автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Работоспособность лопаток компрессоров ГТД с механическими повреждениями при различной длительности эксплуатационного нагружения

«о ^ -Й?

московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ^ХКПЕСКИЯ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ

АВИАЦИИ

(МГТУГА)

УДК 629. 735. 063: 06. 055. 6 На правах рукописи

ПИВОВАРОВ ВЛАДИМИР АНДРЕЕВИЧ

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЛОПАТОК КОШРЕССОРОВ ГТД £>7 & Ь

С МЕХАНИЧЕСКИ« ПОВРЕЖДЕНИЯМ! ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО НАГРШШЯ

, Специальность 05.22.14 Эксплуатация юздушого транспорте

Автрефорат диссертации на соискание ученой стоиони доктора технических наук

Москва - 1995

Работе выполнена в Московском государствешюм техническом у:1ИЮ[>саггот8 гражданской авиации

ОМициальные оппоненты - доктор техтпвскнх наук

КУЛЕШОВ В.В. доктор технических наук

ПЕТУХОВ А.Н. доктор технических наук КОНЯЕВ Е.А.

Ведущая организация - авиакомпания "Российские международные авиалинии - Аэрофлот"

Защита состоится II мая 1995 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д.072.05.01 в Московском государственном техническом университете по адресу: 125438, г. Москва, Кронштвдский бульвар, д.20.

С диссертацией могло ознакомиться в библиотеке МГТУГД

Заворотшй отзив в двух экземплярах высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета.

д.т.н., проф.

ОБЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Атусиъностъ и суирюстъ телы иссиеОовсвшя. Повышенные требова-!гая, предъявляемые и авиационным газотурбшпшм двигателям (ГТД) по показателям безотказности, обусловил! иеобходимомсть введепия ресурсных ограгагчесниЯ га функционирования на самолета. Однако значительная часть ГТД, используемых в гражданской авиации (ГА), не отрабатывает положенных ресурсов в связи с повреждениями элементов проточной часта посторонними предметами (ПП). Чаще всего механические повреждения паблодаются па лопатках компрессоров и турбин (звбошт. погнутости, царапины и пр.). Такого рода повре-здэшм создают опаспость зарождения и развития трещин усталости с послодутщим обрывом (разрушением) лопаток, что может повлечь за собой соръозша отрицательные последствия.

Опыт эксплуатации свидетельствует, что несмотря на ряд активных мор, предпринимаемых разработчиками ГТД по предотвращению механических повроздений элементов проточпой часта от попадания ПП (установка запщтгшх устройств на входо в ГГД, специальные "караманн" для ПП, разворот реверсивпих уотроЯстп отпоситольно оси ГТД, использование в качества лопаточных материалов армированных углепластиков с пониженной чувствительностью к механическим повреждениям и пр.), количоство досрочно спнмаомих с эксплуатации по этой причине даигатолэй весьма велико. Например, из общего числа широко используоинх двигателей типа ДЗО-КУ, досрочно снятых с самолетов ТУ-151М, 51Л-Б2Н па доли повровдошшх ПП приходится до 50*.

Отмети;*, что при существующих цепах на двигатели, их капитальный и восстановительный ромопт, досрочное прекращопие эксплуатации ГТД сопряжено с серьезными материальными потерями, которые несут евяакомпашш и предприятия отросла. Все это свидетельствует об актуальности проблема сгоютщш повреждаемости авиадвигателей ГА от попадания ПП. '

¡1 перспоктавним направлениям в этой области относятся т.п.

пассивные морм зщитм ГГД от ПП. В качестве примера можно привести проводнмиэ в условиях эксплуатации работа по зачистке забоип, искусственной срозгсз уголков но рабочих лопатках, съоку н зомоие повреадешпл лопаток первых ступе но а компрессоров низкого доме пил (1ОД> н др.

К э^фэктпвшм результатам могут привести также работы по перо-

смотру допустима геометрических размеров механических повреждений па лопатках ГТД. Необходимость в прово дошш такого рода исследования подтверждается рядом фактов,наблвдаемых в вксплуатации:

мпохеством случаев удовлетворительной отработки ресурса двигателями с механическими повреждениями на лопатках (как правило ЮЩ). существо гаю превышающими допустимые пормы (эти повреждения по были замечены в вксплуатации и зафиксированы лишь при разборке ГТД в процессе ромопта);

отсутствием трещин усталости па большинстве мест расположения механических повреждения увеличенных размеров;

результатами лабораторных исследование причин разрушения лопаток КНД при работе , подтверждающими достаточную усталостную прочность их материала (практически в каждом случае имелись способствующие разрушения дополнительные факторы).

Целесообразность проведения работ по пересмотру норм на допустимые механические повреждения лопаток компрессоров ГТД подтверждает также величины зарубежных норм ( в частности фирм США) на безопасные повреждения лопаток, существопяо превышапцие отечественные .

В диссертационное заботе сделана попытка на основе статистического анализа повреждаемости ГТД ПП, теоретических обобщенна в области усталостной повреждаемости лопаточных материалов, а также методов ее оценки, вскрыть закономерности изменения свойств материалов ВТЗ-1, ВД-17, отражающих стойкость лопаток к тазличшм моханическим повреждениям в условиях длительного воздействия спектра эксплуатационных нагрузок.

Различает повреждаемость скрытую, обусловленную структурными превращениями в материале в видимую -определяемую числом, видом, в Формоа механических повреждения конструкции. Оба ввда повреждаемостей тесно связаны между собой. Очевидно, что способность лопаток ГТД безотказно функционировать с механическими повреждениями (забоинами) тесно связана с состоянием лопаточного материала.

Состояние проблем. Процессы повреждаемости различных материалов машиностроительных в авиационных конструкций при многокомпонентном щгеяическо* нагрухвшш изучались довольно давно. Доминирующая роль здесь принадлежит отечественным ученым. В частности, широко известны работы научных коллективов, возглавляема Биргором И.Д., Сиропным С.А. .Балашовым Б.Ф..Потуховым А.Н. -(ЦШ1 им. П.И.

Бараяова), Кишкиным С.И., Лашко Н.Ф., Качаловым Е.Б., -(ВИАМ), Ивановым В.П. Белоусовым Г.Г. -(МГТУГА), Долголенко Г.П.,Розен-Фельд И.А. -{ЛИИ им. М.М. Громова), Филиповим А.П. -(НИИЭРАТ ВВС), Назаровым А.П..Кулешовым В.В., Радкевичем в.В. -(ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского), Ивановой B.C. -(ИМЕЙ.

Существенный вклад в исследование повреждаемости материалов внесли также известные зарубежные ученые, такие, как: Фрейдепталъ, Кортен, Долан, Нейбер, Ирвин, Орован, Пэрис и др.

Тщательный анализ работ этого направления выявил многообразие процессов трансформаций физико-мехашлеских характеристик материалов в различных условиях пагружэния. Интенсивность накопления усталостных, длительных, износовых, коррозионных повреждений связана с рядом условиями нагружепия (уровень, степень ностационар-ности и длительность нагружания), а также свойствами самого материала (упругость, пластичность, сшювность к естественному старению и пр.). Рядом исследователей установлено, что трансформация основных физико-механических характеристик моталлических материалов можвт иметь как неблагоприятный так и благоприятный характер. В последнем случоо это может положительно сказываться на величине усталостной долговечностиь, чувствительности к надрезу и других показателях, ответственных за способность конструкции безотказно функционировать с видимыми механическими повреждениями.

Исследованию поведения лопаточных материалов при длительном воздействии эксплуатационных пагрузок посвящен ограниченный круг работ. В частности, по отношению к лопаткам турбин ГТД известны работы Лозицкого Л.П., Лапшова В.Ф.- (КИИГА), а также Паллоя З.С., Коняева Е.А., Тойбера Ы.Л. -(РИИГА). Что касается лопаток компрессоров 1ТД, то тематика ах исследований сосредоточена в последнее время на совориенствовепии аналитических методов оценки на прочность ( Биргер И.Д., Щорр Б.Ф., Мавлхтов P.P.), а также экспериментальных проверках сопротивлении усталости без учета влияния длительности эксплуатационного нагружения (Балашов Б.Ф.,Петухов А.Н., Иванов В.П.. Белоусов Г.Г.).

Таким образом, вопросы влияния наработки на способность лопаток компрессоров ГТД функционировать с различного рода механическими поврездопнлыа до сих гор остаются открытыми, несмотря на их очевидную практическую значимость.

Опит показывает, о инженерный анализ подтверждает, что несмотря

im возрастание случои разрушепий лопаток в эксплуатации (о основном за счет увеличения общего парка двигателей ), они в большой моро спровоцированы дополнительными факторами, вызвавшими резкое увеличение уровня циклического нагружешя при работе. Так, ва двигателях типа ДЗО-КУ оти разрушешш О или обусловлены т.н. "нахлестом" прикомлевых полок лопаток К1Щ (II и III ступени), а также недопустимым износом мост контакта бандажных полок лопаток (I ступень). На двигателях упомянутого типа чисто усталостных разрушений лопаток от забоин в условиях эксплуатации практически пот.

Наоборот, в очередной капитальный ремонт часто поступают двигатели, имовдиэ незамеченные в эксплуатации множественные повреждения лопаток , превышающие допустимый в 3-5 раз, без признаков развития трощин усталости. Таким образом, целесообразность прове-Д01ыя исследований по выявлении возможностей расширения норм па допустимые механические повреждения является очевидной.

Диссертационная работа базируется па материалах теоретических, а также экспериментальных исследований, шягалпошшх под научным руководством и непосредственном участии автора в ШТУГА. Основная часть зкспоримоптов виполпялась по заказу в Государственном научно-исследовательском институте гражданской авиации (ГосНШ ГА), Виском институте инженеров граадапской авиации (РИИ ГА), ОКБ "Гранит", Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ), Всоросийском институте авиациошшх материалов (ВИАМ). других исслодоватольсих центрах. Комплекс работ проводился в рамках НИР МГА Ж35-88 (1988-1991 г.г.) и в соответствии с приказом МАЛ-МГА от 6.03.1990 г. К42/95 "О совершенствовании роботы и координации усилий ИГА СССР и ПЫшшиапрома СССР по улучшении состояния гражданской авиационной техники и перспективах ее развития".

Ниже приводится краткая характористика целой, задач, содержания я основных результатов диссертационной работы.

Цель работы -выявление дополнительных возможностей расширения норм па безопасные размори механических повреждений лопаток компрессоров ГТД, обусловленных длительностью воздействия эксплуатационной наработки.

Главками заОйчат исследований являлись:

статистический анализ данных об эксплуатационных повреждениях лопаток компрессоров ГТД на различных этапах их использования по назначению;

проведение теоретических обобпдений результатов исследования и оценок структурной повреадаемости лопаточных материалов в различных условиях эксплуатационного нагрухения;

научнвя трактовка и разработка концепции обоснования норм на допустимые мехапическив повреждения лопаток компрессоров ГТД с учетом влияния длительности наработки;

проведение цикла экспериментальных проверок правильности конце-птуальпих положений о благоприятном влиянии длительной наработки на стойкость повреадешшх ПП лопаток КВД (па примере наиболее повреждаемых в эксплуатации семействе даигатолеЯ ДЗО-КУ (КП.КУ-154):

экспериментальное определенно допустимых механических повреждения на лопатках КНД двигателей ДЗО-КУ (КП, КУ-154) с учетом благоприятных трансформаций свойств их маториала, обусловленных длительностью эксплуатационного нагружеггдя;

оценка экономической эфГоктивпости использования самолетпо-моторного парка с расширенными нормами па допустимые мвха!шческие повреадениялопаток КНД двигателей ДЗО-КУ (КП, КУ-154);

разработав рекомендация по практическоя реализация результатов исследования.

ЯетоОи исслсОоваа.'я. В зависимости от решаемых задач в работе использовались метода классификации и идентификации состояния, математической статистика и теории вероятностей, функционального анализа, матричной алгебры, интегрального и диф1»репциальлого исчислений.

Научная новизна результатов иссмЮовасий. Проведенную работу в области устолостноЯ повроздаемостп материалов лопаток компрессоров ГТД ыохно квалифицировать как новый вклад в развитие теории и практики обоснования допустимых повреждений па эксплуатируемых авиационных иопструюзрях. Дяссортация содержат слэдулцио основные научныо результаты:

1. На основе идяышонлого статистического анаияза, а также теоретических обобэдниа о области усталостной повреадаемости лопаточных материалов опродолеш взваимосвязи между процессами изменения усталости прз длительной робота а стойкости лопаток к механическим повроадэпиям:

2. Проводонпымя ыотадлоЗизячесгамя исследованиями лопаточного маториала ВД-17 шшшзпы споцшГичоскиэ структурные превращения от

блпгоприятного воздействия наработки ( в интервале от 3000 до 13000 и более часов), начиная от параметров кристаллических решеток до микротвердости отдельных зерен сплава;

3. использованием трибоспектрального метода оценки однородности поверхностного слоя работавших лопаток установлены ранее неизвестные закономерности благоприятного изманония их усталостных свойств, а также повышеимя стойкости к механическим повреадениям в широком интервале эксплуатационной наработки;

4. В результате ударных испытаний лопаток раскрыта физика процесса эксплуатационного старения лопаток, позволившая обосновать допол:мтолышо возможности расширения до Яству пдах ограничений на механические повреждения;

5.Проведенными испытаниями кратковременной прочности материала новых и работавших лопаток определены закономерности гомонапоил характеристик чувствительности к надрезу (забоине) лопаточного сплава ВД-17, подтвердившие возможность расширония норм на безопасные размори механических повреждений в широком интервала наработки;

6.Результатами усталостных испытаний лопаток КНД двигателей ДЗО-КУ (КП. КУ-154) на электродинамическом и воздушном вибраторах подтверждено благоприятное влияние эксплуатационного нагружения в интервале от 3000 до 13000 и более часов на стойкость лопаток к механическим повреждениям. При атом обоснована возможность увеличения размеров безопасных механических повреждений;

7.Получены дашше о техшшо-экономичес;..эм эфЮкте использования самолотно-моторного парке с увеличенными пормами на механические повреждения рабочих лопаток КНД указашшх двигателей.

Достоверность результатов исследований, обоснованность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается достаточным объемом экспериментов с использованием высокоточного испытательного оборудования, корректным применением расчотно-вналитических методов оценки погрешностей экспериментов. Устапо-влешшые теоретические и экспериментальные зависимости подтверждается данными о фактических размерах безопасных механических повреждений лопаток КНД на отечественных в зарубежных ГТД.

Положения, вымостив на аащту.

I. Результаты статистического анализа повреждаемости ГТД от попадания в проточную часть ПЛ.

2. Результата теоретических обобщений в области усталостной повреждаемости лопаточных материалов, концепция возможности расширения норм на допустимые механические повреждения лопаток компрессоров ГТД с учетом длительности зксплуатациопного нагружения.

3. Научное обоснование явления повышения стойкости материала лопаток к механическим повреждениям, обусловленного длительность» эксплуатационного нагружепия.

4.Результата экспериментальной оценки структурпой повреждаемости материала лопаток по:

степени искажения кристаллической решетки, а также сочетания и взаимосвязи упрочняющих и разупрочнягщих интерметаллидных фаз в лопаточпом материале ВД-17 с увеличением наработки;

степени однородности поверхностного слоя лопаток с увеличеснием наработки;

ударной стойкости лопаток с увеличением наработки;

кратковременным характеристикам прочности, отражающим чувствительность к надрезу (забоине) лопаточного сплава ВД-17 с увеличением наработки;

остаточной усталостной долговечности рабочих лопаток II и III ступеней КНД двигателей ДЗО-КУ (КП, КУ-154), имоадих различную наработку i различные по глубина механические повреждения.

5. Новый подход к обоснованию допустимых механических повреждений на лопатках компрессоров ГТД ГА с использованном нелинейной матоматической модели изменения работоспососбности лопаток в процессе функционирования.

Практическая аначхиость и апробация результатов рсЮскы. Практическая значимость работы заключается в том, что возможность расширения норм на допустимые мехеническиэ повреждения лопаток II и III ступеней КНД двигателей Д-ЭОНУ (IUI. КУ-154) позволяет:

повысить коэффициент использования ГТД в предприятиях и авиакомпаниях ГА РФ;

в существенной мере снизить досрочный съем указанных тютоо двигателей в процессе эксплуатации и улучшить тем самым характеристики их надежности;

сократить потробпость предприятий и авакомпаний ГА в тзигатолях и снизить их дефицит;

снизить трудозатрат на техническое обсдуюадашо сямолэтш-моторного парка в предприятиях и Авиакомпаниях ГА.

Результаты, получанные в диссертационной работе отражены в межведомственном Заключении о возможности расширения юры на механические повреждения лопаток КПД двигателей Д-ЗОКУ (КП, КУ-154), частично внедрены в бюллетенях на новые нормы механических повреждений от попадания в ГТД ПЛ. Принципы дифференцированного подхода к оценке допустимой not. еждаамоста КНД и КВД реализованы в методиках осмотра проточной части указанных типов двигателей о помощью оптнко-виэуальных средств.

Часть результатов внедрена в учебный процесс в ЦГТУГА в рамках специальности 130300.

Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на Всесоюзных конференциях по прочности двигателей (г. Куйбышев, 1982, 1986 г.г.), аффоктивности технической эксплуатации ЛА и АД (ГосНИИ ЭРАТ BBC 1989, 1990 г.г.), Всесоюзных конференциях по защите ГТД от попадания посторошмх предметов (ЛИИ им. м.м. Громова 1988, 1992 г.г.). Всесоюзных и Всероссийских конференциях по аффоктивности эксплуатации ЛА и АД в 1ШГА -НГТУГА (1988, 1990, 1994 г.г.), ряде внутривузовских конференций и научно-технических семинаров.

По материалам диссертации опубликовано 3 мопографш, 3 учебных пособия, 30 научных статей н учобно-методичоских разработок. Часть результатов диссертационной работы включена в учебник "Повреждаемость и диагностирование авиационных конструкций" (евт. Пивоваров В.А., изд-во "Транспорт", 1994 г.)

Полученные в период I987-1991 г.г. результаты отражены в цикла отчетов по научно-исследовательской теме Х35-88 "Оценка влияния эксплуатационных повреждений на работоспособность лопаток КНД ГТД с целью корректировки ах допустимых размеров"(* гос. регистрации 016870024418 ), по которой автор являлся научным руководителем.

Структура и оОъол Оиссерхщионной раЗош. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списке использованных источников, приложения.

Основная часть работы изложена на 230 страницах машинописного текста, содержит 85 рисунков, 28 таблиц в 147 библиографических названия (из них 48 ва английском языке). Обаяй объем работы - 308 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность, цель и задачи исследования названной проблемы, доказывается ее практическая значимость для повышения эффективности эксплуатации воздушного транспорта отрасли.

Глава I. Обобщение опыта эксплуатации авиационных ГТД

В главе рассматриваются факторы, влияющие на эксплуатационную надежность авиационных двигателей, используемых в ГА. Исследоввна динамика изменения надежности ряда отечественных ГГД по годам эксплуатации. Произведен сравнительный анализ характеристик надежности отечественных и основных зарубежных ГТД.

В результате дифференцированного анализа причин отказов и неисправностей отечественных двигателей уг-ановлен высокий удельный вес дефекта "повреждение проточной части". Систематизированные статистические данные, отражающие досрочный съем двенадцати типов отечественных авиадвигателей за период 1988 -1993 г.г.наглядно свидетельствует о превалировании указанного дефекта, отрицательно влияющего на показатели эксплуатационной надежности большинства ГТД. Отмечается, чт<~ для ряда типов двигателей досрочный съем из-за повреждения ПП может достигать 50* от общего досрочного съема.

В главе приводится анализ факторов, приводящих к попаданию посторонних предметов в проточную часть ГТД. Выделены главные факторы, к которым относятся расположение двигателя на самолете, а также конструкция и монтаж реверсивного устройства.

Большая часть механических повреждений на лопатках имеет вид забоин (67ж). остальные повреждения -погнутости (I®*) и вмятины (15я).

Данные о размерах а месторасположении механических повреждений па лопатках компрессоров представлены в статистической трактовке. В частности, приведены статистические гистограммы высоты расположения, глубины и ширины мэхапгческих повреждений по длипе профильной части ряда типов рабочих лопаток компрессороь ГТД.Графоаналитическим методом наглядно показано, что распродало: то геометрических характеристик механических повреждений на перо лопаток подчиняется экспоненциальному закону. Получены тооретичоскио фуш«-

ции ра сиро до лоция моханичоских повреждений по параметрам "плотность роснроделения повреждений", "вероятность повреждений".

В результате установлено, что для лопаток компрессоров ГТД характерным является расположение механических поврождопий в ворх-ной трота пора (более 68» от оОщого числа повреждений). сродно-статистическая глубина повреждений составляет от 1,0 до 3,0 мм (7бя от общего числа повреждений),о ширина - до 10 мм (89я).

Статистическим анализом установлены относительные доли посторок-1оа предметов, попадающих в проточную часть ГТД. 0ш1 распределяются следующим образом:

61» -с поверхности аэродромов; 21* -эломонтч конструкций;

12* -инструмент, ветошь и пр. по вино личного состава; ёя -прочие причины.

Сами же повреждения условпо подразделяются на три вида: от удара " в лоб" с разрывом материала; со сквозным выпучиванием боз разрыва материала; по касательной без сквозного выпучивания.

В тротьем раздело первой главы рассмотрош пути обеспечения рйботоспосоОности ГТД, поврохдегоак ГШ. Показ они аналитические зависимости, позволяющие оценить стопеиь опасности забоин для различных лопаточных материалов. Коэффициент концентрации непря-жо1шй в забоинах К"6 зависит от их формы и состояния материала. Дашшо экспериментальных исследований про едошшх в рядо организаций наглядно показывают, что наибольшей чувствительностью к забоинам обладают титановые сплавы.

В серии стандартных экспериментальных проверок работоспособности лопаток на этапе проектирования немаловажную роль играет назначение запасов прочности по дшзамячесим напрягеимям (статистическим или детерминированным методом). В обоих случаях в зависимостях фигурируют индивидуа*1ыше фязико-мехогшчоские свойства материала, что, как показано в работе, является принципиальным моментом. Рассмотрены подхода к назначению запасов. Отмечается, что помимо коэффициентов концентрации напряжений в запасах учитываются такие Факторы как коррозия, а также .ехнологическая наследственность материала.

Констатируется. что па этапе создания лопаток в основе определения запасов прочности при нестационарном пагружапии лежит принцип

линейиого суммирования повреждения (Пальмгрена-Майнора). В этих случаях получаются довольно приблигвтше оценка. Из литературных дащшх следует, что для увеличения достоверности результатов необходимо как минимум располагать экспериментальными данными о скорости повреждения материала лопаток в процессе работы.

Приведенные в разделе данные наглядно показывают, что состояние лопаточных материалов в дашшй момент времени играет рошавдую роль в вопросе обеспечения стойкости к механическим повреждениям.

В конце первой главы, как пример, рассмотрены результаты исследования причин рэзрупепия лопаток КНД двигателей ДЗО-КУ (КЛ, КУ-154) 38 последние 10 лет. Показано, что из общего числа разрушений (12 случаев) в двух случаях имела мосто некачественная термообработка материала; остальные разрушения также обусловлены дополштольг .ними факторами, способствовавшими преждовременному разрушении лопаток. Эти данные косвенно свидетельствуют о потепциольной стойкости лопаток указанного типа'к мохеническим повреждениям.

Приведены также статистические данные по двигателям, поступавшим в очередной ремонт па завод Я 400 ГА. на лопатках которых обнаружены незамочошшо в эксплуатации мехапичоскив повреждения, превышающие продольно допустимые. Общее количество тага« повреждений состввиляет за ,чэд от 75 до 90. Всо поврождошшо лопатки в удовлотворительпом состоянии без признаков развития тропит усталости. что также подтверждает их внсетспй служебный потенциал.

В качестве дополнительного аргумента к проведении исследований по научному обосновании воземозяоети расширения дойствухщих порм па мехапичоскио повреадепия приведены дашше па допустимые размеры забоин по отношению к лопаткам отечественных и зарубежных ГТД, работающим примерно в одинаковых условиях эксплуатационного пагру-жоешя. Отечественные нормы по своим размером существенно уступают зарубежным.

Глава II. Тооротическио обобщения в области циклической повреждаемости лопаточных материалов и разработйэ повой концепции обеспэчепия работоспособности лопаток компрессоров ГТД при паличии механических повреждений

В раздело "Процессы внутренней повреждаемости лопаточных материалов при циклическом нагругатш" подробно рассмотрены технологи-

чоскио, конструктивные и эксплуатационные Факторы с точки зрения влияния на усталостные свойства потончала лопаток. Отдельно рассмотрено влияние парамотроо циклического погружения на долговечность лопа.JK.

Многообразие факторов, определяящих фактическую долговечность работающих лопаток стлало необходимым рассмотрение вопроса об общих принципах расходования ресурса объектами при нестационарном циклическом вагрукенви. После детального анализа дано определение росурсо как физической характеристики и определены условия получения уравнения расходования росурсо при действии набора пореионных режимов. Обоснована аддитивно-марковская модель расходования ресурсе, при которой усталостные свойства объекта расматривавтся раздольно по отпошанию к резонансным и расчетным цагрузкам (ловая и правая ветви кривой усталости).

R(i,t¡ е) =R(i,r; е) +R(r.t¡ е) гдо i, г, t -вромашше характеристики, в -характеристика режима.

Показано, что накопление внутренних иовроаданий в лопаточных материалах, подвергаемых воздействии кратковременных розононегшх рокимов в большинство случаев но подчиняется линейному закону суммирования повроэдопий. В етом случао наиболоо вероятными моделями накоплония усталостных поврождешй могут бить модели тина Фройдентоля, Кортана-Долана или разновидности стопошшх моделей (табл. I).

Очевидно таюьэ, что накопление усталости в материале работающих лопаток позовисимо происходят к под воздействием расчотких нагрузок. При атом, кок показано, с увеличением длительности эксплуатационного нагружэния этот фактор пачаааот оказывать рошавдое шшя-ние на долговечность човроздошшых и неповровдошшх ПП лопаток,

Двухрожимное циклическое пагружошю, воздойствуя ш> лопатку Формрует сложный процосс расходования ресурсо в роалышх условиях эксплуатации. Усталостная долговечность при этом теоретически может быть описала рядом гипотез, связывающих скорость деформации е от напряжения о, деформации ¿I в времена t: гипотеза течения /(e,o,t)«0;

гипотеза линейного суммирования/(a,4Z,t)«0;

гипотеза нелинейного суммирования/(о,А1,0=0.

Таблица I.

Различные модели суммирования уоталоотных повреждений

Найменованио модели Накопление усталостного повреждения Скорость накопления усталостного повреждения

Лилейная Шл л.

Степенная МтгГ ЙПл -и Г п "Г"'

Фрейденталя , П-Н* ,.т Мтт^] Шп го г с2п К-Н'" ЧТРТГ^ 0 4 0 '

Кортена-Долана Пп.К(а)-пт""

Для вышеперечисленных условий работа лопаток аналитически получить точные уравнения расходования ресурса довольно сложно, поэтому результата экспериментов имеют решающее значение. Кривую остаточной усталостной долговечности по наработав можно построить по результатам натурных усталостных испытаний лопаток. Обычно такие испытапия достаточно 1фодолжгголыш и сравнительно дороги. Рядом исследователей предложена серия ускоренных, менее продолжительных и объемных мотодов определения усталостпой долговечности по косвенным параметрам. В качество таких параметров предлагаются характеристики упругости, пластичности или кратковременной прочности материала.

В условиях наличия механических повреждений на пере решающую роль на усталостную долговечность ..онаток оказывают характеристики чувствительности лопаточпого материала к надрезу-«?. Классическая модель Нойбера, определяет <? как:

, й 0,5 .-1

+ ( ) }

гдо р-радяус надреза; ^-структурвше характеристики материала.

Важно, что параметр р потенциально учитывает мохашгчы внутренней повреждаемости материала, влияющие на чувствительность к надрезу. Очевидно, что з.'очения я для одного и того же' материала, имеющего различную наработку будут различными.

С учетом вышеизложенных принципов расходования ресурса логично предположить такжо, что с увеличение!' длительности эксплуатационного нагружения величина <? может увеличиваться шш снижаться в соответствии с. качеством структурных превращений лопаточного материала в процессе работы.

Из литературных источников иэвестон ряд закономерностей, аш-стрирупцих возмогность сшаюпия <? в зависимости от доли предварительного поромонпого пагруталая. Наибольший, с ношей точки зрения, интерес представляют данные, получонпио в ЦИДЫе Захаровой Т.П., которая использовала в качестве критерия качества структурпых превращений отношение продела текучести материала (а0 2) к пределу его кратковременной прочности (ош), — <а,/0о 2 > • В главе II на примере ряда зависимостей показапо, что чувствительность к надрезу снижается с уменьшением величины указанного отюшонил. Это дает основание для предположения о возможном удучшотш стойкости лопаток к механическим повреадешшм но определенном интервале наработки.

Для того, чтобы убедиться в этом, необходимо провести серию соответствующих експорименталышх проверок, т.к. несмотря на довольно большое количество методов аналитической оцошга стойкости лопаток к механическим повреждениям все они, как показано, не учитывают историю погружения лопаток (дшшамику трансформации свойств материала). К тому же коеф1иционтц концентрации напряжений в зоне моханичоских поврождоний расчитываются довольно приближенно, ток кок забили сильно отличаются от правильных геомотричеасих фигур (выкружек, вирозов, подрезов и т.п.) на которые ориентированы известные аналитические зависимости.

Результаты теоретических обобщений в области цшсличеслой повреждаемости лопаточных материалов, приводе шшо во второй главе работы в сочетании с данными эксплуатационных наблодошй позволили сформировать новуо ионцелтю расширения норы на допустимые механические повреждения (забоины) лопаток компрессоров. Она заключается в той, что илеется Оосшяочзю основсв шй Оля Остсшажелыюго растроила норл на испанках гихтрерсоров ГТД за счел благоприятного влияния трабстсиГт сосшяшв д тточных лаяюриаиов. Блок-схема формирования и подтворждошя выдвинутой концепции представлена на ряс Л. ' '

Елок-схома формирования и развития копцопцни расшироинл пори на допустимые механические повреждения лопаток компрессоров ГТД

ИСХОДНЫЕ ФАКТЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА

Рио. 1.

Глава Ш.Ыетодн оцогаш влияния наработки на усталостную повреждаемость и стойкость лопаточных материалов Задачей датой главы было провоста анализ сщоствупг;,тх косвегошх а прямых методов оценки усталостной повреждаемости лопаточных материалов, а также произвести отбор инфорютвт зжхчштх методов, критераов а параметров с цель» создания программ экспериментальных проверок выдвинутых концептуальных положений о благоприят-

ном влиянии наработки на стойкость лопаток компрессоров ГТД к механическим повреждениям.

В настоящее время считается доказанным, что усталость металлов являемся структурно-чувствительным процессом. В связи с этим очевидно, что необходимым этапом экспериментальных проверок должно бить проведение металле физического анализа макро-, микро-, и субмикроструктуры материала лопаток на различных этапах длительности эксплуатационного нагружения. Как показал апализ литературный данных, к основным структуктурным характеристиками могут быть отнесены: параметры кристаллических решоток материала, морфология* распределение и соотношение интерметаллидных фаз в монокристалле« В качестве дополнительных характеристик можно использовать макро-и микротвердость материала.

Весьма существенную роль в оценке степени усталости материал«! любого объекта играет состояние поверхностного слоя. Свободней поверхность, являясь специфическим видом плоского дефекта в кристалле обуславливает особый вид прочности -т.п. поверхностную прочность. Наиболее важным параметром поверхпостной прочности являются напряженность, а также и структурная однородность самой поверхности.. От однородности поверхностного слоя впрямую зависит абсолютное большинство характеристик усталости конструкции, а также, как указывют литературные источники, ее стойкость к механическим повреждениям при переметом нагружешш.

Среди ряда методов оценки состояния поверхностного слоя особое место занимает т.н. склерометрический метод (метод царапания), О помощью которого можно производить измерения поверхности объекте в непрерывном режиме с автоматической записью и обработкой информации на ЭВМ. Несмотря на то, что для решения задач вияв^ния динамики трансформаций поверхностной однородности лопаток склерометрия не применялась, информативные возможности метода дают основания для включения его в программу испытаний.

Среди методов косвенной оценки усталостной повреждаемости лопа-точньл материалов особого внимания заслуживает также метод ударного нагружения. Он позволяет довольно точно оценивать степень дэ-формациошю-циклического старенг материала по параметрам его упруго-пластических характеристик, замеренных при ударе. Реализация метода "евзана с трудностями, которые заключаются в том, что при измерениях результатов ударных испытаний необходимо опираться

лиь на то характеристики полученных повреждений, которые не зависят от параметров удара, а присущи лишь испытываемому материалу. Несмотря на то, что стандартное испытательное оборудование не приспособлено для проведения таких испытания метод был вклшвп в программу экспериментальных проверок т.к. имелась возможность соответствующих доработок ударных копров.

Большое количество литературных источников указывают на то, что усталостные свойства материалов теспо корродированы с их кратковременными характеристиками. К ним, как известно, относятся показатели упругости, пластичности, а также кратковременной прочности. С помощью характеристик кратковременной прочности, замеротых на разных этапах наработки можно косвенно оценить такое важное качество лопаточных материалов, как чувствительность к надрезу ( забоине) -<?, что обеспечит получение данных о динамике изменения стойкости лопаток к механическим повреждениям. Л предыдущей главе говорилось о тесной связи отношения о0 2>ош и <?. Смоделировать эту связь по отношению к конкретным объектам помогут результаты испытаний на кратковременную прочность.

Несмотря па важность косвенных методов оценок, для полной картины выявления стойкости лопаток к различным механическим повреждениям па различных этапах наработки необходимо проведение усталостных испытаний. Анализ показал, что программа экспериментов должна включг ь два самостоятельных этапа усталостных испытании -испытания на остаточную долговечность работавших лопвток и испытания , связанные с нормированием допустимых механических повреждений на лопатках (в соответствии с ОСТ 1-00304-79). В связи с том. что проведение таких испытаний является довольно трудоемким и продолжительным, а также учитывая то. что получаемые о процессе испытания результаты будут использоваться лишь для сравнительных оценок, количественный объем эексперимонталышх выборок для каждого этапа наработка прдполагалось формировать с учетом предварительно получаемых данных косвенных проверок.

В качества объакта исследований били выбраны ра эчио лопатки КНД широко используемых в ГА семейства двигателей ДЗО-КУ (КП, КУ-154). Эти двигателя наиболее часто повреждаются ПП в эксплуатации.

Программа экспериментальных исследований упомянутых лопаток представлена в табл.2.

Глава IV.Экспериментальные исслодованил по обоснования норм па допустимые эксплуатационные повреждения лопаток компрессоров НД двигателей ДЗО-КУ (Ш1.КУ-154)

В соответствии с первым этапом программы экспериментальных проверок правильности концептуальных положений, целью металлофизи-ческих исследований лопаток являлось выделение структурных признаков воздействия эксплуатационной наработки на несущие свойства лопаточных материалов, а также оценка качества этого воздействия. Исследовались лопатки из материалов ВТЭ-1 (I ступень КНД) и

ВД-17 (XI и III ступени КНД). Проведенный комплекс моталлофизичаских исследований выявил: лопатai I ступени КНД

стабильность характеристик зернистости, фазности сплава BT3-I с увеличением наработки;

стабильность химического состава сплава BT3-I с увеличением наработки:

стабильность характеристик микротвердости, а тагсее состаточных Напряжений в поверхностном слое лопаток в интервале нароаботок от О до 8401 часа.

лопатки II III слупеисй КНД

Но то до ми просвочийахх&й злекпрспаюй жшфоскопш ц ретгеноахру-ктурных иссисОовашЯ в сочетании с изм'рвнивл ликраяверОост исследуемых участков установлена поОбихностъ фраглеитоО сзпрутуры сплава ВД-17, отвоственпих за усталостную долговечность и стойкость к механическим повреждениям. В частности экспериментально доказано, что в инторале наработки от 3000 до 9000 а более часов имеет место активная дисперсионная перестройка структуры сплава за счет:

выделения s'-фазы оптимальной дисперсности; коагуляция а растворение разупрочняпдей 8" -фазы в указанном интервале наработки;

увеличения микроискажоннй кристаллических решеток сплава (Да/а) с наработкой;

общео увеличение микротвердости (Н^) сплава ВД-17 с наработкой. Результаты нетвллофизических исследований лопаточного сплава вд 17 с рапзличпой наработкой косвенно подтверждают теоретические

1'адлича 2.

Программа окспериментольных исследования поврсждаемооти лопаток !ШД двигателей ДЗО-КУ (ЬСП.)

ÜJÍ п п Наименование этапа Цель етапа Примечания

1 г 3 4

i. Проведение хюталлофизических иослодовппиЯ иаториала лопаток I, II, III отупоиоЯ! апализ исходной структуры иаториала лопаток; анализ трансформаций микроструктуры материала лопаток с увеличением наработки. Выявление степе1ш разброса исходных структурных признаков матерела лопаток, а также возможных закономерных изменений иикро- и суб микроструктуры с наработкой. Интервал па наработки О -13000ч

2. Исследовние характеристик однородности поверхностного слоя деформационно -спектральпим методом: лопаток с нулевой наработкой; лопаток, работавших а (эксплуатации. Косвенная оценка уота-лостной долгове Ч1юсти перо лопаток о упелнче нием их оксплуатациоц-ной наработки. .. Я _ 0 -13000ч

3. Исследование повреждаемости иаториала лопаток при удорцои цогружашот. Вияп-лоняе закономерное тей изменения потенция льной глубины зобоин с увеличением екешту-отационноЯ наработки. 0 -130004

4. Исследование характеристик кратковременной прочности моториола работавших в ек-солуатации лопаток. Вияпленив закономерное той доформационно-цнк-лического ствренил материала при работе и их влияния но характеристики чувствитолыю-ста к надрезу.

5. Проведения натурных усталостных испытатй лопаток КНЛ двигателей ДЗО-КУ, (КЛ, КУ-154) на олетроди-намическои вибраторе и воздушной стенде: без мехаштчоских повреждений; с иснусстъанно нанесенюгми механическим повреждениями. Эксперинр'ггальпое уств повление новых норм па допустимые механические повреждения лопаток с учетом благоприятного влияния експлуатоциошхой наработки. 0 -13000ч

6. Обработка и анализ експераме цтв лъных дошшх.

посылка о возможности Одагощз'иятшх трапсформацяа структуру деформируемых дисперсионпо-твврдевдих материалов, вызванных длительным

эксплуатационным нагруженном. В практике эксплуатации отмеченные изменони« называют упрочнением или тренировкой.

Исследование характеристик оОнороОносш поверхностного слоя лопаток производилась с помощью упомянутого склеромотричоского ( трибоспектрального) метода, основанного на непрерывной оценке характера колебаний упругой балки с алмазным индептором в процессе "царапания" поверхности лопатки. В качество обобщенной характеристики однородности поверхностного слоя использовалась спектральная плотность, представляющая собой распределение амплитуд дисперсий колебаний балки по частоте. Параметрами спектральной плотности служили "срединная частота" а и дисперсия плотности D.

Анализ результатов проведенного сканирования поверхностного слоя лопаток I ступени КНД не выявил существенных закономерностей в изменении однородности поверхностного слоя с наработкой, что с учетом предыдущих исследований, а также литературных данных о сравнительно высокой исходпой чувствительности к надрезу титапово-. j сплава BTO-I и нестабильности свойств в состоянии поставки, делают невозможным рассмотрение вопроса о расширении норм на моханическио повреждения по отношению к указанному типу лопаток.

Результаты сканирования наиболее повреждаемых в эксплуатации лопаток II и III ступеней КНД (общая длина трасс сканирования составила 2760 мм, время обработки данных на ЭВМ -ок.55 часов) показали, что имеет место устойчивое снижение параметра а с наработкой, т.е. в процессе работы лопаток указанного типа происходит улучшение однородности их поверхностного слоя. Данный факт свидетельствует о том, что в процессе работы лопатки приобретают дополнительную способность противостоять трещинообразованию на профильной части пера.

Работы по исследованию повреждаемости работавших лопаток при уОариал погружении осуществлялись с целью выявления закономерностей измененоия потенциальной глубины забоин с увеличением наработки. Теоретические исследования в этой области позволили выдвинуть в качестве параметра ударной повреждаемости величину удольной опертой пластической деформации Е. Эксперименты производились на специально доработанном для этих цолой маятниковом копре (модернизация производилась с целью исключения повторных ударов из-за упругой отдачи материала и точного опредолония угла отскока маятника при ударе, чти необходимо для достоверной оценки Е).

-21В результате проведенных экспоримоЕгтоа выявлено, что в сиэи о процессами структуреной перестройки сплава ВД-17 при работе имеет место закономерное спито ¡rao ( примерпо па 2» за каждую 1000 чесов наработки) глубины забоины от удара Аиксированной энергии (4,73 Ля). Таким образом можно сделать вывод, что потенциальная уязвимость двигателей Д-ЗОКУ (КП.КУ-154) от попадания ПП с увеличением наработки (в пределах до 11000 и болов часов) -снижается. Происходит своеобразная адаптация ГТД к реальным условиям эксплуатации.

В раздела 4.4. "Результаты исследования характеристик кратковременной прочности маториала лопаток" привода 1Ш сведения по экс-пвримптсииищ) псслеСоваюх ааноналерюстей излеиения ая'тшения °о г'°ш D сплав0 ВД-17 с увеличении наработки. Эксперимент производился па установке типа 1195 английской Сирмы "Ипстрон", имеющей погрешность автоматической регистрации измеряемых параметров но нагрузке и деформации но более I*.

Наглядно подтвержден процосс улучшения харшторисчш чувствительности и надрезу исслодуомого лопаточного сплава в интервале наработка от 0 до 13000 и болое часов (о0 2/о> с наработкой монотонно снижается при постоянных значениях величии относительного удлинения 0 и суавнил ф).

Таким образом, проводе-нный комплокс экспоримонтолышх проверок двот основашю считать, что получошшо результаты но противоречат выдвинутой чонцонпции о необходимости учета длительности эксплуатационного пагругония при нормировании допустимых механических повроадэшй на лопатках компрессоров НД двигателей ДЗО-КУ ( КП. КУ-154), т.к. имеет мосто улучшение структурных параметров сплава, характеристик однородности поверхностного слоя, ударной и кратковременной прочности. Однако праводошшэ тьоди вляхлгея все se результатами косвенных проверок. Для гарантированного подтверждения паблгдаомых явлений пообюдимо проведение натурных усталостных испытания поврондешшх и поповрождепта лопаток, имощдх различную наработку в эксплуатации.

Первоначально были проведаны испытания па сахгиж jo уахиоап-пуо Оолгсвочноскъ лопаток с искусственно панэсепными механическими повреждениями фиксированной глубины. Мосюрасположзпие повреждений выбиралось в соответствии с данными результатов по опродола rom физико-механических свойств, а также однородности поверхностного слоя. Испытания проводились па злоктродинамическом вибраторе УВЭ-

IQ/ЬООО. Испытываеше лопатки препарировалась тонзорозисторлыш преобразователями сопротишшпаем IOO ом с базой S мм. Лопатки закреплялись одновременно за комлевую и профильную части и возбуждались по первому тону колебаний ва уровне внбронапряхений 68,2 Uns 19 кг/taf). иомант появления трещины усталости определялся по снихашш частоты колебаний на 10-15 гц.

В результате проведенных акспериментов установлено, что остаточная усталостная долговечность, характеризуемая остаточным числом циклов у лопаток II ступени КНД с искусственным надрезом в значительной степени повышался и достигает максимума в интервале наработки -4000 -9000 часов. Затем происходит постепенное снижение

до исходного (характерного для новых лопаток ) значения, которое в рамках принятой математической модола соответствует примерно наработке 13000 часов.

У лопаток III счтупени КНД в интервала наработки О -7000 часов Nu также мтаюшю "ростея , а затем постепенно снижается до уровня .входных свойств , достигая начального уровня усталости при наработке 13000 -13500 часов.

Представленные в работе графические зависимости довольно убедительно подтверждают обоснованные раноа предположения об улучпоннк стойкости лопаток II ц III ступеней КНД двигателей Д-ЗОКУ (КП.КУ-154) к повреждениям от ПП в интервале наработки от 3000 до 13000 и более часов.

Как отмечалось, улучшение свойств материала с наработкой носит название "тренировка". Явление тренировка отмечалось в ряда работ, (йю связано с шюгофакторным эффектом деформационпо-цикличоского упрочнения материала при сохранении характеристик пластичности. Положительным моментом тренировки лопаточного сплава ВД-17 является потенциальная возможность пересмотра норм на допустимые механические повревдения лопаток II и III ступеней КНД двигателей ДЗО-КУ (КП.КУ-154) в интервале паработкн, где эффект трэнттга ваиболео выражен.

В связи с этим следущим этапом по оценке остаточной долговечности работавших лопаток выбранного типа ошш усталостные испытания по зкаюршенвкиънолу опреОелтат Оопусшжих рсзлероЗ безопасных леханических побрсхОошй. Испытания проводилась в соответствии с ОСТ -1-00304-79, 0CT-I-00447-82. PTU "ОпрОДОЛОШЭ панбОЛЬ-uai допустимых повреждений на лопатках компрессоров" (МАП-Ш'А,

-гэ-

1989.). Согласно упомянутым документам, оспонная суть методики нормирования допустимых механических повреждений заключается в выявлении по результатам усталостных испытаний предольпой глубины повреждений, ограниченной в продельном случае фактом возникновения тревдпш усталости от забоины или вне ее ( па принятых уровнях и базах иагрухония). Испытания проводятся на т.п. потенциально опас-1шх формах колобатй, характеризующихся максимумом поминальных напряжений па кромках профильной части лопаток при розопансном нагрусогаш.

По дашшм предприятия-изготовителя потенциально опесной формой колобатй исследуемых лопаток пвллется вторая иэгибная фс ма. В связи с повышенной резонансной частотой этой формы колебаний электродинамический вибратор в качестве испытотельпого стенда становится ноприомлимым, т.к. ого возбуждающая сила резко падает с уволичошшм частоты и значительным увеличенном демпфирующих сил в материале.

Пригодными для рошопия подобного рода задач являются воздушпыо вибростепда, работающие па прилипло возбуждения лопаток даскро-пшм воздушшм потоком. В чостпости. для определения допустимых размеров повреждений на исследуемых лопатках использовался воздушный вибратор ВВ-2 "Сироца".

Из анализа приводогшнх в четвортой главе результатов слэдуот, что в ипте. вило наработок от 3000 до ЭООО и более часов рабочие лопатки II и III ступовой КНД двигателей ДЗО-iiy (КП, КУ-154) "дор-гат" существенно более глубокие зебошш, чем те, что оговорош в качество допустимых в бюллетене 1275-БЭ-Г. В частности, для ряс-смэтргаваемого интервала наработки у лопаток 1т ступони допустимая глубина забоин боз зачистки мохот быть увеличена в 4 раза, а для III ступени -мипимум в 2 раза. Надо оговориться, что эти данные получены на ограниченной выборке испытанных лопаток, однако в сочетании с результатами косвенных проверок повреждаемости сплава ВД-17 па различных этапах наработки имеется Ооаюяючно оснований для того , чтобы считать поставленную задачу резонной.

По итогам проводэшшх работ бил выпущен ряд документов можведо-мствопного уровня, раскрывающих потенциальнне возможности лопаток указанных типов в часта их стойкости по отношению к механическим повреждениям увеличенного размера.

-г 4-

Глава V. Технихо-экопомическая эффективность и реализация результатов исследований

В главе проведен анализ действующих нормативно-методических документов по оценке экономической эффективности расширения допустимых размеров на повреждения КНД. Показано, что использование рокомопдуомых методик не в полной море, а иногда и но вполне достоверно оцоштаот упомянутый эффект.

В рг.Оото сделана попытка оценить технико-экономические показатели эксплуатации ГТД посла расширения норм на забоины на ваъе имитационной модели процесса эксплуатации ГТД, разработанной в центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМо).

Имитационная модель формировалась исходя из т.н иерархической структуры ГТД, отражающей системный подход к анализу закономерностей эксплуатации парка в авиакомпании или предприятии ГА. Выявление таких закономерностей неразрывно связано с учетом "движения" I лмолета (ЛА) во временном интервале жизненного цикла.

Процесс эксплуатации ГТД представлялся в виде блочной структуры. Каждый из блоков отражал состояние двигателей на разных этапах его эксплуатации, с начала его использования до списания. В частности, в блоке эксплуатации имитировались процессыоланового ввода ЛА, накопление наработки планерами, двигателями, поступление их в ремонт и списание, отказы ГТД, замена двигателей и пр. Имитационное моделирование осуществлялось с помощью метода дискротных шагов, который заключался в продвижении модельного времени при квж-дьй итеррации и проварке факта свершения того или иного события. Каждый шаг моделирования включал в себя: продвижение системного времени и накопление измоненийво всех элементах множеств Б(самолет) и В (двигатель);

анализ изменений в каждом алемепте множеств Б и I); принятие рошений пр каждой характеристике множеств В и Ю. Продвижение системного времени осуществлялось дискротно, с фиксированным шагом Д( (в дши) и Лт (в часах или посадках). При продвижении системного времени у самолотов:

уменьшаются остатки назначенного и межремонтного ресурсов пла-норов, находящихся в эксплуатации;

уменьшается период времени до завершения ромопта плапоров самолетов, находящихся в ремонте;

У двигателей:

уменьшаются остатки времени до завершим ремонта; увеличивается время нахождения двигателей в запасе; уменьшаются остатки назначенных и межремонтных ресурсов; уменьшаются остатка времени до повреждения вентилятора и КВД

ГШ.

После перехода системы в новое временное состояние анализировались изменения в каждой из характеристик мложоств sud. вычленялись объекты, в которых произошли критические изменения (событие повреждения, его величина, конец ресурса).

Для множества D в качестве т.н. базового варианта имитационной модели процесса эксплуатации ДЗО-КУ (КЛ.КУ-154) использовалась нижеприведенная схема.

Блок-схема базового варианте имитационной модели експлуаташш ДЗО-КУ

Двигатели, поврежденные ПП

Неисправные (повреждотшя

ПП)

Исправимо (забоины в пределах ТУ)

Поврежден вентилятор

Поврежден воити-лятор и КВД

Досрочный съем двигателя

Восотааовлеиме" ГТД путем зачистки эабокя

Досрочный съем дьигателл

Количественные характеристики базового я альтернативных вариантов представлены в табл. 3. Результаты расчетов представлены в табл.4.

В заключительной частя раздела приведены оценочные характеристики влияния результатов исследований ра коафЩциект использования Кц (увеличение в среднем на 30*), среднегодовой налет ТсР (увеличение " на 13*), количество двигателей, приходящихся па одно "гнездо", сокращение направлений двигателей о восстааовительиый ремонт { в средавм на 66*).

в последнем разделе пятой главы приведены рекомендации по практической реализации результатов исследований. Здесь рассмотрены возможности использования разработанного подхода по отношению ко г~ем типам эксплуатируемых в ГА ГТД.

Сформированы практические рекомендации по выполнению каждого этапа исследования по пересмотру норм В8 допустимые размеры

Таблица 3

Иоходные данные для раочета еффективвооти екоалуатацня ДЗО-КУ но альтернативным вариантам

ПОКАЗАТЕЛИ Вазовый вариант- допустимая глубине забоин: 1 без зачио-тки, Зшс зачиот-коа Варианты расширения норм по глубине забоин на лопатках КНД

о 1 ш до А мм без зачистки о 1 мм до 6 ММ 0 зачисткой о 1 ш да 4 им без зачистка, о 4 мм до 6 им о зач

I 2 3 4 5

".«.по- ИТ- 52 15 13 13

И.г.пп» ИТ- 6 .- 45 2

- 43 - 43

14080 48820 56330 56330

О V* . ч кпн«ппп 4360 5590 5680 5680

механических повреждений на лопатках компрессоров (выбор оборудования. режимов испытаний и т.д.)

В Приложениях приводятся руководящие я нормативные документы по расширению норм на допустимые механические повреждения на лопатках КНД, отзывы предприятий промышленности и ведущих НИИ на промежуточные результаты исследований. Здось подвиты также протоколы и Фрагменты отчетов по проведенпым в других организациях испытаниям лопаточных материалов и самих лопаток.

Таблица 4.

Результата расчетов

ПОКАЗАТЕЛИ Варианты норм но глубину звбоин

Базовый вариант Альтернативные пприоитм

1 2 3

Общее число ремонтов ДСД "дсдПП. 455 128 109 109

Общее число ГТД, восстановленных в эксплуатации, шт. Моу»ПП 56 - 402 19

Суммарная стоимость восста-нонленил ГТД С чян. руб. Удельная стоимость восстановления ГТД св ,стУ., руб/ч полота 'вест/л 2604 1600 731 450 1274 790 665 410

сдельная трудоемкость вос-тановлопия ГТД Т.,,С|!_УЛ, чбл-чвс/ч полота стд 0,82 0.23 0,39 0,21

Величина оборотного фонда ГГД нв6 . шт. дсдПП 24 7 6 6

суммарные затраты эксплуатационных предприятий Э..с„2 • млп' 3900 1109 1598 990

Суммарный экономический эфЮкт Эул, млн. руб. - 2791 2302 2910

Удельный экономический эффект Эуд, руб/ч полета - 1700 1400 18090

Сушарный налет ЛА, тыс.ч 1620 1620 1620 1620

Основныа результаты исследований

1. Практика эксплуатации авиационных ГТД на самолетах ГА наглядно показывает, что проточная часть двигателей и особенно лопатки компрессоров НД и ВД подвержены механическим повреждениям от попадания посторонних предметов , что влечет за собой большой досрочный съем двигателей с эксплуатации. Авиакомпании и предприятия ГА несут весодае экономические потери от недоиспользования ресурса ГТД и расходов на внеплановое восстановление двигателей.

2.Анализ статистических данных по виду размерам и распределении механических повреждений на лопатках компрессоров ГТД, причин разрушения лопаток в эксплуатации, состояния двигателей, поступающих в очередной капитальный ремонт, а также зарубежный опыт в области нормирования механических повреждений позволили выдвинуть предположение о существовании потенциальной возможности расширения норм на допустимые механические повреждения лопаток компрессоров отечественных ГТД.

3.Апализ научных трудов отечественных и зарубежпых авторов в области исследования процессов усталостной повреждаемости лопаточных материалов , обобщенные теоретические данные по расходованию ресурса объектами в условиях переменного нестационарного погружения, позволили сформировать концепцию о необходимости учета с^шгоприятпого влияния длительной наработки па стойкость лопаток компрессоров ГТД к механическим повреждениям.

4. Несовершенство методов аналитических оценок НДС лопаток с механическими повреждениями при работе обусловило необходимость проводенал серии экспериментальных проверок правильности выдвинутых концептуальных положений. Дифференцирований анализ современных методов оценки усталостной повреждаемости лопаточных материалов позволил сформировать программ; экспериментальных исследований, включающую серив косвенных и прямых методов оценки степопи влияния наработки па стойкость лопаток к механическим повреждениям. В качестве объекта исследований выбраны рабочие лопатки КНД пироко используемых в ГА двигателей ДЗО-КУ (КП.КУ-154).

5.В результате всесторонней экспериментальной оценки влияния

паработка па стойкость лопаток к механическим повреждениям выявлено, что наиболее повреждаете в акспдуатацин лопатки II н III ступеней КНД, изготоБлвпныа из сплава ВД-17, существенно повитают способность "держать" забоину в интервала наработок от 3000 до 13000 часов. Это подтверждено результатами:

детального моталлофизического анализа материала исследуема лопаток;

оценки изменений характеристик однородности поверхностного слоя прсфш>пой части пора лопаток:

оценки ударной повреадаомости кромок пера лопаток; оценки характеристик кратковременной прочности материала лопаток, отражающих степень их чувствительности к надрезу.

6. С целью подтверждения подученных результатов была проведена серия натурных усталостных испытаний лопаток, отработавших различные сроки в эксплуатации, па электродинамическом вибраторе. Полу-чешшо дашша об усталостпой долговечности лопаток II и III ступеней КНД двигателей ДЗО-КУ (КП.КУ-154) со всей очевидностью подтвердили результаты предыдущих исследований.

7.Для определения новых норм па допустимые механические повреждения были проведаны усталостные испытания работавших,в эксплуатации лопаток па воздушном вибраторе ВВ-2 "Сирена". Полученные данные позволили сформировать рекомендации по увеличению норм на механические поарождошш лопаток II и III ступеней в интервале наработки от 3000 до 13000 часов в 2-4 раза по сравнению с действующими. Результаты исследований нашли свое огражошю в ряде межведомственных документов по обеспечению эффективности эксплуа-тацииТТД, а такжа в учебном процесса подготовки специалистов по специальности 130300.

8. Рекомендуемые нормы на допустимые мехапические повреждения били оцепчны с точка зрения технико-экономических показателей эксплуатации двигателей ДЗО-КУ (КЛ.КУ-154) в авиакомпаниях и предприятиях Гл. Достоверную оцопку этих гоквзателой удалось получить с помощью имитационной модели эксплуатации двигателей данного типа. Полученные результата позволили сделать вывод о весьма высокой эффективности новых норм. В частности, существенно снижаются общее число досрочно снимаемых двигателей, суммарные и удельные расхода по восстановлению, величина оборотного фонда двигателей (количество двигателей на одпо самолетное гнездо), повышается

-эо-

коаймциент использования двигателей, увеличивается их фактические межремонтный ресурс.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1.Пивоваров В.А. Эксплуатационная повреждаемость лопаток турбин авиационных силовых установок. М,: Транспорт, 1977, 121 с.

2. Иванов В.П., Пивоваров В.А. Выбор и обоснование материалов для изготовления элементов конструкций ГТД. Учебное пособие KI,: РИО МИИГА, 1979, 66 С.

3.Иванов В.П., Пивоваров В.А., Белоусов Г.Г. Экспериментальное определение допустимой величины повреждений рабочих лопаток компрессоров па высокочастотных формах колебаний. В сборн. "Динамика, выносливость и надежность авиационных конструкций" М,: РИО МИИГА, i960, 21 с.

4. Пивоваров В.А., Белоусов Г.Г. Влияние форм колебаний на сопротивление усталости рабочих лопаток компрессоров ГТД. В сборн."Динамика, выносливость и надежность авиационных конструкций" Ы,: РИО МИИГА, 1980, 18 С.

5.Пивоваров В.А., Уривовский Б.Д., Жорнлк Г.Н. Влияние показателей надежности на удельнув трудоемкость технического обслуживания самолетов . В сборн. "Научные основы построения и реализации программ ТОиР ЛА" м,: РИО МИИГА, 1981, с. 27-38.

6. Пивоваров В.А., Чишзчин D.M., Жорнян Г.Н. К исследованию технического уровня системы технической эксплуатации самолетов. В сборн. докладов Всесоюзн. коафоренции, посвященной 60-ти летаю Аэрофлота М,:, 1983, с.64-72.

7. Пивоваров В.А., Лебедев A.B. Определение взаимосвязей единичных показателей эксплуатационной технологичности изделий с показателями эффективности процесса ТОиР самолетов. Труда МИИГА, 1984, с.75-83.

8. Пивоваров В.А., Белоусов Г.Г..Шляжко В.в., Филатова А.Г. Оценка эффективности мероприятий по снижению досрочного съема двигателей с эксплуатации. Труда ГосНИИ ГА, вьш.265,1987, с.26-33.

9. Пивоваров В.А. Возможности расширения норм на поврохдасмость турбокомпрессоров ГТД на основе показателей живучести. D сб. докладов Всесоюзной НТК "Проблемы совершенствования технической эксплуатации авиационной тохншш" М,: PISO МИИГА, 1988, с.29-37.

10. Пивоваров В.А. Современные методы и сродства иэрозруааодого контроля авиацдонноц техники. Учобпое пособие. М,: Pilo МИИГА.

1988, 760.

II.Заключение о возможности расширения норм на допустимо повреждения лопаток компрессоров двигателей ДЗО-КУ (КП.КУ-154) МАП-ИГА. научи, руков-ль Пивоваров В.A. U,: 1990, 53с.

12. Пивоваров В.А. Диагностика ЛА и АД. Учебное пособие . М,: РИО ИИИГА, 1990, Ш С.

13.Пивоваров В.А., Абрамов Б.А., Цапюнин О.Ф. Нормирование до пустимте повреждений на лопатках компрессоров с учетом влияния наработки. В сборн. трудов ВНТК "НТП и эксплуатация воздушного транспорта" М,: РИО 1ШИГА, 1990, с.41-49.

14. Пивоваров В.А.. Абрамов Б.А.. Ыашошин О.Ф. Опенка стойкости лопаток компрессоров ГТД к напосишм повреждения i с учетом влияния наработки. В сборн. докладов ВНТК. U,: РИО ИИИГА, 1990,с.49-56.

15.Повреждаемость авиационных конструкций (физика надежности). Учебное пособие. М,: РИО МИИГА, 1991, 82о.

16. Установщиков D.H. .Пивоваров В.А.,Рац A.B. Упрочнение и разупрочнение сплава ВД-17 при циклическом нагружениа. Известия АН РФ "Металлы", И, 1992, 0.162-170

17.Пивоваров В.А. Новый подход к нормированию безопасной повреждаемости лопаток компрессоров ГТД. В сборн. докладов ВНТК. И,: МГТУГА, 1994, С.49-54

18. Пивоваров В.А. Диагностика ЛА и АД (основы теории и прикладные вопросы). Учебное пособие. U,: РИО ЫГТУ ГА, 1994, 156с.

19.Пивоваров В.А. Повреждаемость в диагностирование евиационных конструкций. Учебник, М,: Транспорт, 1994,256 с.