автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Влияние полетного цикла нагружения дисков ГТД из титановых сплавов на кинетику их усталостного повреждения



^^ Федеральная авнацноннан служба России Государственный научно-псследоватсльскнн институт

гражданской авиации

На правах рукописи

ЛОСЕВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

УДК 629.735.015.4.03 629.735.017.1.03

ВЛИЯНИЕ ПОЛЕТНОГО ЦИКЛА НАГРУЖЕНИЯ ДИСКОВ ГТД ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ НА КИНЕТИКУ ИХ УСТАЛОСТНОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ

Специальность 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Москва, 1998

Работа выполнена в Государственном научно-исследовательском институте граждан ской авиации.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор, академик Нью-Йоркской академии наук ШАНЯВСКИЙ А. А.

доктор технических наук, профессор КОНЯЕВ Е. А. кандидат технических наук ГРИГОРЬЕВ В. М.

Центральный институт авиационного моторостроения им. П. И. Баранова

1998 года в

Защита диссертации состоится ' " 1У9» года в V _ часо

на ■ заседании диссертационного Совета К 072.01.01 Государственного научно исследовательского института гражданской авиации по адресу:

103340, Москва, аэропорт "Шереметьево", ГосНИИ ГА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГосНИИ ГА.

Автореферат разослан

1998 года.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направлять по указан ному адресу не. имя учетого секретаря.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор, академик Нью-Йоркской академии наук

С-

Шанявский А .А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы.

Обязательным требованием к современному авиационному газотурбинному двигателю (ГТД), используемому в гражданской авиации, является то, что его ресурс должен составлять несколько десятков тысяч часов или полетных циклов. Двигатели ВС гражданской авиации проектируются по принципу безопасного ресурса их наиболее ответственных элементов. В соответствии с этим принципом появление в наиболее ответственных деталях двигателя в процессе его эксплуатации дефектов в виде трещин считается недопустимым. Конструктивное исполнение двигателей, как правило, таково, что их ресурс в первую очередь определяется долговечностью дисков ротора двигателя, причем критичными с этой точки зрения считаются диски турбины двигателя, как элементы, работающие в наиболее тяжелых условиях.

Усталостные разрушения титановых дисков в эксплуатации наблюдаются регулярно на двигателях разных типов и обуславливаются исчерпанием усталостной прочности их материала по критериям многоцикловой (МНЦУ) или малоцикловой (МЦУ) усталости или разных вариантов их сочетания. Нередко зарождение трещин в дисках инициируется дефектами их материала, имеющими производственный или эксплуатационный характер. Однако в большинстве случаев разрушения титановых дисков обусловлены тем, что их изначальная конструктивная прочность является недостаточной для назначенного им ресурса.

Каждое новое разрушение диска с точки зрения его типа или причин разрушения вынуждает переводить двигатели на эксплуатацию по принципу безопасного повреждения дисков или изменять регламент такой эксплуатации. Иначе нельзя обеспечить дальнейшую эксплуатацию двигателей без остановки всего их парка для внедрения мероприятий по предотвращению случаев разрушения дисков. Эксплуатация по принципу безопасного повреждения предусматривает использование в течение некоторого периода времени деталей с развивающимися в них трещинами, но должна гарантированно исключать возможность разрушения таких деталей. ,

Своевременное изъятие из эксплуатации дисков с трещинами обеспечивается путем введения в эксплуатацию периодических проверок дисков на предмет выявления в них трещин. Эффективность проверок определяется не только технологией контроля дисков. Она зависит также от того, насколько верно определена наработка дисков, при которой надо начинать их проверки, и периодичность выполнения этих проверок.

Решение вопроса о периодичности контроля дисков является наиболее сложным, по-

скольку в'данном случае нет каких-либо точек отсчета периода разрушения, хотя бы ориен тировочных, как в случаях оценки наработки, при которой надо начинать проводить кон троль. Единственным источником информации о длительности развития трещины являете) излом по месту разрушения и необходимо уметь считывать с него эту информацию. Для это го, прежде всего, надо знать какие механизмы разрушения материала и виды его нагруженш отвечают друг другу и располагать качественными и количественными показателями соот веттствия между теми или иными элементами или блоками элементов излома и блоками на грузок, действующих на диск за ПЦН.

Для обеспечения эксплуатации титановых дисков по принципу безопасного повреждения необходимо знать эквиваленты повреждающего действия на материал дисков нагрузок ПЦН и на их основе определять периодичность контроля дисков с учетом применяемых е эксплуатации методов и средств контроля и условий его проведения.

Цель паботы - провести исследование кинетики усталостного разрушения титановых дисков компрессоров ГТД и разработать методику оценки периодичности их осмотра с эксплуатации с учетом особенностей разрушения титановых сплаЬов.

Объект исследования - диски компрессоров ГТД изготовленные из титановых

сплавов.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении чувствительности сплавов титана к условиям их нагружения в эксплуатации при существующей технологии изготовления дисков компрессоров ГТД;

- в определении эквивалентов повреждающего действия нагрузок ПЦН на титановые диски компрессоров двигателей гражданской авиации;

- в выявлении общих закономерностей развития усталостных трещин в титановых дисках в условиях эксплуатации;

- в установлении новых закономерностей развития усталостного разрушения титановых сплавов в условиях высокой асимметрии цикла нагружения;

- в разработке принципов оценки живучести титановых дисков ГТД в условиях эксплуатации.

Практическая ценность работы заключается:

- в разработке методики определения периодичности контроля титановых диско! ГТД в эксплуатации;

- в получении параметров кинетических кривых усталостного разрушения тнтановы? сплавов В'ГЗ-1 и ВТ8 при различных условиях нагружения и формах трещин;

- в разработке методики оценки чувствительности материала к условиям его нагру-жения в эксплуатации, используемой при экспертных исследованиях причин разрушения дисков в эксплуатации и защищенной авторским свидетельством на изобретение;

- в определении периодичности контроля титановых дисков двигателей Д-30, Д-ЗОКУ, НК8-2У, АИ-25, исключившей их разрушения в полете, при сохранении регулярности перевозок, что обеспечило высокую экономическую эффективность результатов работы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Общие закономерности развития эксплуатационных усталостных разрушений дисков компрессоров ГТД, изготовленных из титановых сплавов.

2. Эквиваленты повреждающего действия нагрузок ПЦН на диски компрессоров при различных условиях эксплуатации разных типов двигателей.

3. Кинетические кривые развития поверхностных и сквозных усталостных трещин, характеризующие чувствительность сплавов ВТЗ-1 и ВТ8 к условиям их нагружснчя.

4. Методика определения периодичности контроля титановых дисков ГТД в эксплуатации, обеспечивающая безопасность и регулярность полетов ВС.

Связь темы диссертации с государственными программами. Диссертационная работа является составной частью научно-исследовательских работ, систематически проводившихся в ГосНИИ ГА и проводимых в ГЦ БП ВТ по отраслевым программам "Провести исследования аварийных и отказавших объектов аварийной техники, выявленных при расследовании авиационных происшествий, инцидентов, при техническом обслуживании и ремонте" (договор №80.103-944) и "Проведение комплексных исследовательских работ по обеспечению расследований авиационных происшествий (АП) и инцидентов (И)" (договор № 80.103-10), а также частью тематической работы "Разработка методики определения скорости роста усталостных трещин в титановых дисках ГТД с целью установления периодичности их эксплуатационного контроля" (1991-1992гг).

Достоверность основных научных выводов н результатов. Результаты работы и ее научные положения позволили обосновать периодичность эксплуатационного контроля дисков компрессоров и ввести этот контроль, что исключило повторение случаев разрушения дисков в эксплуатации. Эффективность введенного контроля подтверждена статистическими данными по выявлению усталостных трещин в дисках в эксплуатации.

Исследования поведения материала дисков компрессоров при различных условиях нагружения были выполнены на образцах, вырезанных из серийных дисков, и на самих серийных дисках. Диски испытывались на стендах и в составе двигателя. Исследования велись

с привлечением высокоразрешающего метода растровой электронной микроскопии с автоматизированной обработкой результатов измерений геометрических параметров элементов рельефа излома. При исследовании соблюдались условия подобия кинетики усталостного разрушения материала дисков в опыте и в условиях эксплуатации, что позволяет распростра-. нить полученные закономерности на другие виды титановых сплавов и другие типы дисков компрессоров.

Реализация результатов работы. Результаты выполненного исследования внедрены в эксплуатацию в виде обоснованной периодичности контроля дисков компрессоров I, II, III и IV ступеней КНД и I и II ступеней КВД двигателя ДЗО, II и III ступеней КНД двигателя ДЗОКУ и 1 ступени КНД двигателя НК8-2У по бюллетеням, перечень которых представлен в рукописи диссертации.

Экономический эффект только от внедрения 50 часовой периодичности осмотров дисков 1 ступени КВД двигателя Д-30 составил более 250 тыс. рублей в ценах 1987 г.

Лчпобиция работы. Содержание и основные результаты работы обсуждались на: XXIII Всесоюзном научном совещании по проблемам прочности двигателей (Москва 1990г); III Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир 1990г); Семинаре по проблемам разрушения и прочности конструкций (Москва, МДНТП, 1991г); Всесоюзном симпозиуме по проблемам растровой электронной микроскопии РЭМ-91 (Москва, ИКАН, 1991), 11 Европейской конференции по механизмам и механике разрушения (France, Poitie, 1996); 4 Международной конференции по малоцпкловой усталости и упруго—пластическому поведению материалов (Germany, Garmisch-Partenkirrchen, 1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе получено одно авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 166 страницах и включает 7 таблиц, 59 рисунков и список литературы из 91 наименования, а приложения занимают 9 страниц.

Основное содержание работы.

В первэй главе "Anana методов определения долговечности дисков роторов П'Д и поведения титановых ставов при их циклическом погружении" дан обзор и анализ существующих методов определения и назначения ресурса дисков ГТД и данных литературных не-

точников по поведению титановых сплавов при их циклическом нагружении.

Выполненный обзор свидетельствует, что в эксплуатации титановые лиски ГТД работают в условиях нагружения за ПЦН, которые не могут быть в полной мерс учтены в расчетах на прочность и долговечность. Это связано с отсутствием на стадии проектирования дисков полной информации об условиях, в которых диски будут работать, например, о параметрах их вибрации, всевозможных эксплуатационных повреждениях или отклонениях в качестве их материала или изготовления. Сложно учесть на стадиях проектирования н доводки двигателя и многочисленные усталостные характеристики материала, описывающие его поведение в условиях эксплуатации и определяющие его реакцию на внешнее воздействие.

Исследования случаев разрушении титановых дисков в эксплуатации н имеющиеся в литературе данные по поведению титановых сплавов при их циклическом нафужении показывают, что даже разные экземпляры одного и того же титанового сплава могут по-разному реагировать на одинаковое внешнее воздействие. В первую очередь это относится к выдержке титановых сплавов под нагрузкой и к их нагружению с высокой асимметрией цикла. Титановые сплавы могуг проявлять чувствительность к указанным условиям нагружения, выражающуюся в смене механизмов разрушения с вязкого внутризеренного на >:рупкое по границам фаз. Причины проявления титановыми сплавами такой чувствителыюгги к условиям нагружения в настоящее время не установлены. Вместе с тем в ряде работ показано, что переход от внутризеренного к преимущественно межфазовому разрушению мокет.существенно влиять как на скорость роста трещины (СРТ), так и на общую долговечное! ь материала

В результате такого состояния дел в области назначения дискам роторов ГТД ресурса в эксплуатации регулярно наблюдаются разрушения титановых дисков связанные с исчерпанием их усталостной прочности по тем или иным механизмам или их сочетаниям. В таких случаях необходимость обеспечения дальнейшей эксплуатации парка двигателей вынуждает переводить его на эксплуатацию по принципу безопасного повреждения дискэв путем введения их периодического контроля. Это в свою очередь требует обоснования периодичности контроля на основе фрактографических исследований эксплуатационных изломов.

Поскольку одному механизму разрушения материала могут соответствовать разные виды внешнего воздействия, то понятие подобия процессов повреждения материала в нспы-тывавшихся дисках и эксплуатирующихся должно быть связано не с типом нагрузки (МЦУ, МНЦУ или длительная статическая нагрузка), а с реализуемыми механизмами разрушении материала дисков. Соответствие механизмов разрушения испытанных и эксплуатировавшихся дисков может быть установлено при фрактографическом исследовании изломов тех н дру-

гмх дисков. Поэтому применительно к титановым дискам должны быть разработаны новые принципы систематизации полетных нагрузок, основанные на подобии реализуемых механизмов разрушения с определением эквивалентов повреждения материала за один или несколько ПЦН по числу тех или иных параметров рельефа излома.

Современные достижения в области количественной фрактографии позволяют определять длительность роста усталостных трещин по специфическим параметрам рельефа излома в виде усталостных бороздок, шаг которых характеризует подрастание трещины за единичный цикл приложения внешней нагрузки (Романив О.Н., Иванова B.C., Шанявский A.A., Степаненко В.Л., Красовский А.-Я. и др.). Исследования Б.А.Колачева, А.Б.Малькова, Л В.Проходцевой, М.Я.Бруна, Н.П.Вильтер, Р.Н.Сизовой, Н.В.Степанова, Иодера, Пауэлла, Даггана, Хопкннса, Леверанта и др. продемонстрировали принципиальную возможность использования усталостных бороздок для определения периода развития усталостных трещин и в титановых сш.авах при различных условиях их нагружения. Но это правомерно только для случаев, когда разрушение определяется регулярными условиями нагружения без эффекта взаимодействия нагрузок, а подавляющая часть излома имеет бороздчатый рельеф.

Нагруж'гнис дисков в каждом полетном цикле (ПЦН) нельзя считать регулярным. В течение полета неоднократно изменяются режимы работы двигателя, в результате чего меняются уровни действующих в дисках напряжений и наблюдается взаимодействие нагрузок, весьма значительное как по повторяемости, так и по уровню напряжений, У подавляющего большинства получаемых в таких условиях изломов бороздчатый рельеф локален. При хрупком разрушении материала по границам фаз локальность формирования усталостных бороздок может быть столь высока (менее 5% площади излома), что их использование для оценки периодичности контроля дисков в эксплуатации становиться весьма проблематичным.

Помимо этого систематические исследования эксплуатационных разрушений титановых дисков Г'ГД свидетельствуют об отсутствии единообразных реализаций процесса развития трещин за ПЦН по виду, величине и количеству элементов рельефа излома в дисках разных ступеней компрессоров и типов двигателей.

По этим причинам при решении задач эксплуатации ВС отсутствует единый подход к определению периода роста трещин в дисках компрессоров, который бы позволял учитывать условия нагружения индивидуального диска, поведение его материала, условия и доступность предполагаемого контроля, а также распространять информацию о развитии разрушения единичного экземпляра диска на весь парк эксплуатирующейся техники.

Анализ состояния проблемы перехода к эксплуатации дисков компрессоров ГТД по

принципу безопасного повреждения позволил сформулировать следующие основные задачи исследования:

- изучить на образцах, вырезанных из серийных титановых дисков, кинетику сквозных и поверхностных усталостных трещин в условиях растяжения и изгиба по треугольной и трапецеидальной формам цикла нагружения и при нагруженпи с высокой асимметрией цикла;

- исследовать рост трещин в натурных дисках в условиях стендовых испытаний по различным программам, имитирующим эксплуатационные ПЦН, в том числе по программе ЭЦИ двигателя;

- установить эквиваленты между числом параметров рельефа изломав дисков, используемых для определения длительности роста трещин, и числом повреждающих циклов за ПЦН, вызывающих продвижение трещин в дисках;

- выявить и обобщить зависимости кинетики эксплуатационных усталостных разрушений дисков при различных условиях их нагружения, определить длительность роста трещин в ПЦН и сформировать методический подход к установлению периодичности осмотров дисков в эксплуатации.

Во второй главе "Методика проведения исследования" дано обоснование выбора типов титановых сплавов, видов образцов, типов дисков ГТД, использованных для изготовления образцов, видов проведенных стендовых испытаний дисков и изложены условия испытания образцов и дисков.

Для исследования были выбраны титановые сплавы ВТ8 и ВТЗ-1, применяемые для изготовления дисков компрессоров ГТД, разрушение которых отмечалось в эксплуатации и которые были исследованы в рамках представляемой работы. Образцы для исследования вырезали непосредственно из серийных дисков, материал которых по своим физико-механическим характеристикам и структурному состоянию удовлетворял всем требованиям ТУ, кроме особо оговоренных случаев. Образцы для исследования поведения сплава ВТ8 изготавливали из дисков I ступени КНД двигателя НК-8-2У, а сплава ВТЗ-1 - из дисков различных ступеней компрессора двигателей Д-30 и Д-18.

Первая серия испытаний была выполнена на образцах прямоугольного сечения, вырезанных из'дисков I ступени КНД двигателя НК-8-2У. Образцы имели сквозной надрез глубиной 5мм и испытывались в условиях трехточечного изгиба при частоте нагружения 0,2 Гц по треугольной форме цикла и по циклу с выдержкой под максимальной нагрузкой в цикле в течение 20 с. Образцы были вырезаны из 3 дисков одной плавки, значения КСТ которых бы-

ли близки и находились в интервале 0,98-1,5 кг-м/см2.

Вторая серия испытаний заключалась в циклическом растяжении образцов прямоугольного сечения с поверхностными трещинами по треугольной форме цикла с частотой нагружения 0,2 Гц и по трапецеидальной форме цикла с длительностью выдержки образца под максимальной нагрузкой в течение 20 с. Уровень напряжений, действовавших в образцах при испытании, составлял 400, 500 и 600 МПа, что охватывает реализуемый обычно в дисках диапазон расчетных уровней напряжений в эксплуатации. Образцы вырезались из дисков 1 ступенн КНД двигателей Д-30 и НК-8-2У.

Третья серия испытаний была проведена на образцах прямоугольного сечения из сплава Е1ТЗ-1, вырезанных из дисков компрессора двигателя Д-18. Образцы имели поверхностный надрез ¡1 испытывались на растяжение при частоте нагружения 0,2 Гц по треугольной форме цикла нагружения и по трапецеидальной форме цикла с выдержкой под нагрузкой в течение 20 с. В этой серии испытаний было проведено сопоставление уровней энергии разрушения, характеризуемой КСТ, и поведения материала при разных формах цикла нагруже-Н11Я Был исследован материал 4 дисков со средней величиной КСТ - 0,38 кг-м/см2, 0,49 кг-м/см', 0,82 кг-м/см2 и 1,1 кг-м/см2. Данные по величине КСТ были предоставлены Запорожским моторостроительным объединением.

Четвертая серия испытаний была реализована на образцах из сплава ВТ8, вырезанных из диска I ступени КНД двигателя НК-8-2У. Материал этого диска при предварительных испытаниях на грехточечный изгиб по трапецеидальной форме цикла нагружения с выдержкой под максимальной нагрузкой в течение 20 с не проявил чувствительности к выдержке и разрушался вязко внутризеренно с формированием в изломе преимущественно усталостных бороздок. Обрглцы имели прямоугольное сечение равнопрочного для консольного изгиба профиля и испытывались на такой изгиб по отнулевому асимметричному циклу нагружения при изменении величины асимметрии цикла в интервале 0,8 - 0,92. Для инициирования поверхностных трещин образцы на большей стороне рабочего сечения имели надрез в форме кругового сегмента. Уровни напряжении в образцах при испытаниях составляли 400, 600 и 800 МПа. Выбор высокого уровня напряжений был обусловлен необходимостью получения данных о влиянии максимального уровня асимметрии цикла на рост трещин при сравнительно небольшой продолжительности испытания образцов.

Пятая серия испытаний была реализована на серийных дисках компрессоров двигателей Д-30, изготовленных из титанового сплава ВТЗ-1. Испытаниям подвергались 4 диска,

на которых имитировали условия их нагружения, реализуемые в эксплуатации.

Диск № 1 (диск I ступени КВД) был испытан в Пермском моторостроительном объединении на разработанном для таких испытаний стенде типа УИР-2, воспроизводящем условия работы диска в составе двигателя. Программа испытаний предусматривала нагружение диска циклами трапецеидальной формы при увеличенном до 1,7 мм монтажном прогибе полотна диска в собранном роторе. Такой прогиб более чем в два раза превыиал его максимально допустимую по ТУ величину, равную 0,6 - 0,8 мм. Циклы нагруженкя диска имели следующие параметры: минимальная частота вращения - 1000 об/мин, максимальная частота вращения - 12500 об/мнн, выдержка диска при максимальной частоте вращения - 40 с.

Диск № 2 (диск I ступени КВД) был испытан в Пермском моторостроительном объединении на специальном стенде в условиях циклического изгиба. При изгибе реализовывали прогиб полотна диска в 2,8 мм. В процессе испытаний осуществлялось слежение за распространением трещины, выполнялся контроль характера формирования сигналов акустическом эмиссии (данные Банова М.Д.) и проводилось сопоставление результатов контроля методом акустической эмиссии с результатами контроля другими методами неразрушающего контроля (УЗК, ЛЮМ-А и вихретокового). Программа испытаний, разработанная в ГосНИИ ГА, состояла в сопоставлении влияния на рост трещин циклов треугольной и трапецеидальной форм, которые сменяли друг друга через каждые 500 циклов. Частота циклов треугольной формы равнялась 0,8 Гц, длительность выдержки при трапецеидальной форм^ цикла составляла 20 с. В процессе испытаний пять раз выполнялось маркирование излома при наработках 1500, 2500, 5500, 6500 и 8500 циклов. Маркирование излома проводили пу|см нагружения диска 500 циклами треугольной формы, обеспечивающими уменьшенное с 2,8 мм до 1,0 мм смещение обода диска относительно его ступицы. После каждого маркирования испытания продолжали по циклам с прогибом полотна в 2,8 мм.

Диск № 3 (диск 1 ступени КВД) проходил испытания в составе двигателя по программе ЭЦИ на Пермском моторостроительном объединении. В процессе испытаний было отмечено повышение уровня вибрации ротора компрессора двигателя. При эаэборке двигателя в диске I ступени КВД была выявлена усталостная трещина, которую после вскрытия подвергли исследованию.

Диск № 4 являлся диском I ступени КНД двигателя Д-30 и имел в одном из межпазовых выступов трещину, протяженностью около 7мм по поверхности выст,па, которая была выявлена при контроле диска в эксплуатации. Этот диск был испытан на стенде УИР-2 Пермского моторостроительного объединения. Испытания проводились по специально раз-

работанной в ГосНИИ ГА программе. При испытании полностью воспроизводился типовом полетный цикл нагружения диска в эксплуатации. Были только сокращены до 5 - 40 с. периоды рабогы диска при постоянных оборотах пропорционально длительности этих периодов в реальном ПЦН. Испытания были разбиты на пять одинаковых этапов, каждый из которых включал 1!) испытательных циклов, разбитых на группы из 1, 2, 3, 4 и 5 циклов. Для фиксации фронта трещины в начале каждого этапа и после приложения каждой группы испытательных циклов излом маркировали путем нагружения диска соответственно 40, 35, 30, 25 и 20 циклами треугольной формы, нагрузка которых составляла 77% от максимальной нагрузки испытательного цикла. После завершения испытаний было зафиксировано подрастание трещины по поверхности выступа примерно на 3 мм.

Таким образом, на стенде были испытаны три диска I ступени КВД (№№ 1, 2 и 3) и один диск I ступени КПД двигателя Д-30.

Изломы всех испытанных дисков и образцов подвергались фрактографическому исследованию на высокоразрешающем растровом электронном микроскопе, оснащенном автоматизированной системой обработки результатов измерений геометрических параметров элементов рельефа излома. Помимо этого в рамках работы было выполнено исследование изломов дисков разных ступеней двигателей Д-30, Д-ЗОКУ, Д-18, АИ-25 и НК-8-2У, а также с американского двигателя CF6-50, разрушение которых имело место в эксплуатации.

В третьей главе "Синергетика устачостиого разрушения дисковых титановых ставов В'ГЗ-1 и ВТ8" представлены результаты исследования сплавов ВТ8 и ВТЗ-1 при различных видах и формах цикла нагружения.

При исследовании указанных материалов, структура и свойства которых определяются технологией изготовления дисков компрессоров ГТД, было установлено, что они могут иметь разные состояния, которые определяют реакцию материала на внешнее воздействие и реализуемые при этом механизмы и кинетику его разрушения.

Состояние I (обозначение принято условно). Материал, имеющий это состояние, при треугольной и трапецеидальной формах цикла его нагружения в области МЦУ неизменно разрушается по границам фаз. В изломе при этом формируется преимущественно фасеточный рельеф. Зоны с усталостными бороздками, по которым может быть охарактеризована кинетика разрушения материала, в этом случае локальны и могут занимать менее 5% от общей площади излома. При трапецеидальной форме цикла нагружения долговечность материала е таком состоянии ниже, а СРТ выше, чем при треугольной форме цикла. Шаг усталостных бороздо < у такого материала существенно отстает от фактического значения СРТ. Та-

кой материал имеет наихудшие усталостные характеристики.

Состояние II. Материал в таком состоянии при треугольной форме цикла нагружения разрушается вязко внутризеренно с формированием в изломе преимущественно усталостных бороздок, а при трапецеидальной форме цикла - хрупко по границам фаз. Смена механизма разрушения такого материала сопровождается снижением его долговечности и значительным возрастанием СРТ. При вязком внутризеренном разрушении такого материала шаг бороздок характеризует СРТ и его можно использовать для определения периода роста трещин при исследованиях дисков. Такой материал имеет среднюю по величин: долговечность и живучесть.

Состояние III. Материал в этом состоянии при обоих видах нагружения неизменно разрушается вязко внутризеренно с формированием в изломе усталостных бороздок. Зоны фасеточного рельефа в изломе такого материала практически отсутствуют. При переходе от пульсирующего цикла нагружения такого материала к циклу с выдержкой под нагрузкой кинетика трещины может не измениться, но возможно также некоторое увеличение СРТ и соответственно шага усталостных бороздок. В обоих вариантах шаг бороздок отвечает фактической СРТ. Из указанных трех состояний это состояние отвечает наилучшим усталостным характеристикам материала.

Сопоставление кинетики разрушения исследуемых титановых сплавов, находящихся в разном состоянии, показывает, что у материала, разрушающегося по границам фаз при разных формах цикла нагружения, по сравнению с материалом, неизменно разрушающемся вязко внутризеренно, СРТ и шаг усталостных бороздок в несколько раз выше (рис 1). При треугольной форме цикла соотношение СРТ у этих материалов достигает 3-4 крат, а шага бороздок 1,5-2 крат. При трапецеидальной форме цикла эти соотношения увеличиваются соответственно в 1,5-2 раза и в 2 - 2,5 раза. Шаг бороздок в материале, неизменно разрушающемся вязко по телу зерна, практически соответствует СРТ, а в материале, неизменно разрушающемся хрупко по границам фаз, отстает от СРТ. При треугольной форме цикла это отставание достигает 2 - 2,5 раз, а при трапецеидальной форме цикла - примерно 1,5 раз.

Одной из наиболее важных характеристик материалов, применяемы« для изготовления дисков, является их способность сопротивляться росту трещины, о которой в настоящее время судят по величине работы разрушения образца с трещиной (КСТ). Однако у исследованного сплава ВТ8 такой связи не наблюдалось. У трех дисков одной плавки, данные о кн-нетнке разрушения двух из которых приведены на рис. 1, были выявлены в;е три вышеуказанных состояния. Вместе с тем материал этих дисков имел близкие значения КСТ, нан-

100

£ состоя. о,

1 мие МПа

| О - 11 - 500.«

| « - Н - 500, йс/(Ш

о- 1 - 500, 8

"1г. ! : 500, ййам

400, »

: а - 1 - 400, <1С<Ш

0.1

10

.¿•'Л

♦ о

л О *Ъо

100

10

100

0.1

К,, МП» м

"а"

К„ МПа-м "б"

Рис. 1. Кинетические кривые сплава ВТ8 при треугольной (а) и трапецеидальной (б) формах цикла нагружения

меньшее из которых равнялось 1,02 кг см/см2 и существенно превышало допустимую по существующим нормам величину в 0,7 кг см/см2. Это свидетельствует, что у исследованных материалов связь величины КСТ с их чувствительностью к форме цикла нагружения и соответственно с их способностью сопротивляться росту трещины отсутствовала.

Помимо этого при дополнительных исследованиях материала указанных дисков методами металлофизики не было выявлено связи его состояния ни с параметрами его макро- и микроструктуры, в том числе тонкой, ни с его стандартными механическими свойствами, контролируемыми при производстве дисков.

У сплава ВТЗ-1 также не наблюдается однозначной связи его чувствительности к условиям нагружения с величиной КСТ. Причем зависимость кинетики усталостных трещин от

состояния; сплава ВТЗ-1 аналогична выявленной у сплава ВТ8. Это относится и к соотноше-

!

нию СРТ й шага усталостных бороздок у материалов разных состояний, и к изменению СРТ и шага бороздок при переходе от одного вида нагружения к другому, и к соответствию между СРТ и шагом бороздок у материалов разных состояний при разных видах нагружения.

Выполненные исследования титановых сплавов ВТ8 и ВТЗ-1 показали, что в эксплуатации находятся диски, материал которых имеет разные состояния. Причем подавляющая часть разрушений приходится на диски, материал которых имеет состояние I или И и

2

разрушается преимущественно хрупко по границам фаз.

В связи с этим был предложен способ определения состояния титановых сплавов дисков компрессоров. Использование этого способа позволяет оценить значение живучести конкретного экземпляра разрушенного в эксплуатации диска относительно ее предельных значений, которые могут быть реализованы в эксплуатации, что необходимо для определения периодичности осмотров дисков на всем парке двигателей. Состояние материала конкретного экземпляра диска определяется по морфологии рельефа изломов образцов, вырезанных из этого диска и испытанных по треугольной и трапецеидальной формам цикла на-гружения. Переход от длительности разрушения конкретного экземпляра диска к минимально возможной длительности разрушения в эксплуатации осуществляется введением коэффициента коррекции, на который умножается живучесть разрушенного диска. Численное значение этого коэффициента фактически равно отношению минимально возможной в эксплуатации живучести дисков, материал которых имеет наименьшую способность сопротивляться росту трещины (состояние I), к реализованной у разрушенного диска.

Испытание на растяжение образцов с поверхностными трещинами из сплавоз ВТ8 и ВТЗ-1, не менявших механизмов разрушения при разных видах нагружения, показали, что введение выдержки образцов под нагрузкой может вызвать снижение периода зарождения 1: роста усталостных трещин. При испытаниях это наблюдалось при всех исследованных уровнях напряжений. При этом живучесть практически у всех образцов составляла большую часть их общей долговечности. Этот факт представляет большое практическое.значение, поскольку не редки случаи наличия в материале дисков, разрушающихся в эксплуатации, различных дефектов. Для таких случаев дефектного состояния материала основная часть периода эксплуатации диска приходится на период развития трещины.

Снижение периода роста трещин в образцах объясняется тем, что вигденпе выдержки вызвало у обоих сплавов увеличение примерно в 1,3 раза как СРТ, так и шлга усталостных бороздок (рис. 2). При этом каких-либо принципиальных отличий в поведении обоих сплавов при разных формах цикла их нагружения не наблюдалось (см рис. 2а).

Важно Также отметить, что вязкое внутрнзеренное разрушение данных материалов при обоих видах нагружения может идти с реализацией не только механизма формирования усталостных бороздок. Наряду с бороздчатым рельефом в изломах может формироваться так называемый волнистый рельеф. При таком хотя и вязком внутризеренном, но смешанном разрушении материала шаг бороздок отстает от СРТ в 1,4 - 1,8 раза.

Испытания по асимметричному циклу нагружения сплава ВТ8, не имеющего чупст-

10

■в

■о 0.1

10

а. НП|

• 41 -«»л/д

О ВТ! •4В0<ГЛ/-\ А »Т1

л «Т1 -1«0/-уд

Су ВП.1.4«А/"\ • ■

г;. 4П-1-Юодл/д

V

10

К,, МПа-м

100

0,1

0,01

о , МПа

-»•АЛЛ -н«ЛА -«»ЛАА

К,, МПа м

100

"а" "б"

Рис. 2. Единые кинетические кривые сплавов ВТ8 и ВТЗ-1 при растяжении по СРТ(а) и сплава ВТ8 по шагу усталостных бороздок

внтельностн к форме цикла нагружения и неизменно разрушающегося вязко по телу зерна, показали, что при асимметрии цикла в интервале от 0,8 до 0,92 такой материал также разрушается по телу зерна. Излом при этом имеет специфический псевдобороздчатый рельеф, характерный для развития трещин со скоростями ниже 510"' м/цикл. С возрастанием асимметрии цикла, когда амплитуда переменной нагрузки уменьшается, проявляется нечувствительность матергг и к уровню нагрузки, выражающаяся в падении интенсивности нарастания по длине трещины СРТ. Было также отмечено, что при разных сочетаниях уровня максимального напряжения и асимметрии цикла могут быть получены эквивалентные по СРТ режимы нагружения и что асимметрия цикла влияет на кинетику разрушения существенно более сильно, чем уровень напряжения. Изменение асимметрии в пределах 10% способно парировать изменение уровня максимального напряжения в 1,5 раза.

Таким образом, исследование образцов, вырезанных из дисков, позволило:

- установить, что материал эксплуатирующихся в настоящее время дисков может иметь разное состояние, что выражается в разной реакции одного и того же титанового сплава на однотипное внешнее воздействие и определяет большой разброс усталостных характеристик эксплуатирующихся титановых дисков;

- выявить условия проявления материалом своей чувствительности к форме цикла

л

нагружения, которая существующими методами оценки качества материала не выявляется, и на основе этого разработать способ оценки состояния материала;

- установить, что при всех различиях в формировании рельефа усталостного излома шаг усталостных бороздок может быть использован как характеристика скорости разрушения с корректировкой коэффициентом кего отставания от СРТ при разрушении материала по границам фаз и при смешанных механизмах разрушения материала;

- определить эквиваленты между СРТ и параметрами рельефа излома и выявить методический принцип учета разброса поведения материала в условиях его эксплуатационного нагружения при определении периодичности контроля дисков в эксплуатации.

В четвертой главе "Эквиваленты повреждающего действия эксплуатационных нагрузок на титановые диски* проанализированы различные варианты нагружения дисков компрессоров на стенде и составе двигателя при ЭЦИ. Анализ проводился с привлечением результатов ранее проведенных ГосНИИ ГА совместно с Запорожским моторостроительным объединением исследований влияния различных блоков ПЦН на кинетику роста трещин в дисках и зависимости числа усталостных бороздок в изломе от количества имитационных ПЦН. Выполненный анализ показал следующее.

В диске М 1, испытанном с увеличенным прогибом полотна по трапецеидальной форме цикла нагружения, несмотря на зарождение трещины в зоне, где начиналось разрушение дисков в эксплуатации, последующий рост трещины не сопровождался регулярными сменами вязкого разрушения материала по телу зерна хрупким разрушением по границам фаз, как это происходило у дисков, разрушавшихся в эксплуатации. В излом"е стендового диска фасеточный рельеф не был выявлен. Фрагментарность и разупорядоченность участков не бороздчатого и бороздчатого рельефов излома не позволила говорить о подобии условий испытания диска эксплуатационным условиям его работы. 4

Из результатов испытания образцов и имеющейся в литературных источниках информации известно, что разрушение титановых сплавов по границам фаз в первую очередь следует ожидать при их нагружении с выдержкой под нагрузкой и с высокой асимметрией цикла. Именно этапы работы диска с высокой асимметрией (выше 0,95) цикла не воспроизводились при его испытании на стенде. Это позволяет предполагать, что хрупкое разрушение - по границам фаз материала таких дисков в эксплуатации происходит во время работы двигателя на длительно используемых режимах, когда диск продолжительное время испытывает асимметричное нагружение.

Результаты испытания диска Ля 2, разрушение которого также началось от галтель-

ного перехода ступицы в полотно и материал которого, имея состояние III, не обладал чувствительностью к форме цикла нагружения, и последующего исследования его излома позволили установить, что:

- в натурном диске, материал которого неизменно разрушается вязко по телу зерна, СРТ и шаг бороздок при трапецеидальной форме цикла нагружения выше, чем при треугольной форме цикла, что полностью согласуется с результатами испытания образцов;

- материал в состоянии III при СРТ в пределах 1-1,25 мкм/цикл разрушается преимущественно по механизму образования бороздок и их средний шаг практически соответствует СРТ, а при дальнейшем увеличении СРТ шаг бороздок все в большей мере от нее отстает, так как на этой стадии разрушения существенную роль начинают играть механизмы, отличные от механизма образования бороздок;

- длительность развития трещин в дисках может быть оценена по шагу усталостных бороздок, но при смешанных механизмах разрушения необходимо учитывать отставание шага бороздок от СРТ путем введения коэффициента к

- интенсивность нарастания сигналов АЭ зависит от СРТ и на акустограмме моменту "зарождения трещины соответствует первое резкое нарастание сигналов АЭ;

- по сравнению с методами УЗК, ЛЮМ-А и вихретоковым метод АЭ является наиболее чувствительным и может быть рекомендован как метод контроля дисков при ремонте двигателей.

Исследование диска № 3 позволило установить, что условия работы диска при ЭЦИ двигателя наиболее полно воспроизводили условия работы таких дисков в эксплуатации. Развитие разрушения этого диска как по месту расположения очага (у основания одного из длинных шлиц), так и росту магистральной трещины, характеризуемому чередованием в направлении ее развития зон фасеточного и бороздчатого рельефов излома, было аналогично эксплуатационным разрушениям этих дисков. Поскольку циклы нагружения диска при ЭЦИ двигателя в точности воспроизводили друг друга, то отмеченные особенности разрушения диска свидетельствуют, что продвижение трещины за один цикл его нагружения, приводящего к повреждению материала диска, определялось двумя видами нагрузок. Эти нагрузки действовали на диск, регулярно сменяя друг друга, н их однократной смене на изломе диска отвечает один блок из зоны бороздчатого и зоны фасеточного рельефов. Кроме того, сопоставление результатов испытаний дисков №№ 1 и 3 позволило констатировать, что один вид нагружения диска № 3 характеризовался высокой асимметрией нагрузок, которые вызывали хрупкое разрушение материала диска по границам фаз. Именно этим в принципе отличались

условия работы данных дисков.

Результаты испытания диска М 4 с трещиной в межпазовом выступе по типовому эксплуатационному ПЦН показали, что продвижение усталостной трещины за один ГТЦН в диске из материала в состоянии III сопровождается формированием на изломе одной микролинии, внутри которой формируется не менее пяти усталостных бороздок. Поэтому для определения живучести таких дисков, выраженной через типовой эксплуатационный ПЦН, общее число усталостных бороздок по длине трещины должно быть поделено на 5, как минимум для случаев развития трещин в межпазовых выступах диска.

Результаты испытаний дисков указывают, что нагружение дисков циклом трапецеидальной формы, типичным для эксплуатационных условий нагружения дисков, вызывает ускорение развитие разрушения дисков на всем протяжении роста трещины. Сопоставление ранее полученных данных о развитии трещин при нагружении дисков блоками нагрузок раз-нон формы с результатами исследования дисков в рамках данной работы показало, что в области МЦУ независимо от состояния материала формирование на изломе усталостных бороздок происходит в соответствие с известным принципом взаимодействия нагрузок. Каждая значительная по величине разгрузка и последующая нагрузка диска сопровождается формированием в изломе усталостной бороздки. Поэтому при определении периода роста трещин, выраженного через ПЦН, в расчет необходимо вводить понижающий коэффициент ктщ, учитывающий количество этапов разгрузки и последующей нагрузки диска в каждом ПЦН, которые способны вызывать продвижение трещины. При выявлении в изломе в направлении роста трещины регулярно повторяющихся блоков параметров рельефа периодичность контроля дисков следует устанавливать с учетом возможного соответствия указанных блоков либо всему ПЦН, либо какой-то его части.

Таким образом, результаты выполненных исследований образцов и натурных дисков свидетельствуют, что при любом реализованном процессе роста усталостной трещины в диске период ее развития может быть оценен по параметрам рельефа излома, выражен через ПЦН и соотнесен с минимально возможной живучестью дисков данной конструкции в эксплуатации. Решение данной задачи осуществляется следующим образом.

Исследуют излом диска, разрушенного в эксплуатации или при его испытании, и определяют механизмы разрушения материала, коэффициент кучитывающий степень соответствия шага бороздок СРТ и численно равный отношению шага бороздок к СРТ, и зависимость шага бороздок или величины блоков регулярно повторяющихся элементов рельефа излома от длины трещины. По этим зависимостям определяют число бороздок или блоков

по длине трещины n^.

По результатам испытаний по треугольной и трапецеидальной формам цикла нагру-ження образцов, вырезанных из разрушенного диска, оценивают состояние его материала и определяют коэффициент Ас/т, учитывающий расхождение СРТ в материале разрушенного диска и в материале, имеющем состояние I, и численно равный их отношению.

Из анализа условий работы разрушенного диска и эксплуатирующихся дисков определяют коэффициент кццн, учитывающий степень повреждения материала разрушенного диска в одном цикле его нагружения и равный обратной величине числа актов повреждения материала в цикле, и отношение кэ повреждения в цикле нагружения разрушенного диска к повреждению диска в наиболее тяжелых ПЦН, имеющих место в эксплуатации. Если нагру-жение разрушенного диска не имело этапов его выдержки под нагрузкой, то определяют и коэффициент кцЕр, учитывающий увеличение СРТ и шага бороздок при переходе к нагруже-нию с выдержкой под нагрузкой и численно равный обратной величине этого увеличения.

Живучесть разрушенного диска, выраженную в ПЦН, рассчитываю по формуле:

("ЛЦН ), = ^ПЦ11 ' 'П6 > С)

Минимальную живучесть дисков в эксплуатации рассчитывают по формуле:

{ППЩ1 )тк = ^Э ' ^СРТ ' кПЕр • {ППЩ1 ), 1 (2)

Для определения периодичности контроля дисков в эксплуатации предварительно оценивают контролепригодность диска и возможные методы и зоны его контроля с учетом кинетики и траектории роста трещины. В оценки включают зависимость чувствительности метода контроля от параметров рельефа излома, расположения и формы трещины и определяют минимальный размер трещины, выявляемой при контроле.

Далее оценивают период развития трещины, когда она не может быть выявлена при контроле, например, из-за малости ее размеров или из-за ее нахождения в неконтролируемой зоне диска, и уменьшают минимально возможную живучесть дисков (илда)т1п на величину этого периода {птш)о- Учитывая возможность однократного пропуска трещины при проведении контроля, уменьшают полученный период роста трещины, когда она может быть выявлена в 2 раза. В результате получают максимально допустимую периодичность контроля дисков в эксплуатации, которая описывается выражением:

"контр = 0,5 • [Квд,- {плш, I (3)

Алгоритм определения периодичности контроля дисков показан на рис. 3.

Окончательную периодичность контроля дисков в эксплуатации, которая в любо^

случае должна быть меньше максимально допустимой, устанавливают после анализа путей минимизации затрат на контроль, возможности его совмещения с другими работами, предусмотренными регламентом технической эксплуатации двигателя и воздушного судна, обеспечения регулярности полетов без снижения безопасности и т.д.

В пятой главе "Эксплуатационная повреждаемость титановых дисков авиационных ГТД" проведены анализ и обобщение результатов исследований случаев усталостных разрушений титановых дисков, имевших место в эксплуатации за последние 20 лет. При этом были выявлены общие закономерности накопления в дисках усталостных повреждений в условиях эксплуатации, что позволило уточнить изложенную выше методику определения живучести дисков и периодичности их эксплуатационного контроля.

В результате исследования дисков отечественных двигателей Д-30, Д-ЗОКУ, Д-Зб, Д-

18, НК-8-2У и АИ-25 и дисков двигателя CF6-50 Американской фирмы "General Electric" показана эффективность применения разработанной методики и определена периодичность осмотров этих дисков. Здесь же выполнено обобщение результатов эксплуатационного контроля некоторых из указанных дисков с периодичностью, определенной по разработанной методике, и на результатах этого обобщения продемонстрирована эффективность методики.

На основании выполненного анализа установлены следующие закономерности накопления повреждений в дисках различной конструкции, зон расположения очагов разрушения, ступеней и типов двигателей.

Основная часть разрушений дисков в эксплуатации приходится на диски, изготовленные из титановых сплавов ВТ8 илиВТЗ-1 в состоянии I или II. Все разрушающиеся диски можно разделить на массивные диски с толстым полотном (обычно это диски вентилятора или 1 ступени КНД) и диски небольших и средних размеров с тонким полотном.

Разрушение массивных дисков с толстым полотном, как правило, реализуется в области МЦУ и влияние нагрузок многоцикловой области на долговечность и живучесть таких дисков обычно не наблюдается. Живучесть дисков разрушающихся в малоцикловой области зависит в основном от состояния их материала и снижение живучести дисков с материалом в состоянии I по сравнению с живучестью дисков с материалом в состоянии III может достигать порядка. Об этом свидетельствуют как результаты испытания образцов, так и оценки живучести дисков, разрушившихся в эксплуатации, в частности двух дисков I ступени КНД двигателя НК8-2У, материал одного из которых (условно диск Ks 1) имел состояние III, а другого (диск № 2) - состояние I. Разрушение обоих дисков по месту образования, форме и критической глубине поверхностных трещин было практически идентичным. Принципиально разрушение дисков различалось только тем, что в диске № 1 трещина была инициирована дефектом его материале в виде участка насыщенной газом а- фазы, размером в глубину тела диска около 40% толщины его полотна, а в диске № 2 дефектов не было, но в зоне начала его разрушения действовали повышенные объемные остаточные напряжения.

Оценка длительности развития трещин в дисках по разработанной методике показала, что при реализованной кинетике разрушения дисков (рис. 4) .живучесть диска № 1 составляла примерно 1450 ПЦН, а диска № 2 около 1000 ПЦН (см. рис. 4). При этом принималось, что при шаге бороздок выше 1 мкм коэффициент k*s для дисков № № 1 и 2 равнялся соответственно 0,625 и 0,5, так как материал дисков имел соответственно состояние III и I. Коэффициент кПци для обоих дисков принимался равным 0,333 потому, что типовой эксплуатационный ПЦН двигателя НК8-2У содержит 3 этапа нагрузки и последующей разгрузки

диска в полете. При такой живучести диска с материалом, имеющим состояние 1, максимальная расчетная периодичность контроля дисков в эксплуатации не должна превышать 500 ПЦН, так как для разрушенного диска коэффициенты ко, ксгт и кц£р в формуле (2) равны 1, а период (пшщ)о в формуле (3) для дисков данной конструкции равен 0 (трещина может быть выявлена сразу). Для совмещения контроля с тяже-

длительности разрушения от длины трещин в дисках I лыми формами обслуживания самолета и ступени КНД двигателя НК8-2У

двигателя в эксплуатацию бюллетенем № 980-БЭГ была введена периодичность контроля дисков, равная 300 полетам самолета.

Как видно живучесть диска № 1 была почти в полтора раза выше, чем живучесть диска № 2, несмотря на то, что из-за наличия дефекта циклическое разрушение материала диска № 1 наблюдалось только в зоне, отвечающей второй половине зоны циклического разрушения-диска № 2. Расчеты показали, что если бы разрушение диска № 1 началось, как и разрушение диска № 2, от поверхности полотна, то даже при стартовой скорости разрушения, равной начальной скорости разрушения от дефекта, его живучесть составляла бы более 9000 ПЦН.

По сравнению с массивными дисками у дисков с тонким полотном повреждение материала в зависимости от условий нагружения может идти как в области МЦУ, так и в области МНЦУ. Возможно также одновременное повреждение материала в обеих указанных областях или последовательный переход из одной области в другую. Причем в зависимости от места зарождения трещин указанный переход может происходить или нет, как это наблюдается у дисков 11 - IV ступеней КНД двигателя Д-30.

У этих дисков зарождение трещин происходит в многоцикловой области от повреждений материала в процессе эксплуатации ф'реттинг-коррозией по контуру отверстий под пальцы крепления рабочих лопаток из-за контакта с втулками проушин лопаток. При этом если трещина зарождается в зонах, расположенных выше оси отверстия, то ее развитие вплоть до окончательного разрушения определяется вибрационными нагрузками. Если же трещина зарождается в нижнем от оси указанного отверстия сечении реборды, как это наблюдалось в дисках II ступени, то на глубине около 1,5 -2 мм она выходит из зоны действия

а, мм

Рис. 4. Зависимости шага усталостных бороздок и

вибрационных напряжений, в результате чего прекращает свой рост в области МНЦУ и в дальнейшем развивается в малоцикловой области.

Длительность разрушения данных дисков и периодичность их контроля в эксплуатации определялись по кинетике разрушения одного из дисков, материал которого имел состояние П. Учитывая состояние материала диска и возможность пятикратного продвижения трещины за типовой ПЦН, а также то, что разрушение диска произошло в типичных условиях эксплуатации, принимались следующие значения коэффициентов в формулах (1) и (2): к«г - 0,625; кпии = 0,2; кСгт - 0,25; к11£р = ];кэ~ 1. Было принято во внимание также то, что конструкция КНД позволяет надежно выявлять только трещины, размерами более 4 мм. Расчеты показали, что живучесть разрушенного диска составляла около 1600 ПЦН, минимально возможная живучесть диска с материалом в состоянии I - примерно 400 ПЦН, период развития трещины, когда она может быть не выявлена, - около 180 ПЦН, а максимальная периодичность контроля дисков должна составлять примерно 110ПЦН. Для совмещения контроля дисков с тяжелыми формами обслуживания самолета в эксплуатацию бюллетенем № 30536-БД-Г был введен контроль с периодичностью в 100 ± 10 ПЦН, что позволило выявлять трещины в дисках до момента их окончательного разрушения и изымать диски с трещинами из эксплуатации.

Среди возможных вариантов сочетания условий нагружения дисков и их усталостных характеристик наиболее тяжелым является случай, когда диск из материала, имеющего состояние I или Н, работает в условиях высокой асимметрии цикле его нагружения. Трещина в таких условиях растет в течение всего периода работы двигателя на длительно используемых режимах и ее прирост за полет пропорционален длительности полета. Это приводит к тому, что, несмотря на низкую скорость разрушения материала при высокой асимметрии нагрузок, большое число циклов нагрузок малой амплитуды за время полета вызывает значительное продвижение трещины за ПЦН, которое может превышать 10 мм. На изломе при этом формируется участок фасеточного рельефа. В эксплуатации подобным образом разрушались диски I и II ступеней КВД двигателя Д-30.

Период роста трещины при такой кинетике разрушения, определяемый по числу указанных выше участков фасеточного рельефа излома, является очень маленьким и сильно зависит от места зарождения трещины и конструкции диска. У разрушавшихся в эксплуатации дисков 1 ступени КВД двигателя Д-30 при зарождении трещины от галтели длительность ее роста не превышала 50 ПЦН, а при начале разрушения от шлиц снижалась до 40 ПЦН. Живучесть этих дисков была бы еще меньше, если бы их конструкция не обеспечивала разгрузку

сечения его разрушения за счет перераспределения нагрузок через шлицы на другие объемы материала. Это приводило к тому, что трещины распространялись на все радиальное сечение диска без их перехода к стадии нестабильного роста при действии асимметричных нагрузок.

Введение в эксплуатацию бюллетенем № 30515-БДГ контроля дисков с периодичностью, не превышавшей 50 часов или 25 ПЦН, обеспечило эксплуатацию этих дисков по состоянию и позволило исключить случаи их разрушения за счет своевременного выявления в дисках трещин и их снятия с эксплуатации.

Из приведенных выше в качестве примера материалов исследования дисков видно, что в зависимости от конструктивного исполнения, условий работы н состояния материала титановых дисков их живучесть может изменяться в широких пределах. Живучесть массивных дисков, повреждение которых обычно идет в малоцикловой области, при не чувствительном к выдержке под нагрузкой материале составляет, как правило, несколько тысяч ПЦН. Если же материал диска имеет указанную чувствительность, то живучесть диска может составлять менее 1000 ПЦН. По сравнению с массивными дисками диски с тонким полотном могут повреждаться и малоцикловыми и многоцнкловыми нагрузками при различном их сочетании. При этом наиболее тяжелым по повреждению материала являются случаи работы в условиях высокой асимметрии цикла нагружения дисков, материал которых обладает чувствительностью к выдержке под нагрузкой. В этих случаях живучесть дисков может составлять всего несколько десятков ПЦН.

Любой реализованный процесс роста усталостной трещины может быть оценен количественно по параметрам рельефа излома. Полученные при выполнении работы качественные и количественные показатели кинетики разрушения титановых сплавов при разных состояниях материала и условиях работы позволяют перейти от реализованного варианта роста трещины к случаю с наименьшей продолжительностью периода ее развития и вводить в эксплуатации соответствующую периодичность контроля дисков, которая позволяет исключить случаи разрушения дисков. Об эффективности разработанной методики свидетельствуют в частности представленные на рис. 5 результаты эксплуатации дисков 11 - IV ступеней КНД и I ступени КВД двигателя Д-30 до и после введения их контроля в эксплуатации с периодичностью, определенной по этой методике.

Сопоставление кинетики разрушения титановых дисков отечественных двигателей с разрушениями дисков двигателя CF6-50 американской фирмы "General Electric" показало, что между ними нет каких-либо принципиальных отличий. Например, разрушение дисков IX ступени ротора барабанного типа начиналось из-за исчерпания их усталостной прочности по

□ трещина П разрушение

67 89

91 93 Год

"а"

95 97

10

С

о

■ разрушение □ трещина

±ж

Ы

80 81 82 83 84 85 86 87 88 Год

"б"

Рис.5. Статистка разрушений и выявления при периодическом контроле трещин в дисках II - IV ступеней КНД (а) и I ступени КВД (б) двигателя Д-30

критериям МНЦУ, но разрушение их материала под действием вибрационных нагрузок в пределах зоны, размерами около 4,5 мм по оси диска и 2 мм по его радиусу. Далее развитие трещины определялось малоцнкловыми нагрузками. При этом разрушение материала в области МЦУ в начале было смешанным вязким внутризеренным и хрупким межсубзерснным, а затем решающую роль стал играть механизм хрупкого разрушения по границам фаз.

Расчет длительности разрушения данного диска велся по разработанной методике из условия, что для состояния II материала диска коэффициент к^г = 0,625, а коэффициент кШщ = 0,333 для ПЦН с минимально возможным трехкратным продвижением трещины за время его действия. Расчет показал, что живучесть диска составляла около 1500 ПЦН.

Аналогичные особенности разрушения материала, как в плане перехода ведущей роли в повреждении материала от высокочастотных вибрационных нагрузок к малоцикловым нагрузкам, так и в части реализуемых механизмов разрушения материала наблюдались у дисков И ступени КНД двигателя Д-30 в случае развития трещин в радиальном направлении к оси диска Расчетная живучесть сравниваемых дисков тоже практически одинакова и у диска двигателя СРб-50 составляет около 1500 ПЦН, а у диска двигателя Д-30 - около 1600 ПЦН.

Диск IX ступени относится к дискам, повреждение которых может идти и малоцикловой и в многоцикловой области. Имеются на иностранных двигателях и случаи разрушений массивных дисков, повреждаемых в основном в малоцнкловой области. К таким дискам относ1гтся диск вентилятора двигателя СР6-50.

Разрушение диска вентилятора происходило в малоцнкловой области и было ини-

с 2

циировано имевшимся в его материале дефектом в виде насыщенной газом а- фазы. При этом вне зоны дефекта материал диска разрушался вязко внутризеренно с формированием преимущественно бороздчатого рельефа излома, что указывает на отсутствие у него чувствительности к выдержке под нагрузкой. С учетом состояния материала диска вентилятора и минимального трехкратного продвижения трещины за ПЦН период развития трещины в диске вентилятора был оценен примерно в 3370 ПЦН.

Разрушение диска вентилятора по ряду параметров подобно разрушению одного из дисков 1 ступени КНД (диска № 1) двигателя НК8-2У. Разрушение обоих дисков началось от дефектов материала, расположенных у поверхности. У обоих дисков материал не имел чувствительности к форме цикла нагружения и в них развивались поверхностные полуэллиптические трещины с реализацией вязкого внутризеренного механизма разрушения. Но живучесть диска двигателя НК8-2У была меньше, что объясняется несоизмеримо большими размерами дефекта материала, достигавшими около 9 мм в глубину и около 20 мм по поверхности диска. Трещина в диске вентилятора достигла такой глубины после примерно 3000 ПЦН. Отсюда видно, что при прочих равных стартовых условиях живучесть диска двигателя НК8-2У будет в несколько раз больше живучести диска вентилятора двигателя СРб-50.

Сравнение упомянутых дисков показало, что материал дисков иностранных двигателей также может иметь разное состояние и обладать чувствительностью к форме цикла нагружения с соответствующим изменением кинетики разрушения. Прослеживается на дисках иностранных двигателей и зависимость критериев исчерпания их ресурса от их размеров и массовых характеристик. При идентичных условиях развития трещин сравнима между собой и живучесть дисков отечественных и зарубежных двигателей. Общие закономерности развития усталостных трещин в дисках двигателей отечественной и зарубежной авиационной техники гражданской авиации позволяют утверждать, что имеющие место случаи разрушения дисков компрессоров определяются в большей мере спецификой поведения титановых сплавов, а не уровнем конструкторских разработок двигателей или спецификой их эксплуатации.

ВЫВОДЫ

1. В результате выполненных исследований поведения титановых сплавов ВТ8 и ВТЗ-1 при их циклическом нагружении по разным формам цикла и определения эквивалентов их повреждения блоком нагрузок, действующих на диски в каждом ПЦН, разработана методика определения периодичности контроля разрушающихся дисков в эксплуатации.

обеспечивающая возможность эксплуатации дисков по принципу безопасного повреждения. Методика позволяет определять периодичность контроля дисков разных типов и учитывает: состояние материала дисков; особенности эксплуатационного нагружения дисков; наличие или отсутствие при работе дисков факторов, в том числе эксплуатационных, снижающих их усталостную прочность; конструктивные особенности дисков и особенности напряженного состояния их материала в зонах, где в них зарождаются трещины; чувствительность используемых методов контроля и контролепригодность дисков.

2. Материал дисков, находящихся в эксплуатации, может иметь разное состояние, выражающееся в различной реакции одного и того же титанового сплава на одинаковое внешнее воздействие. Наилучшими усталостными характеристиками обладает материал в состоянии III, который не имеет чувствительности к условиям его нагружения и при смене формы цикла не меняет механизмы и кинетику разрушения в рамках одного вязкого внутри-зеренного механизма разрушения. Наихудшими усталостными характеристиками обладает материал в состоянии I, который при разных формах цикла его нагружения разрушается хрупко по границам фаз. Введение в цикл его нагружения выдержки под нагрузкой вызывает увеличение СРТ в 4 раза и более. Скорость разрушения материала, имеющего состояние I, в общей сложности может превышать скорость разрушения материала в состоянии III более чем на порядок. Материал, находящийся в состоянии II, обладает чувствительностью к видам его нагружения и при введении в цикл его нагружения выдержки под нагрузкой он меняет механизм разрушения с вязкого внутризеренного на хрупкий межсубзеренный. При этом наблюдается увеличение СРТ в несколько раз. Такой материал обладает средними по отношению к материалам в состоянии I и III усталостными характеристиками.

3. При преимущественном разрушении материала по механизму формирования в изломе усталостных бороздок их шаг практически соответствует скорости разрушения. При смешанном разрушении шаг бороздок может отставать от СРТ до двух раз. Данное соотношение при сменах формы цикла нагружения изменяется незначительно. При оценках длительности разрушения указанное отставание шага бороздок от СРТ достаточно точно можеп быть учтено уменьшением живучести диска, рассчитанной по шагу бороздок, в 1,6 раза.

4. Живучесть дисков в эксплуатации зависит от состояния их материала, особенностей их конструкции и условий работы. Наибольшей живучестью, исчисляемой несколькими тысячами ПЦН, обладают массивные диски, материал которых не имеет чувствительности i форме цикла нагружения "и повреждается, как правило, нагрузками, отвечающими малоцикловой области. При наличии у материала таких дисков чувствительности к условиям его на

гружеиия их живучесть резко снижается и может не превышать 1000 ПЦН.

Диски с тонким полотном могут повреждаться н в малоцикловой и в многоцикловой области при различном сочетании указанных повреждений. Наиболее тяжелым по повреждению материала случаем является работа диска, материал которого имеет чувствительность к форме цикла его нагружения, в условиях высокой асимметрии действующих на него нагрузок. В этом случае продвижение трещины за ПЦН может превышать 10 мм, а живучесть диска может составлять всего несколько десятков ПЦН.

5. В результате обобщения случаев разрушений по разным причинам титановых дисков разной конструкции разных типов двигателей с применением разработанной методики определения периодичности контроля дисков для каждого типа дисков была определена необходимая периодичность их контроля. Введение рекомендованной для каждого типа дисков периодичности контроля позволило исключить случаи разрушений таких дисков в эксплуатации и выявлять развивавшиеся в них трещины на более ранних стадиях их развития.

Список основных опубликованных работ по теме диссертации.

1. А.А.Шанявский, А.И.Лосев. Влияние полетного цикла нагружения на длительность эксплуатации дисков компрессоров ГТД из титановых сплавов. Труды ГосНИИ ГА, Вып. 289, 1989, С. 84-89.

2. А.А.Шанявский, А.И.Лосев, Л.С.Красноярцева. Летная годность ВС, определяемая эксплуатацией ГТД по принципу безопасного повреждения. Труды ГосНИИ ГА, Вып. 292, 1989, С. 43-47.

3. А.А.Шанявский, А.И.Лосев, Л.С.Красноярцева. Кинетика эксплуатационного разрушения диска компрессора двигателя из сплава ВТ8. Авиационная промышленность, № 12, 1990, С. 54-59.

4. А.А.Шанявский, А.И.Лосев. Эквивалент повреждающего действия эксплуатационных нагрузок за полетный цикл на диски компрессоров из титановых сплавов авиационных газотурбинных двигателей. Тезисы докл. XXIII всесоюзн. научн. совещ. по пробл. прочн. дв. Москва, 1990, С, 8.

5. А.А.Шанявский, А.И.Лосев. Кинетика усталостных трещин в компрессорных дисках из титановых сплавов авиационных газотурбинных двигателей. Труды ГосНИИ ГА, Вып. 297, 1991, С. 53-64.

6. А.А.Шанявский, А.И.Лосев. Методы анализа эксплуатационной циклической дол-

говечности дисков газотурбинных двигателей. Обзорная информация. ЦНТИ ГА, Москва, 1991,С. 72.

7. А.А.Шанявскнй, А.И.Лосев, М.З.Коронов. Способ диагностики усталостной прочности деталей, преимущественно из титановых сплавов. А.С.СССР, № 1753353, Б.И. № 29, 07.08.92.

8. А.А.Шанявскнй, А.И.Лосев, Ю.Н.Ленец. Влияние высокой асимметрии цикла на-гружения и выдержки под нагрузкой сплава ВТ8, имитирующих его эксплуатационное на-гружение. Труды ГосНИИ ГА, Вып. 304, 1993, С. 82-91.

9. А.И.Лосев, А.А.Шанявский. Влияние характеристик материала на характер разрушения титановых дисков там же компрессора ГТД в эксплуатации. Труды ГосНИИ ГА, Вып. 306, 1994, С. 56-63.

10. М.Д.Банов, А.А.Шанявский, А.И.Лосев. Акустико-эмиссионный контроль титановых дисков ГТД в условиях статико-циклического нагружения. Труды ГосНИИ ГА, Вып. 306, 1994, С. 91-99.

11. А.И.Лосев, А.А.Шанявский, А.П.Кашин. Эквивалент накопления усталостиы> повреждений диска компрессора двигателя Д-30 за полет. В сб.: Прочность, надежность v безопасная эксплуатация авиационной техники. Вып. 307, 1995, С. 121-127.

12. А.А.Шанявский, А.И.Лосев. Сопоставление кинетики усталостного разрушенш титановых дисков компрессоров газотурбинных двигателей в США и России. Сб. тезисо! докл. Межд. научно-техн. конф. МГТУГА 28-29мая 1996, С. 95-96.

13. A.A.Shaniavski and A.I.Losev. Fractographic analysis of aircraft engines compressor disks from Ti-alloys fatigued in service. Proc. of the 11 Intrn. Conf. Mech. Mechanics Damage and Failure, ECF 11 (France),1996, p.p. 1131-1136.

14. В.Д.Пискарев, А.А.Шанявский, А.И.Лосев, Л.А.Бычкова. Технологические оста точные напряжения и их влияние на эксплуатационные характеристики деталей из титановы сплавов. Сб.: Безопасность полетов ВС ГА, Вып. 308, 1996, С. 65-77.

15. A.A.Shaniavski, A.I.Losev and M.D.Banov. Development of fatigue cracking in aircra engine compressor disks of titanium alloy Ti-6Al-3Mo-2Cr. Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct.,2 1998, p.p. 297-313.

16. A.A.Shaniavski and A.I.Losev. Low cycle fatigue cracking of titanium compressor disl of aircraft engine D-30. Proc. of Low Cycle Fatigue and Elasto-Plastic Behaviour of Materials, LCI 4, Eds. K.-T. Rie and P.D. Portella (Germany), 1998,p.p. 845-850. /""Л ./. /J

Федеральная авиационная служба России Государственный Центр "БЕЗОПАСНОСТЬ ПОЛЕТОВ НА ВОЗДУШНОМ ТРАНСПОРТЕ

ГЦ БП ВТ

ЛОСЕВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ "Влияние полетного цикла нагружения дисков ГТД из титановых сплавов на кинетику их усталостного повреждения"

Диссертация

На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, академик Нью-Йоркской

академии наук ШАНЯВСКИЙ А.А.

Специальность: 05. 22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

Москва, 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДИСКОВ РОТОРОВ ГТД И 10 ПОВЕДЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ИХ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

1.1 Расчетные методы определения циклической долговечности дисков роторов ГТД 10

1.2 Экспериментальные методы определения циклической долговечности дисков рото- 16 ров ГТД

1.3 Особенности поведения титановых сплавов при циклическом нагружении 18

1.3.1 Закономерности зарождения и роста усталостных трещин 20

1.3.2 Роль структуры и легирующих элементов Ti-сплавов в развитии разрушения 21

1.3.2.1 Структурное состояние 21

1.3.2.2 Текстура материала 22

1.3.2.3 Легирование и газонасыщение 22

1.3.3 Влияние условий нагружения на кинетику трещин 23

1.3.3.1 Частота нагружения и внешняя среда 24

1.3.3.2 Асимметрия цикла нагружения 25

1.3.3.3 Выдержка под нагрузкой 25

1.3.3.4 Многопараметрическое нагружение 31

1.3.4 Геометрический фактор 36 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 37

2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 43

2.1 Материалы и объекты исследования 43

2.2 Испытания образцов из сплавов ВТЗ-1 и ВТ8 на растяжение 46

2.3 Испытания образцов из сплава ВТ8 при трехточечном изгибе 48

2.4 Испытания образцов с разным КСТ 51

2.5 Испытания сплава ВТ8 при высокой асимметрии цикла 53

2.6 Испытания дисков компрессоров ГТД 57

2.6.1 Испытание диска I ступени КВД с повышенным прогибом полотна 57

2.6.2 Испытание диска I ступени КВД с отработкой методов контроля дисков 58

2.6.3 Испытание диска I ступени КВД в составе двигателя 58

2.6.4 Испытание диска I ступени КНД по типовому ПЦН 59

2.7 Фракгографические исследования 59

2.8 Обработка результатов исследования 61

3 СИНЕРГЕТИКА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ ДИСКОВЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛА- 65 ВОВ ВТЗ-1 И ВТ8

3.1 Влияние выдержки под нагрузкой на рхт трещин при изгибе образцов 65

3.2 Закономерности роста поверхностных усталостных трещин при растяжении образ- 73 цов из сплава ВТ8 и ВТЗ-1

3.3 Сопоставление вида процесса разрушения и реализованной энергии разрушения 81 титанового сплава ВТЗ-1

3.4 Влияние высокой асимметрии цикла на рост усталостных трещин в титановом спла- 84 ве ВТ8

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 89

4 ЭКВИВАЛЕНТЫ ПОВРЕЖДАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ НАГРУ- 92 ЗОК НА ТИТАНОВЫЕ ДИСКИ

4.1 Закономерности кинетики разрушения диска I ступени КВД двигателя Д-30, испы- 93 тайного на стенде типа УИР

4.2 Соответствие сигналов АЭ кинетике усталостного разрушения диска 95

4.3 Разрушение диска I ступени КВД при стендовых ресурсных испытаниях двигателя 107 Д-30 по программе ЭЦИ

4.4 Эквивалент накопления усталостных повреждений за полет в диске I ступени КНД 109 двигателя Д-30

4.5 Эквивалентные характеристики СРТ в дисках различных типов 114

4.6 Методика установления периодичности осмотров дисков компрессоров в эксплуата- 115 ции

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 118

5 ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ ТИТАНОВЫХ ДИСКОВ АВИАЦИОН- 119 НЫХГТД

5.1 Разрушения дисков компрессоров двигателя Д-30 124

5.1.1 Диски I ступени КНД 124

5.1.2 Диски II, III и IV ступеней КНД 128

5.1.3 Диски I ступени КВД. 135

5.1.4 Диски II и V ступеней КВД 141

5.2 Разрушение дисков компрессоров двигателя ДЗОКУ 145

5.2.1 Диски II ступени КНД 145

5.2.2 Диск I ступени КВД 146

5.3 Разрушение дисков компрессоров двигателей Д-36 и Д-18 148

5.4 Разрушения дисков I ступени КНД двигателя НК8-2У 149

5.5 Диски двигателя CF6-50 Американской фирмы "General Electric" 154 5.5.1 Диск вентилятора двигателя CF6-50 154

5.5.2 Ротор барабанно-дискового типа КВД двигателя СР6-50. 156

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 160

Список литературы 162

Приложения 167

ВВЕДЕНИЕ

Обязательным требованием к современному газотурбинному авиационному двигателю (ГТД), используемому в гражданской авиации, является то, что его конструкция должна обеспечивать ресурс, исчисляемый десятками тысяч часов или полетных циклов. При этом считается, что в процессе эксплуатации появление в наиболее ответственных деталях двигателя дефектов в виде трещин является недопустимым. Поэтому двигатели ВС гражданской авиации проектируются по принципу безопасного ресурса их наиболее ответственных элементов. Конструктивное исполнение двигателей как правило является таковым, что величина их ресурса в первую очередь определяется долговечностью дисков ротора двигателя, причем критичными с этой точки зрения считаются диски турбины двигателя, как элементы, работающие в наиболее тяжелых условиях.

Опыт эксплуатации ВС показывает, что применяемые в настоящее время методы обеспечения безопасного ресурса дисков двигателей применительно к дискам турбин являются достаточно эффективными и их использование вполне оправдано. Случаи разрушений дисков турбин в эксплуатации редки и, как правило, не связаны с недостаточной долговечностью дисков для назначенного им ресурса. В эксплуатации изредка отмечаются случаи разрушения дисков турбин, связанные, как правило, со снижением их длительной жаропрочности либо из-за низкого качества их материала, либо из-за отклонений их геометрии от требуемой, допущенных при изготовлении диска.

С дисками компрессоров из титановых сплавов ситуация иная. Усталостные разрушения титановых дисков в эксплуатации наблюдаются регулярно на двигателях разных типов. Причем во многих случаях разрушения титановых дисков не связаны с качеством их изготовления и материала или со снижением их усталостной прочности по каким-либо причинам в процессе эксплуатации, а обусловлены тем, что исходная конструктивная прочность дисков является недостаточной для назначенного им ресурса.

Каждое новое разрушение диска, с точки зрения типа диска и причин его разрушения, вынуждает переводить двигатели, на которых стоят диски данного типа, на эксплуатацию по принципу безопасного повреждения разрушающихся дисков или изменять регламент такой эксплуатации. Иначе нельзя обеспечить дальнейшую эксплуатацию двигателей без остановки всего их парка для внедрения мероприятий по предотвращению случаев разрушения дисков. Эксплуатация по принципу безопасного повреждения предусматривает использование деталей с развивающимися в них трещинами в течение некоторого периода времени, но должна гарантированно исключать возможность окончательного разрушения таких деталей.

Своевременное изъятие из эксплуатации разрушающихся дисков обеспечивается путем введения в эксплуатацию периодических проверок дисков на предмет выявления в них трещин. Но для того, чтобы контроль дисков был эффективным прежде всего необходимо определить при какой именно наработке дисков с начала эксплуатации начинать их проверки и с какой периодичностью эти проверки

проводить.

Для получения ответов на эти вопросы фактически требуется по единичным случаям разрушения дисков сделать прогноз о минимальных значениях долговечности и живучести дисков, которые они могут иметь в эксплуатации. Причем прогноз должен учитывать все факторы, влияющие на указанные характеристики прочности дисков. В число этих факторов входят рассеяние усталостных характеристик собственно материала дисков, различия в условиях нагружения дисков,'наблюдаемые в эксплуатации, возможные особенности конструктивного исполнения дисков и их изготовления и так далее. Помимо этого необходима корректировка полученных значений минимально возможных долговечности и живучести дисков на то, в каких зонах диска его в принципе можно контролировать, что определяется конструкцией двигателя, и какова чувствительность методов контроля, которые можно использовать.

Циклическая долговечность каждого конфетного диска определяется его исходной усталостной прочностью, зависящей от конструктивного исполнения диска и качества его изготовления и материала, и наличием или отсутствием в эксплуатации условий, способных снизить его исходную усталостную прочность. На эксплуатирующемся парке двигателей возможно различное сочетание указанных факторов. Различна и степень влияния каждого из них на прочность диска. Это приводит к тому, что даже у дисков одной конструкции фактическая долговечность может изменяться от диска к диску в широких пределах. Практика исследований случаев разрушения титановых дисков показывает, что в области малоцикловой усталости (МЦУ) рассеяние долговечности дисков может варьироваться от нескольких тысяч до десятков тысяч часов или полетов. Причем отмечаётся, что при наименьших наработках разрушаются диски, у которых по каким-либо причинам долговечность была ниже, чем у подавляющего большинства остальных дисков такого типа, находящихся в эксплуатации. На рис.1.1 представлены гистограммы распределения по наработке случаев разрушения дисков I ступени компрессора низкого давле-

"Л

ния (КНД) и I ступени компрессора высокого давления (КВД) двигателя Д-30. На этих гистограммах ясно видно, что наличие у данных дисков дефектов их изготовления до двух раз сокращало их общую долговечность по сравнению с их долговечностью при отсутствии каких-либо отклонений в качестве их изготовления или материала. В случае с дисками КНД их некачественное изготовление заключалось в отклонениях геометрии замков под рабочие лопатки от требований чертежа, что приводило к повышенной концентрации напряжений в зонах зарождения трещин. Снижение усталостной прочности дисков КВД происходило в подавляющем большинстве случаев из-за повреждения их материала электрографическим клеймом при изготовлении дисков, но отмечалось также и наличие в их материале металлургических дефектов. Относительно дисков КВД следует также отметить, что выведение клейма не дало ожидаемого результата и диски продолжали разрушаться из зоны, которая не лимитирует ресурс диска при отсутствие в нем дефектов. Однако доработка почти в два раз повысила долговечность дисков.

Еще большее снижение прочности вызвал дефект материала диска I ступени КНД двигателя НК8-2У. В этом диске трещина от дефекта зародилась практически с начала его эксплуатации.

То обстоятельство, что в области МЦУ в первую очередь разрушаются диски с наименьшей

Гистограммы распределения по наработке случаев разрушения дисков I ступени КНД (а) и дисков I ступени КВД (б) двигателя Д-30.

0,6 0,4

и с

с

0,2 О

4000 5000 6000 7000 8000 9000 Наработка, цикл

"а"

0,4

и

€ 0,2

о

□ дефекты изготовления В дефектов нет

Ш металлургический дефект материала □ повреждение материала в производстве Ш дефектов матёриала нет ■ остатки повреждений после их выведения

I

5000 7000 9000 11000 13000 Наработка, час.

"б" Рис. 1.1.

долговечностью несколько облегчает решение вопроса о начале проверок дисков в эксплуатации в случаях их малоциклового разрушения. В первом приближении можно считать, что проверки надо начинать при наработке разрушенного диска, уменьшенной на его живучесть. В случаях снижения долговечности дисков из-за разного рода повреждений их материала в процессе эксплуатации имеется возможность оценить наработку, после достижения которой эти повреждения возникают, по техническому состоянию дисков с разной наработкой при ремонте двигателей. ^

Решение вопроса с периодичностью контроля дисков является более сложным, поскольку в данном случае нет каких-либо точек отсчета, хотя бы ориентировочных, как в случаях оценки наработки, при которой надо начинать проводить контроль. Единственным источником информации о длительности развития трещины является излом по месту разрушения и необходимо уметь считывать с излома эту информацию.

Известно [Романив О.Н., Иванова B.C., Шанявский A.A., Степаненко В.А., Красовский А .Я. и др.], что одному акту продвижения трещины, развивающейся в области МЦУ, на изломе отвечает элемент рельефа излома в виде так называемой усталостной бороздки и в случаях формирования в изломах например алюминиевых сплавов преимущественно бороздчатого рельефа шаг бороздок достаточно точно отвечает скорости развития трещины (ОРТ). Однако по титановым сплавам такой информации нет. Нет также никаких данных о том, сколько таких актов продвижения трещины происходит в полетном цикле нагружения (ПЦН) диска. Положение усугубляется тем, что даже в изломах титановых дисков одной конструкции может формироваться разный рельеф, отвечающий разным механизмам разрушения материала. Причем зачастую бороздчатый рельеф занимает меньшую часть площади излома, либо практически полностью отсутствует. В таких случаях шаг бороздок не может напрямую использоваться как показатель CPT. Данных же о том, каково может быть расхождение шага бороздок с CPT при сме-

'Г

шанных механизмах разрушения материала также нет. Все это не позволяет давать достаточно корректные оценки длительности развития трещин по результатам исследования изломов титановых дисков.

Сам по себе этот факт реализации разных механизмов разрушения материала у дисков одной конструкции, работающих в идентичных условиях, при полном соответствии материала всем техническим требованиям указывает на то, что один и тот же титановый сплав, находящийся в эксплуатации, может иметь разное состояние и по разному реагировать на одну и ту же нагрузку. Следовательно имеется и широкий разброс усталостных характеристик дисков, изготовленных из этого сплава. Поэтому для определения периодичности контроля дисков в эксплуатации необходимо также представлять в каких пределах возможен разброс живучести дисков.

Таким образом, для обеспечения гарантированной безопасности эксплуатации титановых дисков по принципу безопасного повреждения необходимо знать как ведут себя титановые сплавы при разных условиях нагружения и каким условиям соответствует их минимальная долговечность и живучесть. Кроме того необходимо выяснить какова степень соответствия шага усталостных бороздок фактической

СРТ при реализации разных механизмов разрушения титановых сплавов. Необходимо также установить в каких пределах может изменяться степень повреждения материала в ПЦН в зависимости от состояния материала.

Поскольку при назначение дискам ресурса проводится расчетно-экспериментальное определение их циклической долговечности дисков, то прежде всего необходимо выяснить чем конкретно отличается условия работы дисков в эксплуатации от условий, которые закладываются в расчеты и эксперименты. Поэтому ниже рассмотрены расчетные и экспериментальные методы определения циклической долговечности дисков авиационных ГТД и выполнен анализ имеющейся в литературе данных о поведении титановых сплавов при разных условиях их циклического нагружения.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДИСКОВ РОТОРОВ ГТД И ПОВЕДЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ИХ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Ресурс основных деталей двигателя, таких как диски ротора, в соответствии с «Положением об установлении и увеличении ресурсов газотурбинных двигателей гражданской авиации, их агрегатов и комплектующих изделий» (ЦИАМ, 1982) на стадии проектирования определяется расчетом и в дальнейшем обязательно подтверждается испытаниями двигателя или дисков. Поэтому на практике расчеты долговечности дисков носят оценочный характер и служат в основном для сравнительного анализа и оптимизации при проектировании и выборе материала дисков, а также для составления и сопоставления программ ресурсных испытаний дисков. Установление же и увеличение ресурса дискам осуществляется на основе их эквивалентно-циклических испытаний (ЭЦИ) и данным, получаемым в процессе эксплуатации двигателей.

1.1. Расчетные методы определения циклической долговечности дисков роторов ГТД.

При требуемых величинах ресурса в десятки тысяч полетов условия работы дисков ГТД отвечают области малоциклового нагружения и характеризуются в основном регулярно повторяющимся от полета к полету воздействием на диски нагрузок ПЦН. Каждый ПЦН представляет собой сложный блок сочетающихся, накладывающихся друг на друга и изменяющихся во время полета силовых, температурных и вибрационных нагрузок. Диски современных ГТД проектируются с запасами прочности, при которых в процессе эксплуатации в их наиболее напряженных местах может происходить повторное уп-ругопластическое деформирование их материала, а в зонах максимальных напряжений материал дис-

'Л

ков может работать за пределами упругости. В этих местах с ростом наработки идет накопление повре-

У

ждений материала, отвечающих области МЦУ.

Для таких условий нагружения связь между деформациями и повреждениями, накапливающимися в материале, описывается кинети�