вариантов диска первой ступени КНД. Анализ результатов показывает эффективность конструктивных мероприятий по снижению напряжения в рассматриваемой критической зоне, а именно: 35% уменьшения максимальных эквивалентных напряжений в основании межпазового выступа при переходе на профиль усиленного диска (рис. 6).
Кроме конструктивных мероприятий по увеличению ресурса, технологические мероприятия также способствуют увеличению ресурса.
В частности, режимы резания при протягивании пазов диска могут привести к повреждению поверхности - микронадрывам, сдвиговым деформациям, остаточным напряжениям растяжения. Технологический процесс изготовления детали должен гарантировать отсутствие в поверхностном слое растягивающих остаточных напряжений.
Конструктивная реализация перехода донышка паза к боковым поверхностям обода выполняется скруглением, слесарным путем, радиусом К0,6...-0,8 с шероховатостью 1,6 острых кромок
за местным притуплением в местах радиусных талости (МЦУ) и в области многоцикловой усталос-
Профиль диска ^радиальн МПа окружные МПа ^эквивалентные МПа
Исходный, Я1,2 924,0 1240,0 1410,0
Исходный, перепротянутый, К2 856,0 1065,0 1223,0
Усиленный, К2 482,0 888,4 912,3
С двузубой елочкой 680,9 691,0 909,0
переходов от дна к его боковым поверхностям. При этом возможно получение рисок, являющихся концентраторами напряжений.
Альтернативой данному процессу может быть обработка дисков в "кипящем", псевдосжиженном абразивном слое (ПСА), получаемом нагнетанием сжатого воздуха в порошок абразивного материала [2]. При соударении абразива в псевдосжижен-ном слое с поверхностью вращающегося диска происходит съем металла путем микрорезания. После полирования титанового диска радиус скруг-ления кромок пазов находился в пределах 0,3-0,5 мм, искажения геометрической формы поверхностей диска и размеров элементов пазов отсутствовали. Микротвердость поверхности после ручного и машинного полирования практически одинакова. При ПСА предел выносливости по сравнению с ручным полированием образцов из сплава ВТ3-1 повышается от 260 до 350 МПа. Однако необходимо заметить, что ПСА сопровождается таким явлением, как нежелательное сцепление частиц абразива с поверхностью (шарширование), что увеличивает рассеивание механических характеристик и несколько повышает вероятность зарождения усталостной трещины.
Для устранения указанных явлений применяе-ся УЗУ (упрочнение дисков шариками в ульраз-вуковом поле). УЗУ является финишной обработкой, после ПСА.
Таблица 1
Рис. 6 - Сравнение напряжений в четырех исполнениях диска первой ступени КНД
УЗУ после ПСА приводит к значительному снижению количества неметаллических включений всех размерных групп и к общему уменьшению занимаемой ими поверхности примерно в десять раз. Это достигается за счет " выдавливания" абразивных частиц и создания на поверхности остаточных напряжений сжатия.
Остаточные напряжения позволяют увеличить долговечность и снизить чувствительность материала к условиям внешнего воздействия. Однако очень важно определить, в какой области нагруже-ния работает диск компресора. Поверхностное упрочнение оказывает различное влияние на работоспособность титана в области малоцикловой ус-
1 А г*
- ,— га р= 'Ь
5_рэдиальные 3_ак;рр5ные 5_эквивалентные
□ исходный □ перепротянутыи
□ усиленный □ с двузубой елочкой
ти (МНЦУ): в области МНЦУ положительная роль упрочнения проявляется при малом внешнем воздействии упрочняющими элементами, а в области МЦУ - при значительном.
С целью уменьшения фретинг-износа на поверхностях пазов дисков и хвостовиков рабочих лопаток введено покрытие серебром, а также введен контроль прямолинейности образующих боковых поверхностей паза и хвостовиков лопаток.
Опыт исследования разрушений дисков компрессоров ГТД из титановых сплавов свидетельствуют о том, что в ряде случаев в очаге разрушения имеют место дефекты материала. В то же время разрушения дисков наблюдались и в тех случаях, когда дефекты материала или иные концентраторы нагрузки, которые могли бы повлиять на усталостную прочность дисков, в очагах разрушения не были выявлены. Рекомендуется вводить обоснованную периодичность осмотров по критерию роста трещин на основе фрактографических исследований разрушенных в эксплуатации дисков.
Систематические исследования эксплуатационных разрушений титановых дисков ГТД свидетельствуют о медленном росте трещин, длительность процесса разрушения может составлять сотни и тысячи полетных циклов или тысячи часов эксплуатации. Проведен анализ статистики наработки диска первой ступени КНД разных модификаций в разных условиях: летная эксплуатация, эквивалентно-циклические испытания, эксплуатация в составе наземного газотурбинного привода (ГТП). Наименьшая наработка у диска исходного профиля.
В таблице 2 приведена информация об эффективности конструктивных и технологических мероприятий по увеличению назначенного ресурса дисков компрессора. Усиление профиля, и тем самым снижение напряженности ведет к увеличению ресурса более чем в два раза, технологические мероприятия, включая перепротягивание пазов,
увеличивают ресурс титанового диска почти в полтора раза.
Таблица 2
Все вышеприведенное говорит о необходимости комплексного учета конструктивных, технологических и металлургических вопросов при проектировании, эксплуатации и доводке титановых дисков компрессоров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шереметьев А.В. Выбор метода установления ресурсов и формы эксплуатации авиационных ГТД/ / Авиационно-космическая техника и технология: Сборник научных трудов - Харьков: Национальный аэрокосмический университет. 2002.- Вып.30 - С. 66-70
2. Богуслаев В.А., Жуков В.Б., Яценко В.К. Прочность деталей ГТД.//Запорожье, изд. ОАО «Мотор Сич», 1999 г. -249 с.
3. Шанявский А.А. Методы анализа эксплуатационной циклической долговечности дисков газотурбинных двигателей//Воздушный транспорт. Обзор-
ная информация. Москва. Центр научно-технической информации гражданской авиации.1991 г. -72 с.
Поступила в редакцию 07.06.2006 г.
Рецензент: кт.н., доцент Олейник А.В. ХАИ, г. Харьков
Варианты диска Величина назначенного ресурса Эффект мероприятия
Исходный диск 3045ц (4922ч) 100%
Перепротягивание 4410ц (7129ч) 144,8%
исходных дисков +ПСА, УЗУ, серебрение
Усиленный диск 6450ц (10426ч) 211,8%
Анота^я: У cmammi розглянут'1 особливост1 проектування, доведення та експлуатацИ' робочих колс перших ступенiв компресора. Розглянутiхарактернi риси титанових сплавiв, IX переваги перед сталевими, приведенi методи збiльшення ресурсу титанових диске, включаючи конструктивнi, технологiчнi та експлуатацiйнi.
Abstract: Considered are in the paper the peculiarities of designing, development and operating of the compressor first stages working wheels. Considered are distinguishing features of the titanium alloys, their advantages against steels, and shown are the methods for increasing the service life of titanium discs, including design, manufacture and operation measures.
