автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Исследование характеристик выносливости лопаток компрессоров авиационных ГТД электромагнитными методами

Введение.

Глава I. Теоретические обобщения в области деформационно-циклического страрения легки сплавов. Постановка задачи.

1.1 Общие замечания

1.2 Анализ разрушений лопаток компрессоров ГТД.

1.3 Модел накопление усталостных повреждений в лопаточных материалах при работе.

1.4 Анализ Электрофизических свойств вихретокового метода дефектоскопии., постановка задачи.

Выводы по 1 главе.

Глава II. Экспериментальное оборудование и методика проведение эксперимента.

2.1. ВТ-дефектоскоп « Элотест В1» как средство решения поставленной задачи.

2.2. Методика проведения экспериментальных исследования.59 Выводы по П главе.

Глава Ш. Результаты оценки остаточной усталостной долговечности лопаток КНД электромагнитными методами.

3.1 Экспериментальная база.

3.2 Процедуры и результаты эксперимента.

3.2.1 Результаты измерения электропроводности.

3.2.2 Результаты измерения электоимпеданса материала лопаток с различной наработкой.

3.3 Нормирование предельных значений электроимпеданса.

Выводы по Ш главе.

Глава IV. Технико-экономическая эффективности реализация результатов исследовании.

4.1 Выработка подхода к оценке технико экономической эффективности измерения остаточного ресурса лопаток.

4.1.1 Результтаты -экономической оценки мероприятий по измерению остаточного ресурса.

4.2 Разработка рекомендаций по практической реализации результатов исследований.

4.2.2 Оценка остаточной усталостной долговечности при капитальном ремонте.

Выводы по IV главе.

Надежность и долговечность авиационного двигателя (АД) невозможно обеспечить без внедрения в техническую эксплуатацию методов диагностики наиболее напряженных элементов, испытывающих сложный спектр термомеханического нагружения. Вибрационно-циклические нагрузки, присущие практически всем элементам АД, имеющие нестационарный и нерегулярный характеры приложения, вызывают в зонах концентрации напряжений переменные поля упругопластических деформаций и обуславливают возникновение усталостных трещин. Такого рода дефекты чрезвычайно опасны и могут привести к серьезным авиационным происшествиям. Очевидно, что в пределах назначенного ресурса большое значение имеют проблемы прогнозирования технического состояния конструктивных элементов ГТД и прежде всего таких, как диски ротора, подшипники, рабочие лопатки турбин и компрессоров.

Первый этап прогнозирования ресурса осуществляется на стадии проектирования расчетным путем. Применительно к деталям ротора ГТД, испытывающим переменные нагрузки, ресурс обосновывается расчетными методами с учетом феноменологических (как правило линейных) гипотез накопления повреждений в материале.

Существующие методы анализа сопротивления материалов деформированию при циклическом нагружении позволяют качественно оценить закономерности изменения диаграммы циклического деформирования металлов по числу полуциклов нагружения [1, 5, 7 , 8]. В то же время вопрос о сопротивлении деформированию при нерегулярном нагружении в условиях старения изучен недостаточно. Предложенные в литературе зависимости, описывающие закономерности деформирования материалов и подходы к оценке остаточной усталостной долговечности металлов при нестационарном нагружении обычно требуют подтверждения на практике (испытаниями).

Практическая оценка ресурсоспособности ГТД заключается в исследовании долговечности натурных узлов и деталей в лабораторных условиях, а также проведении эквивалентных испытаний двигателя на ресурс. Здесь решающую роль играет материал, а точнее его стабильность при различной длительности нагружения. Многочисленные исследования в области структурных преобразований материала под воздействием нагрузок [12 ] показывают, что ответственными за несущую способность материала являются микро- и субмикротрансформации, которые часто называют накопленными или скрытыми (внутренними) повреждениями. Формирование программ эквивалентных (ускоренных) испытаний ГТД на ресурс основано на сходстве микро- и субмикроискажений в материале, получаемых после эквивалентного нагружения, с картиной от влияния наработки [18].

Однако описанный этап также не позволяет получить полную и достоверную информацию о потенциальных свойствах конструктивных элементов ГТД, т.к. выработка ресурса во многом случайна. К доминирующим случайным факторам здесь можно отнести исходные свойства материала, а также историю нагружения конструкции, поэтому важным моментом обеспечения безопасности полетов является прогнозирование ресурса ГТД в эксплуатации с помощью методов и средств инструментальной диагностики.

В настоящее время в ГА используется целый арсенал методов инструментальной диагностики, а также неразрушающего контроля (Н.К) узлов и элементов ГТД [14]. К основным из них относятся вибродиагностика, анализ примесей в маслах, диагностика по термогазодинамическим параметрам, оптико-визуальный, акустический, вихретоковый, рентгенографический контроль и др. Перечисленные методы дают возможность решать идентификационные задачи классификации и не используются как измерители остаточного ресурса ГТД. В то же время потенциальные возможности ряда методов диагностики и, в частности методов НК, могут быть привлечены для решения этой важной задачи. Специальные исследования такого рода проводились рядом отечественных и зарубежных ученых. Известны работы в этом направлении Дорошко С.М.,Тойбера M.JL, Коняева Е.А., Пивоварова В.А. , Коллакота Р. и др.

В условиях приближения к предельным ресурсам, а также возможного применения стратегии эксплуатации ГТД по техническому состоянию, актуален вопрос о потенциальной несущей способности наиболее нагруженных элементов АД и в частности лопаток компрессоров. Под воздействием вибрационно-циклических нагрузок в материале лопаток также идут сложные процессы накопления повреждений. Для каждого типа ГТД эти процессы специфичны, тем не менее знание их позволит оценивать возможность дальнейшего использования лопаток компрессоров ГТД, т.е. управлять их ресурсом.

Часто выносливость материала оценивают т.н. прямыми испытаниями на усталость до появления трещины. У этих испытаний много недостатков, главным из которых является невозможность проследить процесс изменения свойств на отдельно взятом объекте. Косвенные, неразрушающие методы измерения усталостных свойств позволят оценивать материал объекта последовательно во времени и в различных зонах нагружения, т.е более эффективно выявить влияние наработки.

Суть данной работы состоит в исследовании характеристик выносливости лопаток компрессоров НД широко распространенных в ГА двигателей ДЗО-КУ (КП, КУ-154) методом неразрушающей электромагнитной (вихретоковой) дефектоскопии с целью выявления закономерностей накопления повреждений, вызванных наработкой (деформационно-циклическим старением), а также возможности индивидуального измерения остаточного ресурса лопаток.

Научная новизна работы состоит в следующем: 1. На основе выполненного статистического анализа определены качественные изменения в лопаточных материалах, свойственные усталости при длительном воздействии наработки.

2. Проведены теоретические обобщения в области циклической повреждаемости материалов, вскрыты доминирующие модели накопления усталостных повреждений, обусловленных наработкой и нагруженностью лопаток.

3. С использованием метода вихретоковой (ВТ) дефектоскопии работавших лопаток подтверждены теоретические закономерности, а также структурные изменения, типичные для усталостной повреждаемости в процессе функционирования.

4. Разработаны рекомендации по использованию полученных результатов в практике технической эксплуатации авиационных ГТД.

Достоверность результатов исследований выводов и практических рекомендаций подтверждаются объемом экспериментов, использованием высокоточного экспериментального оборудования, а также корректным применением расчетно-аналитических методов оценки погрешностей.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты теоретических обобщений в области усталостной повреждаемости лопаточных материалов.

2. Теоретическое обоснование возможности использования ВТ-метода для выявления структурных трансформаций лопаточных материалов в связи с нестационарным вибрационно-циклическим нагружением (наработкой).

3. Результаты экспериментальной оценки структурной повреждаемости материала лопаток с наработкой.

4. Результаты исследований изменения электроимпеданса материала лопаток с наработкой ВТ-методом .

5. Практические рекомендации по учету потенциальной ресурсоспособности лопаток при различной длительности нагружения в эксплуатации.

Практическая ценность работы заключается в том, что возможность юмерять остаточный ресурс лопаток с помощью ВТ-метода позволит: обеспечить возможность своевременной отбраковки лопаток с пониженными эксплуатационными свойствами в условиях эксплуатации и ремонта; обеспечить повышение безопасности полетов за счет повышения характеристик безотказности лопаток КНД двигателей Д30-КУ(КП), КУ-154; снизить досрочный съем указанных двигателей в процессе эксплуатации и улучшить тем самым характеристики их надежности; сократить потребность авиакомпаний и предприятий ГА в двигателях и снизить их дефицит.

Апробация работы.

Результаты выполненных исследований публично докладывались и получили положительную оценку на ряде международных, всеросийских и внутривузовских научно-технических конференциях (1999- 2001гг.). Методика исследований и основные результаты диссертационной работы опубликованы в двух научных статьях

Структура и объем диссертационной работы.

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников, приложений.

В первой главе рассмотрены:

Теоретические аспекты внутренней повреждаемости лопаточных материалов, обусловленные наработкой;

Модели накопления усталостных повреждений в лопаточных материалах при вибрационно-циклическом нагружении;

Теоретические обобщения по возможному использованию вихретокового ВТ- метода контроля трансформаций материала, вызванных влиянием наработки;

Сформирована задача исследования.

Во второй главе рассмотрены: Оборудование вихретокового контроля с характеристиками повышенной чувствительности;

Результаты металлографического анализа материала лопаток с различной наработкой;

Методика экспериментального исследования материала лопаток отработавших различные сроки в эксплуатации;

Третья глава посвящена:

Результатам оценки остаточной усталостной долговечности работавших в эксплуатации лопаток электромагнитными методами.

В четвертой главе приведены:

Материалы по практическому использованию полученных результатов, оценке технико-экономической эффективности использования моторного парка с учетом индивидуальной оценки ресурсоспособности лопаток КНД двигателей ДЗО-КУ (КП), КУ-154.

Автор выражает признательность коллективу кафедры технической эксплуатации летательных аппаратов и авиадвигателей (ТЭЛАиАД) Московского государственнного технического универстиета гражданской авиации, а также научному руководителю, д.т.н., проф. Пивоварову В.А. за действенную помощь, оказанную при выполнении данной работы.

Выводы по 4 главе

1. Разработан подход и проанализированы факторы, обуславливающие экономическую эффективность эксплуатации ГТД с лопатками, подверженными отказу (обрыву) в связи с образованием трещин механической усталости по причине исчерпания ресурса.

2. Путем имитационного моделирования «движения» ГТД во временном интервал просчитаны технико-экономические оценки мероприятий по измерению остаточного ресурса.

3. Разработаны рекомендации по практическому внедрению технологических операций оценки остаточной усталостной долговечности рабочих лопаток КНД двигателей ДЗО-КУ (КП, КУ-154) при Техническом обслуживаний в услвиях эксплуатации и при капитальном ремонте.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что основной повреждающей нагрузкой лопаток компрессоров авиационных ГТД являются вибрационно-циклические нагрузки, которые в ряде случаев обусловливают разрушения лопаток или образование трещин на профильной части.

2. Факторы Вибрационного нагружения, а также сопуствующих видов нагружения нагружения в совокупности определяют вид модели накопления усталостных повреждений (линейный или нелинейный)

3. Черезвычайно акуальным вопросом является вопрос о возможности измерения накопленных устталостных повреждений косвенными методами контроля. В ряду таких методов особое место занимет методы электромагнитной и, в частности, ВТ-дефектоскопии, который на режимах повышенной чувствительности впольне способен решить поставленную задачу по отношению к дисперсионно-твердеюшим сплавам на алюминиевой основе.

4. Разработана методика проведения экспериментальных исследований по оценке изменения усталостных свойстов лопаток КНД упомянутых типов ГТД при работе.

5. Исследованы характерстики электропроводности материала профильной части пера лопаток с различной наработкой, выявлены зоны структурных преобразований, связнные с накоплением усталостных повреждений.

6. Проведены экспериментальные исследование по измерению электроимпеданса на лопатках с различной наработкой, подтверждён нелинейный характер накопления усталостных повреждений в материале лопаток с наработкой.

7. Выявлен вид измерения остаточной усталостной долговечности исследуемых лопаток соответвующий параболической кривой. Произведено математическое описание этой зависимости.

8. Разработана методика нормирования предельного значения электроимпеданса (ZK) в связи с исчерпанием ресурса лопаток по характеристикам усталостной долговечности.

9. Путем имитационного моделирования движения ГТД во временном интервале просчитаны технико-экономические оценки мероприятий по измерению остаточного ресурса лопаток КНД двигателей ДЗО-КУ (КП, КУ-154).

Ю.Разработны рекомендации по практическому внедрению технологических операций оценки остаточной усталостной долговечности рабочих лопаток КНД двигателей Д30-КУ(КП, КУ-154) при техническом обслуживании в условиях эксплуатации и при капитальном ремонте

1. Болотин В.В. Статические методы в строительной механике. М.: стройиздат. 1995, 279с. 1984. -312 с.

2. Благовещенский Ю.И. Аксиоматическая Теория Накопления Усталостных повреждений, заводская Лаборатория. №10, 1969, 12021213 с.

3. Герасимов В.Г, Покровский А.Д, Сухоруков В.В. Неразрушающий Контроль. М.: издательство, 1992, 260с

4. Дасковский И. М. Лыс. В.Ф., Устинщков Ю.И. // Проблемы прочности. 1987. №10.с26-34

5. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов.М.: Наука, 1979, 301 с.

6. Кузьмин В.Р., Прохоров В.А, Боронсов А.З. Усталостная Прочность металлов и долговечность Элементов конструкций при нерегулярном нагружении высокого уровня.МАИ, 1998 178с.

7. Конструкционная прочность материалов и деталей ГТД (руководство для конструкторов). Труды ЦИАМ № 835, 1979, 521 с.

8. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. Перевод с польского. М.: Металлургия, 1976, 456 с.

9. Лозицкий Л.П. О задачах надежности и долговечности газотурбинных двигателей. В кн.: Надежность и долговечности авиационных газотурбинных двигателей. Киев: КИИГА, 1971, вып.1, с. 5-17.

10. Ю.Мавлютов P.P. Исследование концентрации напряжений в элементах авиационных конструкций . Автореферат на соискание уч. Степени д.т.н. Казань , КАИ, 1974,43 с.

11. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов. Справочное пособие / Под общей редакцией А. А. Туманова / М.: Машиностроение, 1974, 320 с.

12. Миркин П.И. Физические основы прочности и пластичности. М.: МГУ, 1968, 539 с.

13. Пивоваров В.А. Повреждаемонсть и диагностирование авиационных конструкций М.: 1994

14. Пивоваров В.А. Эксплуатационная повреждаемость лопаток турбин авиационных силовых установок. М.: Транспорт, 1997,121 с.

15. Пивоваров В.А. Повреждаемость авиационных конструкций (физика надёжности) М.: РИО МИИГА, 1991, 82 с.

16. Пивоваров В.А., Абрамов Б.А., Машошин О.Ф. Оценка стойкости лопаток компрессоров ГТД к наносимым повреждениям с учётом влияния наработки. В сборн. трудов ВНТК. М.: РИО МИИГА, 1990, с. 49-56.

17. Пивоваров В.А.,Абрамов Б.А. МУ по выполнению лабораторной работы « Оценка технического состояния авиатехники с применением вихретоковых МНК» М.: РИО МИИГА,1990, 24 с.

18. Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. М.: Машиностроение, 1993, 231

19. Расчёт на прочность авиационных газотурбинных двигателей. / Под редакцией И.А. Биргера, Н.И. Котерова/ М.: Машиностроение 1984, 312 с.

20. Ресурсное проектирование авиационных ГТД. Руководство для конструкторов. Труды ЦИАМ №1275. М.: 1991, 372 с

21. Смирнов Н.Н., Ицкович А.А. Обслуживание и ремонт авиационной техники по состоянию. М.: Транспорт, 1987, 272 с.

22. Тойбер M.JI. электронные системы контроля иДиагностики силоввых установок М. Воздушный Транспорт, 1990 14-27с

23. Установщиков Ю.И., Пивоваров В.А., Рац А.В. Упрочнение и упрочнение сплава ВД-17 при циклическом нагружении. «Известия» АН РФ, Металлы», № 1, 1992, с. 162-170.

24. Факео Екиборо. Научные основы прочности и разрушения материалов. Киев: Наукова Думка, 1978, 352 с.

25. ФоррестП. Усталость металлов. М.: Машиностроение, 1989, 320 с.

26. Фридель Ж. Усталость металлов. М.: мир, 1967, 645 с.

27. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. М.: Машиностроение, 1974, 413 с.

28. Экспериментальное исследование несущей способности лопаток компрессоров Двигателя Д-30 КУ (КП) с учетом влияния наработки отсчет по Нир №35-88,: гос. Регистрации 01880024418, научный руководитель Пивоваров В.А. М.: МИИГА, 1988, 165 с.

29. Baldwin W.M. Residual Stresses in metals, Proc. ASTM, 49,1949.

30. Corten, Dolan. Accumulative fatigue damage. Int conf. Of fatigue of metals. Ld, 1966.

31. David N. Stress wave Propagation in Materials, New York, wiley Interscience.

32. Dowling, N Fatigue failure predictions for complicated stress-strain histories, J. Materials, 1972.

33. Elain, H.A. Non-destructive testing, 18, N3,1980

34. Heam, E.J. Stress Analysis, Design Engineering handbooks, Product Journals LTD, Soumit house, west wickam, 1968.

35. Nonouha, P.J. and wert J.J. Testing and Evaluation, 3,N3,1982, 147-152.

36. Рагкег, A.P. The Mechanics of fracture and Fatigue, E. and FN Spon. London, 1981.

37. Methods of measurement of strain, Bulletin S.G.3, Tinsley Telecon Ltd, South Norwood, London, 1984.

38. Manson S.S. Inversion of the and strain-stress relationships for use in metal fatigue analysis // fatigue of engineering materials and structures, 1979. V.1.N4.P. 111-116.

39. Freudenthal, Physical and statistical aspects of accumulative damage. Colloquium on fatigue, Berlin 1956.