автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Оценка влияния эксплуатационных факторов на характеристики длительной прочности и ресурса рабочих лопаток турбин авиационных ГТД

Введение.

Глава 1.Анализ методов оценки выработки ресурса авиационных ГТД.

1.1. Характеристика ресурса авиационных ГТД. Методы назначения ресурса;.

1.2. Методы оценки выработки ресурса авиационных ГТД;.

1.3. Конкретные методы оценки выработки ресурса авиационных ГТД в эксплуатации.

Глава 2.0боснование деформационного критерия длительной прочности PJIT как меры выработки ресурса.

2.1.Основные закономерности ползучести и длительной прочности материалов PJ1T ГТД;

2.2.Параметрические методы оценки характеристик длительной прочности;.

2.3.Применение деформационного критерия к оценке выработки ресурса РЛТ ГТД;.

2.4.Методика определения предельной суммарной деформации рабочих лопаток турбин под действием температурно-силового фактора.

Глава 3. Разработка методических основ контроля тепловых повреждений (перегрева) рабочих лопаток турбин в эксплуатации и при ремонте.

3.1 .Физическая сущность перегрева и его влияние на характеристики прочности. Анализ существующих методов контроля.

3.2.Разработка и анализ эффективности методов контроля перегрева по интегральным физическим характеристикам изделия.

3.3.Разработка и анализ эффективности методики контроля перегрева материала рабочих лопаток на основе метода вихревых токов.

3.4.Разработка методики термоэлектрического контроля PJIT на перегрев.

Глава 4.Прикладные вопросы контроля выработки ресурса и тепловых повреждений.

4.1 .Методика оценки выработки индивидуального ресурса РЛТ.

4.2.Влияние «раскрутки» рабочих лопаток турбин последних ступеней турбин на эксплуатационные характеристики ТРДД.

4.3.Методика контроля перегрева.

Одним из основных путей повышения эффективности эксплуатации авиационной техники (AT) является реализация стратегии технического обслуживания и ремонта по состоянию.

В этом случае повышение эффективности достигается более полным использованием индивидуальных возможностей каждого конкретного изделия, узла, агрегата, детали, а обеспечение заданного уровня надежности - путем своевременного выявления предотказных состояний и исключения тем самым отказов изделий AT в полете.

Одним из критических узлов авиационного газотурбинного двигателя (ГТД), определяющих его надежность и ресурс является турбина, разрушение деталей которой приводит к выключению двигателя в полете и в ряде случаев - к авиационному происшествию.

Наиболее нагруженными деталями турбины являются рабочие лопатки и диски. Ресурс рабочих лопаток турбин (РЛТ), являющихся объектом настоящего исследования, определяется двумя группами факторов: внешними и внутренними.

К внешним факторам относятся все виды нагрузок, действующие на лопатки: инерционные, температурные, газовые, коррозия, эрозия.

К внутренним факторам следует отнести длительную прочность материала лопаток, а также индивидуальные особенности каждой отдельной лопатки: ее геометрию, состояние поверхности, структурные неоднородности и их распределение, которые, в конце концов, и 5 определяют индивидуальный ресурс каждой лопатки. Ясно, что ресурс турбины в эксплуатации будет определяться минимальной долговечностью слабого звена, и потому учет внутренних факторов является определяющим.

В настоящее время средства диагностирования современных самолетов (Ил-86, Ил-96, ТУ-204 и др.) позволяют производить расчет эквивалентной выработки ресурса PJIT за каждый полет. Указанные расчеты базируются на суммировании времени действия внешних факторов (нагрузок) на различных режимах работы двигателя (взлетном, номинальном, крейсерском и др.), а также характеристиках длительной прочности материала, соответствующих указанным режимам.

Данный подход не позволяет учитывать индивидуальные характеристики геометрии и распределения внутренних дефектов структуры материала и не гарантирует полной безотказности лопаток турбин.

В качестве примера следует привести разрушения лопаток турбин трех двигателей GE-90 (General Electric) из общего количества двигателей в 90 штук, произошедших за короткий (трехмесячный) период 1999 г.

Поэтому исследования по разработке критерия накопления повреждений длительной прочности и контролю индивидуального ресурса рабочих лопаток представляются актуальным.

Предмет и объект исследования

Предметом исследования являются деформационные характеристики лопаток турбин при выработке ресурса и структурные изменения материала, вызванные превышением допустимой температуры (перегрев).

Объект исследования - рабочие лопатки последних ступеней турбин, доступные для эксплуатационног о контроля.

Цель работы

Повышение эффективности поддержания летной годности воздушных судов (ПЛГ ВС) путем обоснования и разработки критериев накопления повреждений длительной прочности и рекомендаций по контролю перегрева индивидуального ресурса рабочих лопаток турбин ГТД.

Задачи исследования:

• обоснование возможности индивидуального измерения повреждаемости PJIT, вызванной исчерпанием длительной прочности материала;

• разработка методики неразрушающего контроля нарушения структуры материала лопаток турбин, вызванного превышением максимально допустимой температуры (перегрева).

Научная новизна

• Показана целесообразность использования параметрического критерия Ларсена-Миллера и деформационного критерия для определения предельной вытяжки лопаток турбин, соответствующей критической деформации в опасном сечении;

• Предложено в качестве меры выработки ресурса PJIT использовать отношение достигнутой на данный момент деформации к предельной.

• Расширена классификация методов контроля РЛТ на перегрев введением двух новых методов неразрушающего контроля: измерением вытяжки лопаток на выбранной базе и измерением ударной микротвердости материала лопаток.

• По результатам экспериментальных исследований разработана методика определения состояния перегрева РЛТ в эксплуатации с использованием термоэлектрического метода контроля. 7

Практическая значимость

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные рекомендации позволяют:

• обеспечивать сортировку (или отбраковку) лопаток с различным удлинением и формировать партии лопаток с одинаковым (близким) остаточным ресурсом при контроле в условиях капитального ремонта;

• проводить оперативный контроль перегрева материала лопаток турбин в эксплуатационных условиях с использованием термоэлектрического метода;

• обеспечить повышение характеристик надежности и показателей безопасности полетов за счет снижения досрочного съема двигателей и отказов их в полете.

Основные положения, выносимые на защиту

• Совокупность научных положений и результатов, содержащих обоснование возможности измерения повреждаемости при ползучести материала лопаток турбин путем контроля их вытяжки (удлинения) на выбранной базе измерения.

• Методика определения предельной вытяжки PJIT при заданном законе изменения напряжений и температуры по длине лопатки с использованием параметрического критерия Ларсена-Миллера.

• Методика индивидуальной оценки выработки ресурса РЛТ с использованием отношения достигнутой деформации к предельной.

• Результаты экспериментальной оценки структурной повреждаемости РЛТ при перегреве.

• Методика определения перегрева РЛТ в эксплуатации с использованием термоэлектрического метода контроля. 8

Аиробация работы

Результаты исследований публично докладывались и получили положительную оценку на ряде международных, всероссийских и внутривузовских научно-технических конференциях в период с 1996 по 2002 гг., в том числе:

• МНТК: «Современные научно-технические проблемы ГА», М., МГТУГА, 1996.

• НТК: «Научные чтения памяти профессора Н.Е.Жуковского», М., ВВИАим. Н.Е.Жуковского, 1998.

• МНТК: «Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники», Егорьевск, 1999.

• НТК: «Организационные и технологические проблемы заводского ремонта авиационной техники», Люберцы, 2001.

• МНТК: «Гражданская авиация на рубеже веков», М., МГТУ ГА, 2001.

• Международный студенческий форум: «Образование, наука, производство». Белгород: БелГТАСМ, 2002.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных публикациях.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложений. Содержание работы

Во введении сформулированы задачи исследования, обоснована их актуальность, отмечена научная новизна и практическая значимость, дается краткая характеристика работы.

В первой главе проведен критический анализ методов установления ресурса авиационных ГТД и оценки его выработки в эксплуатации. 9

Показано, что существующие методики выработки ресурса не учитывают индивидуальных характеристик геометрии и структуры материала каждой РЛТ.

Во второй главе дается обоснование деформационного критерия длительной прочности РЛТ, используемого в дальнейшем для индивидуальной оценки выработки ресурса каждой лопатки. На основе использования параметрической зависимости Ларсена-Миллера и деформационного критерия разработана методика определения предельной суммарной деформации (вытяжки) РЛТ под действием температурно-силового фактора.

В третьей главе представлена разработка методических основ неразрушающего контроля тепловых повреждений (перегрева) материала РЛТ в эксплуатации и при ремонте. Рассмотрена физическая сущность перегрева и его влияния на характеристики прочности, приведены результаты экспериментальных исследований, показывающих достаточно высокую эффективность вихретокового и термоэлектрического методов контроля перегрева. Предложены методические приемы по исключению влияния факторов, снижающих эффективность контроля.

В четвертой главе рассмотрены прикладные вопросы контроля выработки ресурса и тепловых повреждений.

Общие выводы.

• Обоснована возможность измерения повреждаемости при ползучести материала лопаток турбин путем контроля их вытяжки (абсолютного удлинения) на выбранной базе измерения;

• Показано целесообразность использования параметрического критерия Ларсона-Миллера и деформационного критерия для определения предельной вытяжки лопаток, соответствующей критической деформации в опасном сечении;

• Показано, что существующие методы контроля выработки ресурса не учитывают индивидуальных особенностей геометрии и структуры контролируемых изделий;

• Предложено в качестве меры выработки ресурса РЛТ использовать отношение достигнутой на данный момент времени деформации к предельной;

• Разработана методика определения перегрева РЛТ в эксплуатации с использованием термоэлектрического метода контроля.

123

1. Абраямов Н.В., Елисеев Ю.С. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. М.: Интермет инжиниринс, 2001. -622 с.

2. Алейников И.Л. Восстановление служебных свойств теплоустойчивых сталей после их длительной эксплуатации с помощью термообработки. Автореф. дне. канд. техн. наук. М.: 1984. - 16 с.

3. Александров А.В. и др. Сопротивление материалов: Учеб. для вузов. -М.: Высш. шкл., 1995.- 560 с.

4. Барзилович Е.Ю. Модели технического обслуживания сложных систем.-М.: высшая школа , 1982.-231с

5. Беляев Ю.Ф., Коняев Е.А., Прищепов А. Я. Применение неразрушающего метода контроля к оценке работоспособности лопаток турбин ГТД. В кн.: Вопросы динамики и прочности. Тр.РКИИГА, вып.214.

6. Беляков И Т., Зернов И.А. и др. Технология сборки и испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1990. - 352с.

7. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Шнейдерович P.M. Расчет на прочность деталей машин. -М.: Машиностроение, 1966- 616с.

8. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. -М.: Машиностроение, 1984,- 312с.

9. Бородин Н.А., Прогнозирование долговечности и надежности элементов конструкций с концентраторами напряжений по141критерию длительной прочности. Автореф. дис. док. техн. наук. -М.: 1979. -25 с.

10. Ю.Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. - 280 с.

11. П.Гецов Л.Б. Детали газовых турбин. Л.: Машиностроение, 1982.-294с.

12. Денель А.К. Метод и средства термоэлектрического контроля. М.: Машиностроение,- 1979. -50с.

13. Дорофеев А.Л. Электроиндуктивная (токовихревая) дефектоскопия. -М.: Машиностроение, 1976.- 186с.

14. Ермолин Г.П., Бычков В.И., Гетманец Г.Ф. Методы неразрушающего контроля перегрева рабочих лопаток турбин авиационных газотурбинных двигателей,- В кн.: Научные чтения по авиации и космонавтике,- М.: Наука, 1981, с.232.

15. Журков С.Н., Куженко B.C., Петров В.А. Физические основы прогнозирования механического разрушения // ДАН СССР. 1981. Т.259. №6. с. 1350-1363.

16. Ионов В.Н., Селиванов В.В, Динамика разрушения деформируемого тела. М.: машиностроение, 1987. - 272 с.

17. Качанов НА. О времени разрушения в условиях ползучести. "Изв. АН СССР. Механика и машиностроение", 1960, № 5, с. 88-92.

18. Ковпак В.И. Прогнозирование жаропрочности металлических материалов. Киев: Наукова думка, 1981. - 240 с.

19. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение: Пер. с англ.-М.:Мир, 1984.- 624 с.

20. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей. / Под ред. И.А. Биргера и Б.Ф. Балашова.- М.: Машиностроение, 1981,- 222с.142

21. Коняев Е.А. Методы и средства предупреждения разрушения роторов авиационных ГТД в эксплуатации. Автореферат докт. Дне., Киев, КНИГА, 1989. -32с.

22. Коняев Е.А. Индикация состояния предразрушения при малоцикловой усталости методом вихревых токов. В кн. : Вопросы динамики и прочности. Тр. РКИИГА, вып.214, Рига, 1971, с.66-74.

23. Коняев Е.А. Исследование возможности выявления состояния перегрева лопаток турбины неразрушающим методом контроля. В кн.: Вопросы динамики и прочности. Тр. РКИИГА, вып.229, Рига, 1972, с. 38-44.

24. Коняев Е.А., Реграги Т. Инженерно-физические проблемы поддержания летной годности авиационных ГТД в ГА РФ. Тезисы доклада на 3 МНТК "Чкаловские чтения": «Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники» г. Егоревск, ЕАТК ГА, 1999, -с90.

25. Коняев Е.А., Реграги Т. Методы измерения деформаций ползучести как ресурсной характеристики деталей горячей части авиационных ГТД. Тезисы доклада на МНТК «гражданская авиация на рубеже веков», М.: МГТУГА, 2001.143

26. Коняев Е.А., Реграги Т. Методические основы неразрушающего контроля тепловых повреждений (перегрева) материала лопаток турбин в эксплуатации и при ремонте. Тезисы доклада на МНТК «Гражданская авиация на рубеже веков», М.: МГТУГА, 2001.

27. Кузнецов Н.Д. Прочность деталей турбины ГТД в условиях сложного нагружения и связанные с ней проблемы. Проблемы прочности, 1982,№3, с. 10-14.

28. Куманин В.И., Ковалева J1.A. Влияние структуры на развитие разрушения при ползучести // Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы на никелевой основе: Сб. науч. тр. / ЦНИИЧМ. М.: Наука, 1984. с. 87-90.

29. Куманин В.И., Ковалева Л.А., Алексеев С.В. Долговечность металла в условиях ползучести. М.: Металлургия, 1988. - 224 с.

30. Куманин В.И. Природа долговечности теплоустойчивых сталей в условиях ползучести. Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1983. -16 с.

31. Лозицкий Л.П. и др. Конструкция и прочность авиационных газотурбинных двигателей. М: Воздушный транспорт, 1992. -536с.

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

33. Лозицкий Л.П., Янко А.К., Лапшов В.Ф. Оценка технического проектирования авиационных ГТД. -М.: Транспорт, 1982. 160 с.

34. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. Учебник для студентов вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Машиностроение", 1975.-400с.

35. Орлов А.Н. и др. Границы зерен в металлах. М.: Металлургия, 1986. - 156с.144

36. Пивоваров В.А. Повреждаемость и диагностирование авиационных конструкций: учеб. для вузов М.: Транспорт, 1994. - 207с.

37. Пивоваров В.А. Эксплуатационная повреждаемость лопаток турбин авиационных силовых установок. -М., "Транспорт", 1977, 120с.

38. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. Клюева В.В., т.2,- М: Машиностроение, 1986.

39. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М., "Наука", 1966, с. 752.

40. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.В. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974,- 560 с.

41. Сакач Р.В., Зубков Б.В. и др. Безопасность полетов. М: Транспорт, 1989.-239с.

42. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. Руководство и справочное пособие. Изд. 3-е, перераб. и доп. Под ред. Серенсена. М., "Машиностроение", 1975. -488с.

43. Смирнов Н.Н., Чинючии Ю.М. Эксплуатационная технологичность летательных аппаратов: Учеб. пособие для вузов. М.: Транспорт, 1994, - 256с.14 Ь

44. Способ контроля качества лопаток турбин. Авт. Свид. № 970208 (авторы: Баннов М.Д., Вайнберг В.Е., Колобанов В.Ю., Коняев Е.А.); бюлл. изобр. №40, 1962.

45. Способ контроля лопатки турбины на перегрев. Авт. свид. №928181 (авторы: Коняев Е.А., Тойбер М.Л.); бюлл. изобр. № 15, 1982.

46. Стали и сплавы для высоких температур: Справ.изд.в 2-х кн. Масленков С.Б. Масленкова E.A.-Ivl: Металлургия, 1991.-832с

47. Термопрочность деталей машин. /Под ред. И.А. Биргера, и Б.Ф. Шорра. М.: Машиностроение, 1975.- 455 с.

48. Техническая эксплуатация летательных аппаратов: Учеб. Для вузов / П. Н. Смирнов и др.; Под ред. Н. П. Смирнова. М: Транспорт, 1990.-423с.

49. Тойбер М.Л. Электронные системы контроля и диагностики силовых установок. М: Воздушный транспорт, 1990. - 336с.

50. Трунин И.И., Логинов Э.А. Метод прогнозирования длительной прочности металлов и сплавов. "Машиноведение", 1971, № 2, с. 66 -74.

51. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы,- М.: Металлургия, 1969.- 749 с.

52. Шулекин В.Т., Реграги Т., Реграги А. Учебный стенд "рабочий процесс ступени осевого компрессора". Тезисы доклада на МНТК «Современные научно-технические проблемы ГА», М.: МГТУТА, 1996, -с 269-270.

53. Chen l.-W., Argon A.S. Creep caviation in 304 stainless steel // Acta Vet/ 1981. V.29. № 7. p. 1321-1333.

54. Dyson B.F. Continious cavity nucleation and creep fracture // Scr. Met. 1983. С. 17. № l.p. 31-37.

55. McLean D. Influence of segregation on creep cavitation // Metal Forum. 1981. V.4. № 1/2. p. 44-47.14b

56. Reddy F.V. Failure of high pressure turbine blade of an aeroengine. «Pract. Metallogr.», 1982, 19, N11, p. 659-663.

57. Saegusa Т., Uemura M., Weertman J.R. Grain boundary void nucleation in astroloy produced by room temperature deformation and anneal // Met. Trans. 1980. V. 11A. № 8. p. 1453-1458.