автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Оценка повреждаемости деталей ГТД с помощью методов акустической эмиссии и вихревых токов

MATH - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ нм. К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО

Для служебного пользования Экз. № Ь На правах рукописи

ЦЫКУНОВ НИКОЛАЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

УДК 629.7.036: 620.179: 539.4

ОЦЕНКА ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГТД С ПОМОЩЬЮ МЕТОДОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И ВИХРЕВЫХ ТОКОВ

05.07.05 - Тепловые двигатели летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1999

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Центральном институте авиационного моторостроения им. П.И. Баранова.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор В.А. Скибин

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор В.А. Сгилевский

доктор технических наук М.Е. Колотников

Ведущая организация - Тушинское машиностроительное конструкторское бюро "Союз".

Защита состоится 1999 г. в /Г часов

на заседании специализированного Совета Д 063. 56. 03. "Тепловые двигатели летательных аппаратов" в "МАТИ" - Российском Государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: г. Москва, Берниковская набережная, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан "

/r/c/cdyf J? 1999 г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу : 121552, Москва, Г-552, ул. Оршанская, д.З, "МАТИ"- РГТУ им. К.Э. Циолковского, ученому секретарю специализированного Совета Д 063. 56. 03. yf

Ученый секретарь специализированного совета Д 063. 56. 03.

Доктор технических наук профессор

И.В. Шевченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Определение остаточного ресурса деталей машин в процессе их регламентного обслуживания является неотъемлемой частью мероприятий, направленных на обеспечение эффективной и безопасной эксплуатации техники.

Важное место в мероприятиях, обеспечивающих выполнение требований по надежности и безопасности авиационной техники, занимают работы по оценке состояния деталей газотурбинных двигателей (ГТД) методами неразрушающего контроля (НК). Методами НК выявляются трещины, коррозионные и эрозионные поражения, прогары и другие дефекты.

В настоящее время состояние материала определяется по отработанному ресурсу в часах или циклах. Эта оценка не всегда соответствует реальному состоянию детали, так как изначально ресурс назначался для детали с наихудшим сочетанием свойств материала и условий работы. При таком подходе значительная часть ресурса детали остается неиспользованной.

Для максимального использования ресурса высоконагру-женных, ответственных и дорогостоящих деталей ГТД необходим переход на эксплуатацию по состоянию, что предъявляет повышенные требования к НК и ставит новые задачи по его применению. Прежде всего, это определение остаточного ресурса, а для основных деталей - проведение дефектоскопического контроля наиболее опасных зон с малой периодичностью. Требование выполнения дефектоскопии с малой периодичностью часто ограничено возможностями традиционных подходов к контролю. Это обуславливает большой интерес к развитию методов встроенного контроля.

Для деталей ротора ГТД вопросы оценки состояния материала по результатам НК на стадии до появления несплошности и при встроенном контроле являются малоизученными. Отсутствуют методики и аппаратура для реализации встроенного контроля.

Цель диссертации состоит в разработке и реализации методик встроенного НК, методик, обеспечивающих контроль за повреждаемостью деталей ротора ГТД в наиболее опасных зонах с малой периодичностью, и методик, позволяющих оценивать остаточный ресурс по результатам проведения НК.

Научная новизна. Определены основные параметры систем, предназначенных для дефектоскопического контроля дисков и лопаток ГТД вращающегося ротора с помощью неподвижного (встроенного) вихретокового преобразователя.

Разработана методология создания вихретоковых встроенных преобразователей для обнаружения дефектов (трещин) на вращающихся деталях.

Установлена аналитическая зависимость, позволяющая учитывать изменение чувствительности встроенного вихретокового контроля, при изменениях зазора между преобразователем и вращающейся деталью и колебаниях температуры в процессе измерений.

Получены диаграммы роста трещин от отверстий и пазов типа "ласточкин хвост" по сигналам вихретоковых преобразователей в процессе испытаний модельных и натурных дисков на разгонных стендах.

Экспериментально установлены зависимости между параметрами амплитуды и энергии сигналов акустической эмиссии и состоянием материалов ЭИ698ВД, ВЖЛ-12У и 12Х18Н9Т при малоцикловом изотермическом и неизотермическом нагружении.

На защиту выносятся:

- Создание новых методик исследования повреждаемости на основе разработки встроенных средств вихретокового НК вращающихся деталей.

- Реализация встроенного вихретокового контроля повреждаемости материалов модельных дисков, дисков компрессора и турбины ГТД при нормальной и повышенной температурах.

- Методика обнаружения трещин на входных и выходных кромках в лопатках ГТД при вращении ротора.

- Результаты исследований повреждаемости материалов ЭИ698ВД, 12Х18Н9Т и ВЖЛ-12У методом акустической эмиссии в процессе малоциклового изотермического и неизотермического на-гружения.

Практическая ценность. Разработанные методики и средства ВТ контроля повреждаемости деталей позволяют существенно увеличить производительность НК за счет проведения дефектоскопии дисков и лопаток ГТД при вращающемся роторе. Полученные закономерности изменения АЭ сигналов дают возможность оценивать состояние материалов при малоцикловом изотермическом и неизотермическом нагружении.

Разработанные методики НК внедрены на стендах ЦИАМ и используются при проведении испытаний материалов и изделий.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на Научно-технической конференции "Высокое качество и надежность машиностроительной продукции - через исследования, контроль и диагностику". Осенний машиностроительный салон, ВДНХ СССР. (Москва, 1991г.), на Международном салоне "Новые Российские технологии для машиностроения" (Берлин, 1994г.), на 2-ой Межотраслевой научно-технической конференции "Совершенствование методов и средств стендовых испытаний ВРД и их узлов" ( Лыт-карино, 1995г.), на XXVII Международном научно-техническом совещании по проблемам прочности двигателей (Москва, 1999г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научно-технических статей, выпущен руководящий документ и получено 1 авторское свидетельство.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, изложена на 154 страницах, включая 78 рисунков, 7 таблиц, список использованной литературы и 4 приложения).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выносимых на защиту вопросов, формулируется цель исследований, дается краткий обзор содержания диссертации.

В первой главе рассматриваются современные методы расчетно-экспериментальной оценки процессов накопления повреждений материалом в результате различных силовых и температурных воздействий на него в процессе работы машины. Отмечается, что используя аналитические выражения, описывающие протекание процессов повреждаемости, необходимо учитывать статистический разброс значений, который только при малоцикловой усталости может составлять порядок и более по числу циклов до разрушения.

На практике наличие разброса приводит к необходимости введения коэффициентов запаса прочности или ориентации на наихудшее сочетание свойств и наиболее жесткие условия нагружения для обеспечения требуемой надежности при эксплуатации техники. Соображения экономики заставляют искать пути использования индивидуального ресурса деталей, который может быть значительно большим, чем назначенный с учетом разброса или по наихудшему сочетанию свойств и условий нагружения.

Одним из путей использования индивидуального ресурса деталей является введение неразрушающего контроля (НК) за состоянием деталей в процессе их эксплуатации.

На основе опыта использования при эксплуатации и ремонте методов НК отмечается, что одним из наиболее перспективных для решения задачи возможно полной выработки деталями ротора ГТД ресурса без снижения их надежности являются вихретоковый и акустико-эмиссионный методы. Целесообразно ВТ контроль использовать в основном при эксплуатации, а АЭ при ремонте. По результатам первой главы поставлена задача диссертации, заключающаяся

в создании высокопроизводительного ВТ контроля для эксплуатационного обслуживания деталей ротора ГТД и разработке методик АЭ контроля для оценки ресурса деталей на стадии до появления в них несплошности.

Во второй главе предлагается для оценки повреждаемости деталей ротора ГТД проводить ВТ контроль неподвижно установленным преобразователем у вращающейся детали (рис. 1).

Рис. 1 Примеры схемного решения встроенного вихретокового контроля дефлектора (а) и кромок лопаток (б)

Преобразователь устанавливается с зазором исключающим касание с контролируемой деталью. Если преобразователь находится постоянно в течении всего периода испытаний детали или в период ее эксплуатации, то такой контроль может рассматриваться как встроенный. Контроль неподвижным преобразователем вращающейся детали обладает значительно большей производительностью по сравнению с традиционным применением ВТ метода для контроля деталей ГТД.

При эксплуатации (испытаниях) машин дефекты, как правило, появляются в зонах концентрации напряжений. Наибольшие трудности при ВТ контроле в зонах концентрации напряжений связаны с близостью края (так называемый краевой эффект). В связи с этим была поставлена задача получения информации о дефекте на фоне краевого эффекта и разработка метода ВТ контроля, обеспечивающего выявление дефектов в отверстиях, пазах, по кромкам лопаток при условии их прохождения под неподвижным ВТ преобразователем во время вращения ротора. Одним из путей решения этой задачи является разработка специальной пространственной структуры ВТ преобразователей.

Для выработки основных подходов, обеспечивающих встроенный дефектоскопический контроль, использовались модельные диски с предварительно нанесенными искусственными дефектами (прорезями) имитирующими трещину (рис. 2) и диски с усталостными трещинами.

Рис. 2 Модельный диск из материала ЭИ698

Разработка и проверка работоспособности вихретоковой системы встроенного контроля дисков выполнялась с использованием разгонных камер специализированных стендов, позволяющих нагружать диски полем центробежных сил и имитировать полетные нагрузки. Вихретоковый преобразователь размещался у диска, а вихретоковый прибор и система регистрации в пультовой стенда на удалении около 12 метров от преобразователя (рис. 3).

Рис. 3 Блок-схема размещения вихретоковой аппаратуры Преобразователь №2 Преобразователи №3 и №4

Рис. 4 Конструкция вихретоковых преобразователей а - обмотка возбуждения, б - обмотка измерительная.

Для контроля применяли преобразователи, конструкция которых показана на рис. 4. Преобразователи №3 и №4 отличаются только разворотом измерительных обмоток на 45° относительно направления сканирования.

На рисунке 5 приведены сигналы, полученные с использованием преобразователя №2. Исследования показали, что имея таблицу соответствия между характером ВТ сигнала и дефектом можно определить не только наличие трещины в отверстии, но и ее направление.

рис. 2, при контроле преобразователем №2 (скорость сканирования 0,085 м/с (9 об/мин); х , у - оси комплексной плоскости ВТ сигнала, I -время)

Для уменьшения влияния колебаний зазора между деталью и преобразователем и выполнения контроля при высоких скоростях сканирования применялись преобразователи №3 и №4 (рис. 4). Причем, для получения наибольшей чувствительности, необходимо вза-

имно перпендикулярные оси преобразователя (х-у на рис. 4), на которых расположены измерительные катушки, ориентировать в направлении ожидаемого дефекта. Преобразователи типа №3 и №4 позволили выявлять дефекты различной ориентации, развивающиеся от отверстий при линейных скоростях сканирования до 283 м/с.

Для дефектоскопии дисков турбины разработан высокотемпературный неохлаждаемый ВТ преобразователь с размером рабочей части 9x15x10 мм (рис. 6). Корпус преобразователя изготовлен из нержавеющей стали. Обмотки выполнены из материалов, способных

длительно работать при температурах 600-800 °С.

4 5

Рис. 6 Вихретоковый преобразователь у контролируемой поверхности диска турбины (1 - диск, 2 - дефект, 3 - преобразователь, 4 - индуктор для нагрева диска, 5 - жгут термопар)

Исследования возможности вести дефектоскопический контроль дисков турбины разработанным преобразователем были выполнены на разгонном стенде, обеспечивающем моделирование реальных условий работы диска турбины. Несмотря на значительный зазор в данных исследоваших (4,5 мм), искусственные дефекты длиной 4 мм, 6 мм и 8 мм при глубине 1 мм во всех случаях надежно обнаруживались. Это свидетельствует о высокой эффективности созданных неохлаждаемых вихретоковых преобразователей.

В настоящее время высокочастотный статический ВТ метод широко используется для контроля входных и выходных кромок лопаток, контроля прикомлевой и замковой частей. Однако, такой метод являясь весьма трудоемким, не всегда позволяет осуществлять оперативный контроль лопаток в эксплуатации. Для повышения оперативности контроля кромок лопаток рабочих колес в эксплуатации (или при испытаниях) исследовалась возможность организации встроенного контроля с размещением на время контроля ВТ преобразователя в проточной части двигателя и проведением контроля во время прохождения лопаток около преобразователя. Эта задача решалась путем разработки специальной системы ВТ преобразователей позволяющей проводить анализ сигналов при пересечении поля преобразователя кромкой контролируемой лопатки вращающегося ротора (рис. 7).

При контроле вращающихся лопаток по кромкам, в качестве мешающих факторов, наряду с несплошностью контролируемой среды, определяемой геометрией колеса, выступают колебания лопаток в осевом и окружном направлениях. На рисунке 76 приведены результаты контроля выходных кромок при прохождении отдельных лопаток у преобразователя, установленного на расстоянии Д=3 мм от кромок. Записи сигналов выполнены в комплексной плоскости (координаты х-у). Сигнал от дефектной лопатки имеет большую амплитуду; трещина надежно выявляется при контроле.

В результате проведенных исследований была определена оптимальная структура преобразователя, состоящая из четырех измерительных обмоток и возбуждающей обмотки, расположенной в центре измерительных обмоток.

Разработанные ВТ преобразователи позволяют исследовать повреждаемость вращающихся деталей компрессора и турбины ГТД при нормальной и повышенной температурах. Обеспечивают дефек-

тоскопический контроль в местах концентраторов напряжений и по кромкам лопаток при вращении ротора.

Рис. 7 Рабочее колесо турбины при контроле лопаток во время вращения (а) и запись результата контроля (б) в комплексной плоскости х-у (один оборот ротора)

1 - рабочее колесо, 2 - вихретоковый преобразователь, 3 - дефектоскоп. Стрелкой указан сигнал от лопатки с трещиной.

В третьей главе приведены результаты исследования повреждаемости, выполненные с применением встроенного ВТ контроля, для модельных и натурных дисков ГТД при малоцикловой усталости и для роликовых образцов при контактной усталости.

Исследовались модельные диски диаметром 217 мм с толщиной полотна 3 мм из материала ЭИ 698. В полотне дисков на расстоянии от центра Я = 47 мм располагались три отверстия диаметром 4,6 мм. Расчет методом конечного элемента показал, что при испытаниях следу ет ожидать появления окружных трещин у имеющихся от-

верстий. Расчетная долговечность в зоне отверстий составила Ыр= 3000 циклов при нагружении диска центробежными силами (циклическим изменением скорости вращения в диапазоне 2000 о 28300 об/мин).

Исследование процесса повреждаемости дисков проводилось с использованием ВТ преобразователя №4 (рис. 4) и аппаратуры на базе дефектоскопа ЕЬОТЕБТ В2, собранной по схеме на рисунке 3.

Регистрация ВТ сигналов проводилась на минимальных оборотах. Амплитуду ВТ сигналов измеряли в миллиметрах по шкале ленты самописца (регистратора).

Анализ ВТ сигналов показал, что с увеличением числа циклов нагружения амплитуда ВТ сигналов вначале колеблется около среднего уровня, затем несколько снижается, потом растет. Увеличение амплитуды ВТ сигнала в 1,15 - 1,30 раза (на 15 - 30%) соответствует появлению в дисках трещин длиной 1 - 1,5 мм.

Совмещенная диаграмма изменения амплитуды (А), сглаженной амплитуды (Ас) и среднего квадратического отклонения (Бд) показывает разброс экспериментальных точек от их средних значений (рис. 8). Участок снижения средней амплитуды в районе 7000 циклов отличается тем, что точки плотно группируются у среднего уровня. Среднее квадратическое отклонение на данном участке минимально. Рост амплитуды сигналов, соответствующий росту трещины, сопровождается увеличением среднего квадратического отклонения.

Трещины минимального размера обнаруживали по превышению амплитудой ВТ сигнала контрольного уровня. Контрольные уровни принимались относительно нормального уровня Ао, значение которого соответствует среднему значению амплитуды, вычисленному на участке испытаний до появления в диске трещины. Контрольные уровни предупредительный Д1 и предельный До определяли

в соответствии с общепринятыми нормами. Предупредительный уровень как величину в два раза превышающую погрешность определения Ао, а предельный - в три раза. В данных испытаниях было получено А[ = 2,2 мм, Д2 = 3,3 мм.

А, Ас , мм

60

50 40 30 20 10 0

Ба , мм 12

10

8

0

0 3000 6000 9000 N. Цикл

Рис. 8 Изменение амплитуды вихретокового сигнала А, сглаженного значения амплитуды Ас (методом скользящего среднего по десяти точкам) и среднего квадратнческого отклонения амплитуды Ба в зависимости от числа циклов нагружения N (диск №1/3, отверстие №1)

Алгоритм обнаружения трещины, развивающейся в отверстии диска, состоял в следующем:

1) Определение периодичности измерений с учетом времени прогрева стенда для исключения систематических погрешностей.

2) Измерение амплитуд ВТ сигналов А с заданной периодичностью, вычисление Ас по десяти точкам.

3) Определение нормального уровня Ао и среднего квадратнческого отклонения ВТ сигнала .

4) Сравнение амплитуды Ас с величиной предупредительного значения (Ао + Д1) и величиной предельного значения (Ао + Д2)

амплитуды, где Д1 = 2,2 мм, Аг = 3,3 мм.

5) Анализ значений 3А , получаемых по десяти точкам. Значение превышающее 2 мм соответствует развитию трещины.

6) Принятие решения. Если Ас > (Ао + Аг) или Бл > 2 мм, то в отверстии диска существует трещина.

Разработанная методика оценки амплитуды ВТ сигналов по контрольным уровням, позволила обнаруживать трещины с минимальным размером в 1 мм в отверстиях вращающегося диска при его испытаниях на малоцикловую усталость.

Методика определения размера трещины состоит в получении корреляционных зависимостей между длиной трещины и амплитудой ВТ сигнала. Для этого в процессе испытаний наряду с ВТ контролем проводился капиллярный (цветной) контроль. После момента обнаружения трещины капиллярный контроль выполнялся через ~300 циклов нагружения. При измерениях учитывалась только длина магистральной трещины. Окружающие ее растрескивания в расчет не принимались.

Длиной трещины / считали полусумму длин слева и справа от отверстия / = (/л + /п )/2 (рис. 9). Применяемый ВТ преобразователь регистрирует суммарное значение повреждения, поэтому приращение амплитуды ВТ сигнала отражает изменение величины Ь = 2/.

Методом наименьших квадратов были получены уравнения характеризующие корреляционную зависимость амплитуды ВТ сигналов от длины трещины. Связь между суммарной дайной трещины (Ь) и амплитудой ВТ сигнала (А) при коэффициенте корреляции 11=0,93 имеет вид:

Ь = 0,25А - 4,9 , (мм) (1)

По измерениям амплитуд ВТ сигналов в процессе испытаний модельных дисков были получены кинетические диаграммы усталостного разрушения.

Рис. 9 Отвеете с трещинами (диск №2/3, отверстие №3).

Число циклов нагружеиия N= 5050

/л и /п - трещины слева и справа от отверстия.

Исследования повреждаемости натурных дисков проводились с использованием той же аппаратуры, что и для модельных дисков. Однако, в исследовании натурных дисков существует ряд особенностей. На результаты измерений большее влияние оказывают размеры объекта испытаний и испытательного стенда. Так зазор между преобразователем и диском в процессе испытаний может изменяться до нескольких миллиметров за счет разогрева и удлинения вала на котором смонтирован диск. Это существенно затрудняет измерения и приводит к дополнительным погрешностям. К ухудшению результатов контроля приводит увеличение длины кабеля между преобразователем и внхретоковым прибором. В больших пределах изменяется температура внутри камеры испытательного стенда. Увеличивается время прогрева технологических систем.

Исследовались три поставки диска второй ступени компрессора ГТД. Материал дисков титановый сплав ВТЗ-1. Исходя из опыта эксплуатации ГТД и на основе прочностного расчета зона замковых

соединений на переднем торце обода диска была определена как зона подлежащая встроенному вихретоковому контролю в процессе испытаний.

Контроль проводился преобразователем, установленным в месте выкружки замкового соединения "ласточкин хвост". Замковые соединения заполнены хвостовиками имитаторов лопаток. Диск имеет 29 замковых соединений, которые отличаются (в пределах допуска) друг от друга, что видно из записи вихретокового сигнала (рис. 10а). Кроме того, в записи сигнала присутствует информация о торцевом биении диска в виде низкочастотной модуляции сигналов

Рис. 10 Сигналы, получаемые при контроле замковых соединений диска второй ступени компрессора ГТД

а) - при отсутствии трещин, 6) - при наличии трещины по дну паза между двух выкружек, в) - при наличии трещины по выкружке.

При появлении и росте усталостной трещины увеличивается амплитуда одной из составляющих в сигнале от замкового соединения. На рисунке 106 показан сигнал от трещины, распространяющейся по дну паза между двух выкружек. В том случае, если трещина проходит по выкружке замкового соединения, сигнал имеет вид, показанный на рис. 10е.

Для повышения достоверности контроля в каждом измерении получали осредненную величину амплитуды по всем двадцати девяти замковым соединениям и с учетом величины средней амплитуды определяли амплитуды интересующих сигналов по следующему соотношению:

А; = А^зм • К, , где (2)

/ - номер измерения,

А,- - расчетная амплитуда (с учетом настройки в первом измерении),

А,изм - измеренная амплитуда сигнала,

К,- - коэффициент, учитывающий влияние разогрева и изменения зазора между преобразователем и диском в /'-том измерении по сравненшо с первым измерением.

К? = I Аи / 2 А,л , где (3)

j = 1,2,3,... п - номер замкового соединения,

А]^ - амплитуда в первом измерении .¡-го замкового соединения, А, ^ - амплитуда сигнала в /-м измерении .¡-го замкового соединения

После обнаружения трещины в вычислениях коэффициента К,-амплитуду сигнала замкового соединения с трещиной исключали.

Минимальная длина трещины в выкружке замкового соединения, обнаруженная по приращению амплитуды ВТ сигнала, составляла ~ 2 мм.

При испытаниях диска второй ступени компрессора ГТД (вторая поставка), по полученным значениям амплитуды ВТ сигнала от замкового соединения с трещиной строились диаграммы роста трещины в зависимости от числа циклов нагруження (рис. 11). Для пересчета амплитуды ВТ сигналов в длину трещины использовалось корреляционное соотношение между амплитудой ВТ сигнала и длиной трещины.

0

++ /

(о - внхретоковый контроль (/V

Ф - капиллярный контроль (/) + в о £>

+ - амплитуда вихрето- В

V кового сигнала(А) / + г 9 о о

-

О

+

+

_*и*- " 4 ......С +

А, мм

400 800 1200 N. цикл

Рис. 11 Изменение длины трещины (/ ) и амплитуды вихрето-ковых сигналов (А) в зависимости от числа циклов нагружения (И). Диск второй ступени компрессора ГТД, трещина в выкружке

Полученная зависимость скорости роста трещины в выкружке замкового соединения от ее длины дает хорошее совпадение с расчетными данными, полученными другими авторами.

Испытания роликовых образцов на контактную прочность проводилось на 3-х контактной роликовой машине. В качестве объекта испытаний использовались ролики диаметром 40 мм и шириной дорожки 10 мм из титанового сплава ВТ-6.

Вихретоковой системой в испытаниях роликов на контактную усталость обеспечивалось выявление выкрашиваний с минимальным диаметром 1,5-4 мм. Для определения параметра, характеризующего степень повреждения ролика - величину повреждения ширины дорожки, названной как длина дефекта а, предложено использовать параметры амплитуды и длительности ВТ сигналов.

В четвертой главе приведены результаты исследования материалов ЭИ698ВД, 12Х18Н9Т и ВЖЛ-12У методом АЭ в процессе

малоциклового изотермического и неизотермического нагружения. Повреждаемость материалов исследовалась на гладких цилиндрических образцах, плоских образцах с концентратором напряжений в виде центрального отверстия и на трубчатых образцах.

При исследовании гладких цилиндрических образцов диаметром рабочей части 8 мм из сплава ЭИ698ВД в условиях знакопеременного малоциклового нагружения растяжением-сжатием (t = 650°С, скорость деформирования 6-Ю-4 с-' , а„ = 600 МПа), для анализа накопления повреждений использовали максимальную амплитуду АЭ сигналов, полученных в течении полуцикла нагружения, а также значение нагрузки(сгнз), при которой образец начинал генерировать непрерывную АЭ .

Исследовали плоские образцы из материалов ЭИ698 и 12Х18Н9Т с концентратором напряжений в виде центрального отверстия диаметром 0 4,5 мм. Нагружение проводили в мягком режиме при нормальной температуре по пилообразному циклу с асимметрией R = + 0,025. Для анализа накопления повреждений использовали изменение энергии АЭ, вычисляемое для каждого полуцикла нагружения. Изменение энергии АЭ (Е) в зависимости от относительного числа циклов нагружения ( N = N/NP) получены для материала ЭИ698 в виде Е = ехр ( 4 № - 3,97 Ñ + 3,24 ) и в виде Е = ехр ( 0,87 № - 1,23 Ñ + 3,09 ) для материала 12Х18Н9Т (рис. 12).

Исследования трубчатых образцов из матдшала ВЖЛ-12У проводились в процессе испытаний на термоусталость с подачей охлаждающего воздуха через внутреннюю полость и изменением температуры по пилообразному циклу в диапазоне 100 <-> 900°С. Было определено, что наиболее информативным в цикле нагружения является участок перехода нагрузки от максимальной сжимающей к растягивающей (изменение температуры 900 -> 100°С). Наибольший уровень АЭ при появлении трещины достигался в районе нулевой

нагрузки. На момент обнаружения трещины остаточная долговечность образцов составляла от 36% до 85%.

Е, отн. ед.

30

20 10

0 0,25 0,50 0,75 Ы/Ыр

Рис. 12 Экспериментальные кривые изменения энергии акустической эмиссии (Е) в полуцикле нагружения (растяжения) при испытаниях на малоцикловую усталость плоских образцов с концентратором напряжений из материалов ЭИ698 (1) и 12Х18Н9Т (2) N - число циклов нагружения; № - число циклов до разрушения.

Исследования показали, что анализ АЭ сигналов в полуциклах нагружения позволяет достаточно подробно следить за кинетикой накопления материалом повреждений, в том числе и за образованием трещин, а методический подход, основанный на установлении наиболее информативного участка в цикле (полуцикле) нагружения обеспечивает изучение повреждаемости при различной конфигурации и схеме нагружения образцов (изделий).

ВЫВОДЫ

1. Определены, обоснованы и подтверждены практикой основные требования к системам встроенного и периодического высокопроизводительного вихретокового контроля повреждаемости деталей ротора ГТД. Разработаны принципы построения вихретоковых преобразователей, предназначенных для встроенного и периодического высокопроизводительного дефектоскопического контроля вращающегося ротора.

2. Впервые разработан и реализован способ вихретокового контроля объектов с периодической формой поверхности, позволяющий обнаруживать трещины в лопатках ГТД на входных и выходных кромках при вращающемся роторе.

3. Созданы н экспериментально исследованы преобразователи для встроенного бесконтактного вихретокового контроля за образованием трещин в местах концентраторов напряжений типа от-вq)cтий и пазов, пересекающих поле неподвижного преобразователя в процессе вращения деталей. Разработаны высокотемпературные неохлаждаемые вихретоковые преобразователи для контроля повреждаемости дисков турбины в процессе циклических разгонных испытаний.

4. Установлена аналитическая зависимость, позволяющая учитывать изменение чувствительности вихретокового контроля при изменениях зазора между преобразователем и вращающейся деталью и колебаниях температуры в процессе измерений.

5. Разработаны и внедрены в практику эквивалентно-циклических испытаний дисков ГТД методики встроенного вихретокового контроля, предназначенные для обнаружения трещин и исследования кинетики их развития в замковых соединениях типа "ласточкин хвост" и в отверстиях на полотне дисков. Внедрение методик позволило полностью исключить трудоемкие работы по де-

монтажу для доступа в зону контроля и дало возможность непрерывно наблюдать за состоянием диска.

6. С помощью встроенного вихретокового контроля проведены исследования повреждаемости модельных и натурных дисков ГТД в процессе малоциклового нагружения полем центробежных сил. Получены кинетические диаграммы развития трещин в дисках из материалов ЭИ698 и ВТЗ-1. Проведены исследования процесса выкрашивания цилиндрической поверхности роликов из титановых сплавов при испытаниях их на контактную усталость.

7. Решение комплекса теоретических и практических конструктивно-технологических задач по встроенному вихретоковому контролю обеспечило сокращение сроков испытаний роторов ГТД и позволило предотвращать разрушение объектов испытаний и стендовой оснастки, а при реализации периодического вихретокового контроля сократить время на контроль до времени оборота ротора, что, по сравнению с традиционным вихретоковым контролем, составляет не более 5% времени, затрачиваемого на контроль комплекта лопаток, пазов под лопатки или отверстий в дисках ротора ГТД.

8. Разработаны методики контроля состояния материалов деталей ГТД по параметрам амплитуды и энергии акустической эмиссии в процессе малоциклового нагружения. По параметрам акустико-эмиссионных сигналов исследована кинетика процессов повреждаемости материалов ЭИ698ВД, ВЖЛ-12У и 12Х18Н9Т при малоцикловом изотермическом и неизотермическом нагружении. Результаты проведенных акустико-эмиссионных исследований нашли применение в практике обнаружения трещин в корпусах крупногабаритных клиновых задвижек магистральных нефтепроводов Министерства топлива и энергетики Российской Федерации.

9. Полученные результаты исследований лопаток, модельных и натурных дисков ГТД, свидетельствуют о том, что встроенный и

периодический высокопроизводительный вихретоковый контроль повреждаемости материалов и деталей можно рекомендовать для штатного контроля деталей ротора ГТД в условиях эксплуатации и при прочностных испытаниях.

Основные положения диссертации отражены в работах:

1. Бычков Н.Г., Скибин В.А., Цыкунов Н.В. Исследование накопления повреждений в процессе знакопеременного малоциклового нагружения при повышенной температуре методом акустической эмиссии. - Пробл. прочности, 1983, №11, с.21-23.

2. Скибин В.А., Цыкунов Н.В. Контроль трещин в деталях ротора при их вращешш методом вихревых токов. - В кн.: Опыт применения и перспективы развития диагностики состояния авиадвигателей в эксплуатации. - ЦИАМ, 1984, с.109. - (Труды ЦИАМ №1118) ДСП.

3. Бычков Н.Г., Лаврентьева М.А., Скибин В.А., Цыкунов Н.В. Применение акустических методов для исследования накопления повреждений в материалах при испытаниях на малоцикловую усталость. - В кн.: Проблемы прочности и динамики в авиадвигателе-строении. Вып. 3. - ЦИАМ, 1985, с.246-254. - ( Труды ЦИАМ; №1109).

4. Скибин В.А., Цыкунов Н.В. Дефектоскопия вращающихся деталей методом вихревых токов. Труды научно-технической конференции "Высокое качество и надежность машиностроительной про-дукцин-через исследования, контроль и диагностику". Осенний машиностроительный салон 26-30 ноября, 1991 год, ВДНХ СССР. - М.: НПЦ "ИСТОКИ", 1991.-4с.

5. Skibin W.A., Zykunow N.W. Methoden Und Mittel Der Wirbelstromkontrolle Des Technischen Zustandes Der Drehbaren Einzelteile Im Endbearbeitungsvorgange. - Thesen für workshop "Neue

Russische Technologien Für Maschinenbau", Berlin, 1994, p. 17.

6. Цыкунов H.B. Применение вихретокового метода для обнаружения дефектов и оценки их параметров в процессе прочностных испытаний. - В кн.: Совершенствование методов и средств стендовых испытаний ВРД и их узлов. Тезисы докладов. 2-я Межотраслевая научно-техническая конференция 17-19 января 1995г., г. Лыткарино, М.О. - Лыткарино, ЦИАМ- НИЦ ЦИАМ, 1995, с.290-291.

7. Руководящий документ. Дефектоскопия валов магистральных нефтяных насосов. Методика и технология. РД 153-39ТН-010-96 / Разработчики: Акбердин A.M., Аленина Л.И., Архипов А.Н., Цыкунов Н.В. и др.(всего 17 авторов).-Уфа, Институт проблем транспорта энергоресурсов (ИПТЭР),1997. -88с.

8. A.C. №1820723 (СССР). Способ вихретокового контроля объектов с периодической формой поверхности. / Скибин В.А., Цыкунов Н.В. Зарегистрировано 12.10.92. Не подлежит опубликованию в открытой печати.