автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование акустических характеристик заготовок турбинных лопаток газотурбинного двигателя, полученных литьем направленной кристаллизации, для контроля их технического состояния

, „ л"" ^

и — -

На правах рукописи

КОНДРАТЬЕВ Александр Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАГОТОВОК ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ПОЛУЧЕННЫХ ЛИТЬЕМ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ, ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Специальность 05.07.05 - тепловые двигатели летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

Казань -1998

Работа выполнена в Казанском высшем артиллерийском командно - инженерном училище имени М.Н.Чистякова

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Кочергин A.B.

Научный консультант: кандидат технических наук, Ившин И.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Тунаков А. П.

кандидат технических наук Бурлаков Л.И.

Ведущая организация: Казанское моторостроительное производственное объединение

Защита состоится ¿?ß 1998 года в часов на

заседании диссертационного совета Д 063.43.01 Казанского государственного технического университета имени А.Н.Туполева (420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ. Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.43.01 ^

А.Г.Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Обеспечение высоких характеристик современных и перспективных ГТД невозможно без существенного повышения температуры газа перед турбиной, что накладывает дополнительные требования по надежности рабочих лопаток турбины. В связи с этим все большее значение приобретает литье турбинных лопаток направленной кристаллизации, которое позволяет обеспечить максимальный уровень свойств материала и высокую эффективность производства.

Применение литья методом направленной кристаллизации позволяет на традиционных сплавах типа ЖС повысить основные рабочие характеристики за счет исключения поперечных границ зерен и определенной ориентации его кристаллической решетки относительно главных действующих напряжений. В случае, если заготовка получается состоящей из 2 или более макрозерен, появляется необходимость контроля выхода границ кристаллитов на кромки пера.

В настоящее время существующие методы неразрушающего контроля для определения структурных дефектов, а также внутренних, нераскрытых или малораскрытых трещин заготовок турбинных лопаток направленной кристаллизации характеризуются высокой трудо- и энергоемкостью, большим количеством ручных операций, субъективностью принятия решения и экологической вредностью. Поэтому разработка и применение более совершенных и экологически безвредных методов технического контроля, наряду с применяемыми в производстве методами, позволит улучшить качество производимой продукции и повысить надежность авиационных двигателей.

Цель исследований. Целью является исследование акустических характеристик заготовок турбинных лопаток направленной кристаллизации для контроля их технического состояния.

Цель достигается решением следующих задач:

1. Провести теоретические исследования влияния механических и структурных дефектов на характеристики вынужденных колебаний заготовок лопаток.

2. Провести теоретические исследования по определению диапазона частот резонансных колебаний заготовок лопаток, в котором наиболее сильно проявляется влияние дефектов разного рода на характеристики колебательного процесса.

3. Разработать и изготовить экспериментальную установку для проведения экспериментальных исследований.

4. Провести экспериментальные исследования акустических характеристик бездефектных и дефектных заготовок лопаток направленной кристаллизации.

5. Разработать способ определения дефектов методом колебаний.

6. Разработать методику диагностики заготовок турбинных лопаток, полученных литьем направленной кристаллизации.

Метод исследований. Теоретическая часть работы выполнена с использованием теории колебаний упругих систем. Расчеты проводились методом конечных элементов при условии сложения форм колебаний с учетом статически присоединенной нагрузки. В основе экспериментальной части лежат акустические измерения. Для анализа результатов измерений применялись методы робастной обработки сигналов, спектрального анализа и математической статистики с использованием ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- получены результаты численных расчетов акустических характеристик вынужденных колебаний заготовок лопаток направленной кристаллизации с учетом статически приложенной нагрузки, определено влияние дефектов разного рода на характеристики вынужденных колебаний на различных частотах;

- разработан перспективный способ определения различных дефектов путем анализа амплитудных характеристик вынужденных колебаний;

- разработана методика диагностики заготовок турбинных лопаток ГТД, полученных литьем направленной кристаллизации;

- разработаны экспериментальные установки и автоматизированный акустический диагностический комплекс.

Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что разработанная методика диагностики методом анализа форм колебаний и автоматизированный диагностический комплекс позволяют на стадии производства выявлять в заготовках лопаток, полученных литьем направленной кристаллизации:

- выход границ макрозерен на входную и выходную кромки пера;

-раковины диаметром до 1 мм и глубиной до 0,5 мм на внешней и

внутренней поверхностях пера;

- трещины длиной до 1 мм на кромках пера;

- нарушение геометрии пера лопатки.

Реализация. Результаты работы были использованы на кон-структорско - производственном государственном предприятии "Авиамотор". Акт реализации результатов исследований приведен в приложении к диссертации. Величина экономической эффективности будет установлена в процессе применения методики диагностики методом колебаний при производстве и эксплуатации авиадвигателей.

Апробация. Материалы по результатам работы доложены на Международной конференции по экологии в 1997 г, Казань, на 11 Поволжской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике в 1994 г, Самара, на Всероссийском постоянно действующем семинаре Саратовского ВВКИУ РВ, на научных конференциях и семинарах Казанского ВАКИУ в 1994 - 1998 гг., на технических семинарах Казанского моторостроительного объединения в 1995 - 1997 гг:, на научно-технической конференции Казанской инженерной строительной академии в 1997 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ. Из них 3 статьи, 10 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация с приложениями изложена на 139 листах машинописного текста, в том числе основной текст на 118 листах. Она состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 117 наименований и 4 приложений. В диссертации содержится 37 рисунков и 9 таблиц.

Автор защищает:

- результаты численного моделирования влияния дефектов различного рода на формы колебания входной и выходной кромок пера лопаток, полученных литьем направленной кристаллизации, с учетом статически приложенной нагрузки;

- способ определения дефектов разного рода в изделиях сложной формы анализом характеристик их вынужденных колебаний;

- методику диагностики заготовок лопаток, полученных литьем направленной кристаллизации (направленной кристаллизации);

- экспериментальные установки и автоматизированный диагностический комплекс;

- результаты экспериментальных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, излагается целевая установка работы и ее краткая характеристика.

Первая глава.

Состояние вопроса исследований.

Методы неразрушающего контроля структурных и механических дефектов в зависимости от физических явлений и контролируемых параметров подразделяются на структурные (макроскопический анализ, микроскопический анализ, просвечивающая электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия, рентгеносгрук-турный анализ) и физические методы( рентгеноскопический, магнитный, люминесцентный, акустический). Основными требованиями, предъявляемыми к методам неразрушающего контроля, являются высокая точность и чувствительность, достоверность, технологичность с возможностью максимальной автоматизации, а также экологическая чистота. Наиболее полно этим требованиям отвечают акустические методы диагностики, а среди них, по мнению автора, наиболее приемлемым и перспективным для диагностики заготовок лопаток направленной кристаллизации газотурбинных двигателей является метод резонансных характеристик.

Этот метод основан на регистрации резонансных характеристик упругих волн в объекте исследований. Параметры собственных ко-

- ? -

лебаний исследуемых изделий тесно связаны с такими свойствами материалов, как модуль упругости, плотность, анизотропия. При отличии параметров колебаний можно делать выводы о наличии в исследуемых телах различных дефектов. Физической акустике твердого тела посвящены работы Алешина Н.П., Иоффе А.Ф., Ковар-ской Е.З., Мэзона У., Сухорукова В.В.

В акустической лаборатории имени А.С.Фигурова Казанского ВАКИУ накоплен большой опыт в области диагностики изделий сложной формы методом свободных колебаний. Известны работы Кочергина A.B., Белова Е.В., Ванькова Ю.В., Ившина И.В., посвященные диагностике элементов газотурбинных двигателей. С применением этого метода определяются такие дефекты, как трещины на выходной кромке пера лопаток компрессора с размерами до 10 мм, трещины выходной кромки пера турбинных лопаток длиной до 2 мм, нарушение геометрических размеров пера лопаток, выявление дефектов сварного шва камеры сгорания ГТД типа непровар до 10 мм, прорези глубиной до 1 мм и длиной 10 мм. Однако, применение метода свободных колебаний в случае диагностики заготовок лопаток направленной кристаллизации затруднен из-за большого различия отливок по массовым и геометрическим характеристикам, а также высокой зависимости результатов от условий проведения измерений (нестабильность параметров механического удара для возбуждения колебаний, слабая помехозащищенность при регистрации колебаний микрофоном, недостаточная чувствительность при дефектации структурных дефектов). Эти причины определяют необходимость разработки новых, более совершенных способов и методик акустического неразрушающего контроля.

В работе в качестве объекта исследования выбраны заготовки рабочих лопаток, полученные литьем направленной кристаллизации, первой ступени турбины газотурбинного двигателя НК-8-2У. Необходимость контроля на ранней стадии производства количества макрозерен в заготовке лопатки и, особенно, выхода их границ на кромки пера наряду с выявлением дефектов типа несплошностей, ра-

ковин и нераскрытых трещин определена высокой стоимостью последующей обработки заготовок лопаток.

Анализ уровня развития и применения известных методов не-разрушающего контроля, проблем диагностики лопаток турбины ГТД позволил определить цель и задачи исследований.

Вторая глава.

Численные исследования влияния механических и структурных дефектов на форму собственных колебаний лопаток направленной кристаллизации.

Задачами исследований являлись:

1. Проведение численных исследований динамики форм колебания кромок пера лопатки на различных частотах с учетом статически присоединенной нагрузки.

2. Проведение численных исследований влияния механических дефектов на характеристики вынужденных колебаний турбинных лопаток.

3. Проведение численных исследований влияния структурных дефектов на характеристики вынужденных колебаний турбинных лопаток;

4. Определение области частот собственных колебаний исследуемых изделий, наиболее чувствительных к механическим и структурным дефектам.

В качестве метода численного анализа был выбран метод конечных элементов в варианте метода перемещений. Дискретная модель лопатки, рабочая поверхность которой представляет собой оболочку переменной толщины сложной геометрии, строилась с использованием двух типов конечных элементов. Первый тип - треугольный трехуз-ловой плоский элемент оболочки постоянной толщины с шестью узловыми степенями свободы, второй тип - стандартный конечный пространственный брус также с шестью узловыми степенями свободы. Расчеты проводились с помощью автоматизированной расчетной системы (АРС) "Суперэлементный Метод Расчета Авиационных Конструкций" (СУМРАК-ПК) в сотрудничестве с коллективом отраслевой

НИЛ САПР вертолетных конструкций Казанской инженерно-строительной академии.

Расчетные характеристики модели: число расчетных узлов модели - 153, число конечных элементов оболочки - 224, КЭ пространственной рамы - 50. Суммарные массы элементов модели: рабочей части -199.228 г, замка - 255 г, бандажа - 85 г. Шаг конечноэлементной сетки в районе пера лопатки: в продольном направлении - 5,6 мм, в поперечном направлении - 6,8 мм. Расчеты проводились в полосе частот от 100 Гц до 10 кГц.

Для оценки влияния механических и структурных дефектов на формы вынужденных колебаний с учетом статически присоединенной нагрузки проведены два варианта расчетов: с трещиной (длиной 2,5 мм), моделированной путем раздвоения узлов КЭ и с изменением из-гибной жесткости, моделированном введением между узлами соседних конечных элементов соответствующего сечения шарнира. Оба вида дефекта вводились в середину входной и выходной кромок пера лопатки. Расчетные формы (распределение амплитуды вдоль пера лопатки) вынужденных колебаний входной и выходной кромок пера лопатки в частотном диапазоне от 1,5 до 3,5 кГц с дефектом представлены на рис.1. Из графиков видно, что наличие дефекта приводит к нарушению гладкости форм колебаний из-за локального уменьшения в месте дефекта амплитуды вынужденного колебания с учетом статически присоединенной нагрузки.

По результатам проведенных расчетов сделаны следующие выводы:

1. Дефекты разного рода оказывают влияние на формы вынужденных колебаний, заключающееся в локальном уменьшении амплитуды колебания в месте дефекта;

2. Характер дефекта определяет степень изменения амплитуды в месте дефекта и нарушает гладкость формы распределения амплитуды колебания;

3. Уменьшение амплитуды колебания в месте дефекта позволяет определять положение дефекта на исследуемой поверхности изделия;

4. Целесообразно поочередное применение двух собственных частот вынужденных колебаний в диапазоне от 1,5 до 3,5 кГц для перекрытия зон нечувствительности, определяемых узловыми точками.

Третья глава.

Акустический измерительный диагностический комплекс и способы контроля структурных и механических дефектов.

С целью проведения экспериментов в акустической лаборатории им.А.С.Фигурова Казанского ВАКИУ был разработан и изготовлен измерительно-диагностический комплекс (ИДК), предназначенный для регистрации, обработки и анализа амплитудно-частотных характеристик изделий сложной формы. ИДК состоит из и экспериментальной установки (ЭУ) и унифицированного пакета прикладных программ для ЭВМ (УПП).

Измерительно-диагностический комплекс позволяет реализовать два способа поиска дефектов методом колебаний в изделиях сложной формы:

1. Методом свободных колебаний, основанном на сравнении амплитудных спектров в двух контрольных точках каждого исследуемого изделия.

2. Методом резонансных характеристик, основанном на анализе форм вынужденных колебаний исследуемой поверхности изделия на резонансных частотах.

Экспериментальная установка (см. рис. 2) предназначена для измерения акустических характеристик заготовок лопаток направленной кристаллизации. ЭУ смонтирована на массивном, литом основании и расположена на специальном бетонном фундаменте, исключающем влияние посторонних вибраций на результаты измерения. В состав ЭУ входит акустическая камера с динамическим излучателем, предназначенная для возбуждения резонансных колебаний в объекте исследования, измерительный пьезодатчик с механизмом перемещения и усилителем, предназначенный для измерения и усиления акустических характеристик объекта в разных точках, и ЭВМ с 10-ти разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), предназначенные для преобразования и записи аналогового сигнала в память ЭВМ с его после-

дующей обработкой. Динамический излучатель в составе акустической камеры позволяет с высокой стабильностью объемно, бесконтактным способом возбуждать вынужденные колебания в исследуемой заготовке лопатки. Амплитуда и частота возбуждающих колебаний устанавливаются генератором ГЗ-ЮЗ и контролируются вольтметром Ф483 и частотомером Ф5041 соответственно. Визуальный контроль измеряемого сигнала осуществляется с помощью осциллографа С1-79, результаты измерений выводятся на печать.

УПП предназначен для программного обеспечения работы экспериментальной установки, в состав которой входит ЭВМ с 16-ти канальным десятиразрядным аналого-цифровым преобразователем для преобразования акустических сигналов в амплитудные спектры и сравнения полученных спектров. Для этой цели использовались следующие функции сравнения и характеристики:

1. Площадь спектра. При анализе площади спектра производится численное интегрирование амплитуды по дискретным частотам обобщенным методом парабол (метод Симпсона) с точностью до мультипликативной константы, равной шагу дискретизации частот.

где а{ • амплитуда колебаний на / - той частоте, / - частота колебаний.

2. Статистика амплитуд. Статистика амплитуд вычисляется как среднее арифметическое значение натурального логарифма частного от деления амплитуды анализируемого спектра на амплитуду эталонного спектра:

где а, - амплитуда на ¡-ой частоте текущего спектра, - амплитуда на ¡-ой частоте эталонного спектра.

о

3. Целевые функции сравнения: коэффициент корреляции, непараметрическая оценка коэффициента корреляции, статистика знаков, статистика ранговой суммы, статистика знаковых рангов.

Четвертая глава.

Экспериментальные исследования влияния механических и структурных дефектов заготовок лопаток направленной кристаллизации на их акустические характеристики.

Проведена оценка повторяемости результатов экспериментов и сделан вывод, что экспериментальная установка, а также система измерения и обработки сигналов обеспечивают воспроизводимость результатов. Относительная ошибка результатов измерений параметров вынужденных колебаний, полученная вероятностно-статистическим методом оценки погрешности, составила 3,6. %.

Экспериментальные исследования проводились в два этапа. На первом проводилась экспериментальная оценка влияния дефектов разного рода на характеристики свободных колебаний заготовок лопаток направленной кристаллизации. Результаты показали хорошее определение механических дефектов заготовок лопаток. Определение дефектов заготовок лопаток со структурными нарушениями и раковинами на поверхности пера оказалось неоднозначным, хотя результаты измерений показали зависимость амплитудно-частотных характеристик собственных колебаний от указанных дефектов.

Второй этап экспериментальных исследований заключался в измерении параметров вынужденных колебаний заготовок лопаток направленной кристаллизации на резонансных частотах с целью определения степени влияния структурных и механических дефектов на изменение формы распределения амплитуды вынужденных колебаний. Для проведения экспериментов были отобраны 54 заготовки лопаток направленной кристаллизации I ступени турбины ГТД, из них 12 с характерными механическими и структурными дефектами. Порядок проведения экспериментов заключался в следующем:

- исследуемая лопатка укладывалась в рельефные пазы резиновой подушки на акустической камере;

- определялись резонансные частоты заданного диапазона;

- на одной из выбранных резонансных частот бесконтактным объемным способом возбуждалось перо заготовки лопатки;

- проводилось сканирование входной или выходной кромок пера заготовки лопатки измерительным пьезодатчиком с записью параметров вынужденных колебаний в память компьютера;

- проводилось обработка записанных сигналов и строился график распределения амплитуды вынужденного колебания по длине пера заготовки лопатки;

- проводился анализ формы графика распределения амплитуды вынужденного колебания измеряемой кромки пера. Нарушение гладкости формы, вызванное локальным изменением амплитуды колебания, указывает на наличие механического или структурного дефекта.

Определение резонансных частот заготовок лопаток, отличающихся по массовым и геометрическим характеристиками, сопряжено с большим объемом ручных операций и занимает длительное время. В связи с этим в акустической лаборатории им. А.С.Фигурова Казанского ВАКИУ разработано и изготовлено устройство для формирования резонансных частот, представленное на рис. 3, и предназначенное для автоматического определения резонансных характеристик в заданном частотном диапазоне. Работа устройства заключается в том, что ЭВМ с помощью ЦАП и специальной программы формирует широкий спектр звуковых частот, подаваемый через перестраиваемый генератор на динамический излучатель. Акустические волны, излучаемые динамиком, оказывают возбуждающее действие на исследуемую лопатку, которая начинает колебаться. При совпадении частоты падающей звуковой волны с частотой собственных колебаний объекта исследования наступает явление резонанса, регистрируемое пьезодатчиком. После обработки результатов измерений ЭВМ формирует базу значений резонансных частот и их амплитуд, применяемых для диагностики. Применение в экспериментальной установке устройства для формирования резонансных частот позволило значительно облегчить и ускорить процесс диагностики и разработать автоматизированный диагностический комплекс. На устройство оформлена заявка на патент и получено положительное решение № 97119156/28 от 16.01.98.

Эксперименты проводились на двух фиксированных резонансных частотах в диапазонах 1800 - 1900 Гц и 3300 - 3400 Гц, в которых наиболее сильно проявляется влияние дефектов на характеристики вынужденных колебаний. Определение формы распределения амплитуды колебаний проводилось путем сканирования кромок пера заготовок в условных точках измерения. 1 точка измерения входной кромки пера расположена на расстоянии 5,2 мм от бандажной полки заготовки, последующие отложены с интервалом 5 мм друг от друга на линии, лежащей в 3 мм от исследуемой кромки и параллельной ей. Условия измерения формы вынужденных колебаний выходной кромки пера аналогичны, с той разницей, что 1 точка измерения лежит на расстоянии 10 мм от бандажной полки. Исходя из условия получения максимальной информации о характеристиках колебательного процесса и состояния пера заготовок лопаток направленной кристаллизации, эти точки являются оптимальными и определены экспериментально.

Измеренные формы распределения амплитуды колебаний на двух резонансных частотах входной и выходной кромок пера бездефектной заготовки лопатки направленной кристаллизации показаны на рис. 4, где по оси абсцисс отложены точки измерения, по оси ординат - относительное изменение амплитуды колебаний. Формы колебания входной кромки пера дефектной лопатки (выход границы макрозерен на входную кромку пера в 8 точке измерения) представлены на рис. 5. В месте расположения дефекта замечено уменьшение амплитуды колебаний, нарушающее гладкость форм. Оценка гладкости производится сравнением полученных форм с построенными по их значениям линиям тренда, представляющими полином шестого порядка. Линия первой формы колебания (1800 - 1900 Гц) начинается с 5 точки измерения для исключения узла колебания, область которого не является информативной и затрудняет оценку результатов измерений. Потеря указанной области компенсируется применением для анализа второй формы колебания (3300 - 3400 Гц). Характер влияния других дефектов (трещина длиной 1 мм, раковины глубиной до 0,5 мм диаметром до 1 мм) на формы колебания заготовок лопаток носит аналогичный характер с

той разницей, что степень уменьшения амплитуды колебания дефектного места пропорциональна значимости дефекта.

Анализ результатов измерений производился построением дня каждой измеренной формы доверительного интервала с доверительной вероятностью 0,9. Амплитуда вынужденных колебаний в месте дефекта выходит за границы доверительного интервала (рис. 6). Обработка экспериментальных данных производилась с помощью прикладных программ Excel 5.0 пакета Microsoft Office и программы "ACOUSTIC", разработанной в акустической лаборатории КВАКНУ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Поставленная цель диссертационной работы достигнута. В соответствии с задачами исследований в диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Методом конечных элементов проведены теоретические расчеты вынужденных колебаний лопаток турбины и получены динамические формы колебания пера лопатки на различных частотах с учетом статически присоединенной нагрузки. Определено, что наличие дефекта вызывает резкое уменьшение амплитуды колебания в данном месте при незначительном изменении формы колебания в целом. Степень уменьшения амплитуды в месте дефекта пропорциональна значимости дефекта.

2. Получены экспериментальные данные параметров вынужденных колебаний входных и выходных кромок пера дефектных и бездефектных заготовок лопаток.

3. Разработаны способ и методика определения структурных и механических дефектов по анализу резонансных характеристик вынужденных колебаний, алгоритм и методика проведения измерения параметров вынужденных колебаний кромок пера заготовок лопаток направленной кристаллизации. Практически подтверждена работоспособность способа и эффективность обнаружения структурных и механических дефектов.

4. Определена область резонансных частот для измерения параметров вынужденных колебаний заготовок турбинных лопаток. Наилучшие результаты получены при анализе двух форм распределения

амплитуды вынужденных колебаний на резонансных частотах в диапазоне от 1,5 до 3,5 кГц.

5. Анализом резонансных характеристик вынужденных колебаний заготовок лопаток эффективно выявляются выход границы макрозерен на кромки пера заготовок лопаток направленной кристаллизации, вмятины и раковины глубиной до 0,5 мм диаметром до 1 мм, трещины длиной от 1 мм и более.

6. Разработаны и изготовлены экспериментальная установка и автоматизированный диагностический комплекс для диагностики заготовок турбинных лопаток направленной кристаллизации.

7. Результаты диссертационной работы были использованы для диагностики заготовок лопаток турбины 1 ступени двигателя НК-8-2 на КПГП "Авиамотор".

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Кондратьев А.Е., Кочергин A.B. Техническая диагностика заготовок монокристаллических турбинных лопаток. Сборник НТС КВАКНУ. -Казань, 1998.

2. Ившин И.В., Кондратьев А.Е., Кочергин A.B. Исследование акустических характеристик монокристаллических лопаток турбины газотурбинного двигателя. Тезисы докладов на 7 - м научно-техническом семинаре КВАКИУ. -Казань, 1995.

3. Ившин И.В., Кондратьев А.Е., Кочергин A.B. Экспериментальные исследования влияния структуры монокристаллических лопаток ГТД на их акустические характеристики. Тезисы докладов на 8 - м научно-техническом семинаре КВАКИУ. -Казань, 1996.

4. Кондратьев А.Е., Кочергин A.B., Макаева Р.Х. Определение информативной области изделия сложной формы методом голографи-ческой интерферометрии. Тезисы докладов на 9 - м научно-техническом семинаре КВАКИУ. -Казань, 1997.

5. Кондратьев А.Е., Кочергин A.B., Хабибуллин М.Г. Контроль технического состояния рабочих лопаток турбины ГТД методом акустических характеристик. Известия ВУЗов. Авиационная техника. №1. -Казань, 1998.

6. Кондратьев А.Е., Ившнн И.В., Кочергин A.B. Контроль кристаллографической ориентации макрозерен монокристаллических рабочих лопаток турбины ГТД методом акустических характеристик. Сборник НТС КВАКНУ. -Казань, 1997.

7. Кондратьев А.Е., Кочергин A.B. Контроль состояния монокристаллических лопаток методом резонансных характеристик. Тезисы докладов на 9 - м научно-техническом семинаре КВАКНУ. -Казань,

1997.

8. Кондратьев А.Е., Кочергин A.B. Устройство для возбуждения резонансных колебаний. Тезисы докладов на 9 - м научно-техническом семинаре КВАКНУ.-Казань, 1997.

9. Кондратьев А.Е., Кочергин A.B., Ившин И.В. Использование метода конечных элементов в задачах выбора информативного участка спектра. Тезисы докладов на 9 - м научно-техническом семинаре КВАКНУ. -Казань, 1997.

10. Кондратьев А.Е., Кочергин A.B. Устройство для возбуждения резонансных колебаний. Тезисы докладов на 10-м научно-техническом семинаре КВАКНУ. -Казань, 1998.

11. Кондратьев А.Е., Кочергин A.B. Контроль состояния монокристаллических лопаток методом резонансных характеристик. Тезисы докладов на 10-м научно-техническом семинаре КВАКНУ. -Казань,

1998.

12. Кондратьев А.Е., Абдюшев А.О. Анализ влияния дефектов лопаток ГТД на форму собственных колебаний методом конечных элементов. Тезисы докладов на 10-м научно-техническом семинаре КВАКНУ. -Казань, 1998.

13. Кондратьев А.Е., Кочергин A.B., Ившин И.В. Диагностика ГТД методом свободных колебаний. Тезисы докладов на И Поволж-

лопатки направленной кристаллизации с дефектом

Рис.2. Экспериментальная установка для исследования

акустических характеристик.

Рис. 3. Устройство для формирования резонансных частот.

Л %

80 , 60 ' 40 20 О1 -20 -40 -60 -80 -100

Лопатка №2-4-4073, выходная кромка пера

Номер точки измерения —О—Частота 1815 Гц —«—Частота 3237 Гц

Рис. 4. Формы колебаний входной и выходной кромок пера бездефектной заготовки лопатки направленной кристаллизации.

Рис. 5. Формы колебаний входной кромки пера дефектной заготовки лопатки

Заготовка лопатки № 1-4-1747

Рис. 6. Анализ результатов измерений

Корректировал и редактировал автор

Подписано в печать II.07.98 Формат бумаги 60x84 1/16 Типографская № 2 Офсетная печать Усл.печ.л. 1,25 Зак. 368-98 Тираж 100 экз. Бесплатно

Типография КВАКНУ, Казань-25

КАЗАНСКОЕ ВЫСШЕЕ АРТИЛЛЕРИЙСКОЕ КОМАНДНО-ИНЖЕНЕРНОЕ УЧИЛИЩЕ ИМЕНИ М.Н.ЧИСТЯКОВА

Экз. № 2 На правах рукописи

КОНДРАТЬЕВ АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧ

Исследование акустических характеристик заготовок турбинных лопаток газотурбинного двигателя, полученных литьем направленной кристаллизации, для контроля их технического состояния

Специальность 05.07.05 - тепловые двигатели летательных аппаратов

Диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Кочергин Анатолий Васильевич

Казань - 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр

Перечень условных обозначений, сокращений и индексов 5

Введение 7

1. Состояние вопроса исследований 14

1.1. Методы технической диагностики 14

1.1.1. Структурные методы контроля 15

1.1.2. Физические методы контроля 17

1.2. Акустические методы контроля 19

1.2.1. Метод свободных колебаний 22

1.2.2. Метод вынужденных колебаний 25

1.2.3. Диагностические признаки контролируемых параметров 26

1.3. Постановка задачи 27

2. Численные исследования влияния механических и структурных дефектов на форму собственных колебаний лопаток направленной кристаллизации 30

2.1. Применение метода конечных элементов для расчета форм собственных колебаний 31

2.2. Применение метода сложения форм колебаний

для динамически нагруженной конструкции 34

2.3. Объект исследования 37

2.4. Расчетные модели и анализ полученных результа-

. тов 39

3. Экспериментальный акустический измерительный диагностический комплекс и способы контроля

структурных и механических дефектов 49

3.1. Описание экспериментального акустического измерительного диагностического комплекса 49

3.2. Экспериментальная установка контроля технического состояния заготовок рабочих лопаток анализом характеристик свободных колебаний 53

3.3. Экспериментальная установка контроля технического состояния заготовок лопаток анализом характеристик вынужденных колебаний 58

3.4. Целевые функции сравнения акустических характеристик 63

4. Экспериментальные исследования влияния механических и структурных дефектов заготовок лопаток направленной кристаллизации на их акустические характеристики 68

4.1. Порядок подготовки и проведения эксперимента 68

4.1Л. Методика проведения экспериментов 68

4.1.2. Оценка погрешности результатов измерений 74

4.1.3. Требования по безопасности проведения измерений 77

4.1.4. Оценка повторяемости экспериментальных данных 77

4.2. Экспериментальные исследования зависимости свободных колебаний заготовок турбинных лопаток направленной кристаллизации от различных дефектов 80

4.3. Экспериментальные исследования зависимости резонансных характеристик заготовок турбинных лопаток направленной кристаллизации от раз-

различных дефектов 88

4.4. Анализ результатов экспериментальных исследований 100

4.5. Система автоматизированного контроля заготовок лопаток 105

4.5.1. Автоматизированный диагностический комплекс 105

4.5.2. Устройство для формирования резонансных частот 108

4.6. Применение методики в практических задачах неразрушающего контроля 110

Заключение 111

Литература 113

Приложения 125

Перечень условных обозначений, сокращений и индексов

АД-50Ц - акустический дефектоскоп

АД-50УК - акустический дефектоскоп

АД-60С - акустический дефектоскоп

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ГТД - газотурбинный двигатель

ГЗ-ЮЗ - генератор звуковой частоты

ИДК - измерительно-диагностический комплекс

ИЛКИА-13-03 - пьезоэлектрический датчик

КЭ - конечный элемент

С1-79 - осциллограф

СК4-72 - анализатор спектра

У2-8 - селективный усилитель

УПП - унифицированный пакет прикладных программ Ф483 - цифровой вольтметр Ф5041 - частотомер

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь ЭВМ - электронно-вычислительная машина ЭУ - экспериментальная установка А - амплитуда колебаний Act - статистика амплитуд

Ъ - вектор формы нагружения

С- матрица затухания

E(t) -скалярная функция времени

f - частота колебаний

J - ранговая сумма Вилкоксона-Имана

Jr - знаковые ранги Вилкоксона-Имана

К - матрица жесткости

М- матрица масс лопатки

p{t) - внешняя нагрузка

S - статистика знаков Фишера

S( А) - среднеквадратическое отклонение

Sz - оценка суммарного среднего квадратичного отклонения

t - коэффициент Стьюдента

т - интервал дискретизации

v - форма колебания системы

V - вектор неизвестных перемещений

coDn - круговая частота собственных колебаний

со - вектор собственных частот

Введение

Современное развитие авиационной техники невозможно без обеспечения высоких летных характеристик и надежности летательных аппаратов. Дальнейшее повышение энерговооруженности с возможностью увеличения срока службы выдвигают на одно из первых мест требования высокой безопасности полетов и эффективности использования авиационной техники. Реализация этих требований на всех стадиях жизненного цикла изделий авиационной техники невозможна без качественной и полной диагностики /2, 3, 45, 84, 112/.

Важнейшим агрегатом самолета, определяющим его работоспособность, надежность и безопасность полета, является авиационный двигатель, непрерывно совершенствующийся на базе новых научных разработок.

Известно, что обеспечение высоких рабочих характеристик современных и перспективных ГТД невозможно без существенного повышения температуры газа перед турбиной. По зарубежным прогнозам, температура газа перед турбиной в ближайшие 10 лет увеличится на 350-450 0 С и достигнет 2000-2050°К (1727-1777°С). В этих условиях создать надежно работающую лопатку турбины ГТД возможно только совместными усилиями конструкторов, прочнистов, металловедов и технологов. Совершенствование конструкции лопаток, разработка новых технологий их производства и методик оценки в комплексе должны обеспечить создание высококачественных лопаток турбины.

Лопатки турбины изготавливаются, как правило, литыми из жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС /69/. Для обеспечения их надежной работы при возрастающих температурах и напряжениях необходимо повышать жаропрочность литейных сплавов, совершенствовать и развивать технологию их литья. Все большее значение

приобретает в этой связи технологический процесс литья с направленной кристаллизацией, который позволяет обеспечить максимальный уровень свойств материала и высокую эффективность производства лопаток турбин газотурбинных двигателей.

Применение литья методом направленной кристаллизации позволяет на традиционных сплавах типа ЖС повысить основные рабочие характеристики за счет исключения поперечных границ зерен и определенной ориентации его кристаллической решетки относительно главных действующих напряжений.

Внедрение новых технологий невозможно без разработок специальных методов контроля возможных производственных и эксплуатационных дефектов лопаток. К хорошо известным литейным и усталостным дефектам прибавляется необходимость контроля количества макрозерен в изделии, их кристаллографическая ориентация и, особенно, выход границ макрозерен на кромки пера лопаток.

Анализ технического состояния лопаток, осуществляемый методами неразрушающего контроля, решает целый комплекс задач:

- определение литейных дефектов;

- своевременное выявление усталостных трещин и других дефектов вследствие износа поверхности;

- установление причины образования дефекта;

- определение работоспособности лопаток;

- проведение мероприятий по повышению безотказности двигателей.

Особую важность представляет выявление зарождения дефекта на всех стадиях изготовления лопаток для исключения попадания дефектного изделия в эксплуатацию. Это обеспечивается применением различных методов неразрушающего контроля, к которым относятся: магнитные, капиллярные, вихретоковые, акустические, радиационные и оптические методы. Однако, каждый из названных мето-

дов позволяет выявлять только отдельные виды дефектов в ограниченных местах при специфических условиях контроля.

Общими недостатками методов неразрушающего контроля в авиастроении являются /12 ,30, 38, 84/:

- низкая чувствительность к малым дефектам типа микротрещина, трещины без выхода на поверхность изделия, несплошность материала, нарушение структуры материала;

- большая трудоемкость и длительность контроля, связанного с ручными операциями;

- высокая степень субъективности в определении дефекта;

- низкая автоматизация процессов контроля;

- экологическая вредность некоторых из них.

Определение макроструктуры заготовок лопаток в производстве осуществляется, как правило, двумя способами: контроль направленности дендридных осей первого порядка после протравки заготовки в специальном растворе, заключающийся в визуальном сравнении внешнего вида с набором фотообразцов, и рентгеноскопический, которым присущи отмеченные недостатки.

Необходимо отметить, что в настоящее время проблема надежного контроля технического состояния заготовок турбинных лопаток, полученных литьем направленной кристаллизации (заготовок лопаток направленной кристаллизации) решена не полностью, поэтому продолжается поиск перспективных методов неразрушающего контроля, одним из которых является метод колебаний.

В акустической лаборатории им. А.С.Фигурова Казанского ВАКИУ накоплен большой опыт в области акустической диагностики. Сотрудниками лаборатории разработаны различные способы поиска дефектов, современный диагностический комплекс, методики для диагностики рабочих лопаток компрессора ГТД /22, 42/, сварных швов камеры сгорания ГТД /25/, оригинальное программное обеспе-

чение. Сравнением амплитудно-частотных характеристик бездефектного и контролируемого изделия определяются такие дефекты, как трещина на кромке пера длиной более 3 мм /42/, нарушение геометрических размеров, дефект типа "шишка", а также некачественная посадка лопаток в пазы диска колеса и неравномерность натяга между бандажными полками лопаток /22/ . Метод свободных колебаний обеспечивает выявление дефектов сварного шва камеры сгорания ГТД типа "непровар" длиной до 10 мм, прорези глубиной до 1 мм и длиной до 10 мм /25/.

Однако, необходимость контроля макроструктуры заготовок турбинных лопаток, полученных методом направленной кристаллизации, накладывает дополнительные требования, связанные с увеличением чувствительности метода колебаний. Контроль же заготовок лопаток направленной кристаллизации затруднен в связи с большим разбросом их массовых и геометрических характеристик, оказывающих непосредственное влияния на колебательный процесс пера лопаток /42/.

Настоящая работа посвящена исследованиям акустических характеристик заготовок турбинных лопаток, полученных литьем направленной кристаллизации, с целью определения диагностических признаков возможных дефектов и разработки новой, более эффективной методики их технического контроля.

Научная новизна и практическая ценность работы заключается в том, что:

- получены результаты численных расчетов акустических характеристик вынужденных колебаний заготовок лопаток направленной кристаллизации с учетом статически приложенной нагрузки, определено влияние дефектов разного рода на формы вынужденных колебаний;

- определены интервалы частот вынужденных колебаний пера лопатки и необходимое количество анализируемых мод, несущих максимально возможную информацию о техническом состоянии изделия;

- получены новые экспериментальные данные об акустических характеристиках бездефектных и дефектных заготовок лопаток направленной кристаллизации;

- разработан перспективных способ определения различных дефектов заготовок лопаток направленной кристаллизации путем ана-

. лиза форм вынужденных колебаний;

- разработана методика диагностики заготовок турбинных лопаток ГТД, полученных литьем направленной кристаллизации на основе предложенного способа;

- разработаны экспериментальные установки и автоматизированный акустический диагностический комплекс;

- с использованием разработанной методики диагностики в заготовках лопаток направленной кристаллизации выявлены следующие дефекты: выход границы макрозерен на входную и выходную кромки пера, раковины диаметром до 1 мм и глубиной до 0,5 мм на внешней и внутренней поверхностях пера, трещины длиной до 1 мм на кромках пера, а также различные нарушения геометрии пера лопаток направленной кристаллизации.

Автор защищает:

- результаты численного моделирования влияния дефектов различного рода на акустические характеристики лопаток направленной кристаллизации с учетом статически приложенной нагрузки;

- результаты экспериментальных исследований акустических характеристик заготовок лопаток направленной кристаллизации;

- способ определения дефектов разного рода в сложных изделиях анализом форм распределения амплитуды вынужденных колебаний;

- методику диагностики заготовок лопаток направленной кристаллизации методом вынужденных колебаний;

- экспериментальные установки и автоматизированный диагностический комплекс.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Во введении рассмотрена актуальность представленной работы и дана ее краткая характеристика. Первая глава посвящена обзору литературы по существующим методам не-разрушающего контроля, дана оценка состояния проблемы на данный момент и определены цели и задачи работы. Вторая глава посвящена численным исследованиям влияния дефектов разного рода на формы вынужденных колебаний лопаток направленной кристаллизации, где методом конечных элементов при условии сложения форм колебаний для динамической конструкции рассчитаны формы вынужденных колебаний входной и выходной кромок пера с учетом статически приложенной нагрузки. В главе получены расчетные формы колебания кромок пера дефектных и бездефектных заготовок лопаток направленной кристаллизации, оценено влияние значимости дефекта на форму колебания, определены интервалы частот вынужденных колебаний пера лопатки, необходимое количество анализируемых мод колебаний и сделан вывод о возможности определения дефектов разного рода по изменению форм вынужденных колебаний заготовок турбинных лопаток. В третьей главе дано описание разработанных экспериментальных установок по исследованию свободных и вынужденных колебаний в составе измерительного диагностического комплекса и целевые функции сравнения измеренных акустических характеристик. Четвертая глава включает в себя экспе-

риментальные исследования и анализ полученных результатов. В главе представлена методика проведения экспериментов, проведены экспериментальные измерения параметров собственных и вынужденных колебаний заготовок лопаток и произведен анализ полученных результатов. Также в четвертой главе показан автоматизированный диагностический комплекс, разработанный на основе предложенного способа анализа форм вынужденных колебаний, и разработана методика его работы.

Работа выполнена на кафедре №4 Казанского высшего артиллерийского командного инженерного училища имени М.Н.Чистякова. Основные вопросы диссертации раскрыты в статьях /50, 55, 56/ и тезисах докладов /51, 52, 54, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63/. Материалы по результатам работы доложены на Международной конференции по экологии в 1997 г, Казань, на 11 Поволжской конференции по нераз-рушающему контролю и технической диагностике в 1994 г, Самара, на научных конференциях и семинарах Казанского ВАКИУ в 1994 -1998 гг., на технических семинарах Казанского моторостроительного объединения в 1995 - 1997 гг., на научно-технической конференции Казанской инженерной строительной академии в 1997 г.

За поддержку в работе, ценные указания и замечания автор искренне благодарит: научного консультанта к.т.н. Ившина И.В., к.т.н., доцента Белова Е.В., к.т.н. Ванькова Ю.В., к.т.н. Круглова Е.П., к.т.н. Протасову Н.В., инженеров Абдюшева A.A., Калимул-лину Р.Ф., Рунова Ю.А.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Методы технической диагностики

Развитие современных авиационных газотурбинных двигателей в значительной степени определяется работоспособностью лопаток турбины. Это связано с высоким, непрерывно возрастающим уровнем температур и напряжений на рабочих лопатках, а также с необходимостью существенного повышения их рабочего ресурса /64, 91/. Осуществление указанных требований связано с необходимостью повышения жаропрочности литейных сплавов, что достигается применением литья направленной кристаллизации, которое позволяет обеспечить максимальный уровень свойств материалов и высокую эффективность производства лопаток турбин.

Одним из эффективных способов поддержания высокой надежности авиационной техники и увеличения срока ее службы является обязательное применение на всех этапах производства, эксплуатации и ремонта высокочувствительных методов неразру-шающего ко