Влияние полетного цикла нагружения дисков ГТД из титановых сплавов на кинетику их усталостного повреждения

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 давлеЛ 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 11 000 13 000 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 смеГ 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.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

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 условий их эксплуатационного на-гружения, наличие или отсутствие факторов, в том числе эксплуатационных, снижающих усталостную прочность дисков, конструктивные особенности дисков и особеннхти напряженного состояния их материала в зонах, где в них зарождаются трещины, чувствительность используемых методов контроля и контролепригодность диска.

2. Материал дисков, находящихся в эксплуатации, может иметь разное состояние, выражающееся в различной реакции одного и того же материала на одинаковое внешнее воздействие. Материал в хорошем состоянии не имеет чувствительности к условиям его нагружения и при смене формы цикла не меняет механизмы разрушения и кинетические параметры развития разрушения в рамках одного вязкого внутризеренного механизма разрушения. Материал в плохом состоянии при разных формах цикла его нагружения разрушается хрупко по границам фаз, но введение в цикл его нагружения выдержки под нагрузкой вызывает увеличение СРТ в 4 раза и более. Скорость разрушения плохого материала в общей сложности может превышать скорость разрушения хорошего материала более чем на порядок. Материал в среднем состоянии 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.

3. При преимущественном разрушении материала по механизму формирования в изломе усталостных бороздок шаг бороздок практически соответствует фактической скорости разрушения. При смешанном разрушении шаг бороздок может отставать от фактической 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 может быть учтено уменьшением живучести диска, рассчитанной по шагу бороздок, в 1,6 раза.

4. В области МЦУ повреждение материала блоком нагрузок ПЦН по объемам диска различно. Наибольшее малоцикловое повреждение за ПЦН получает материал ободной части диска, где реализуется пять актов продвижения трещины за каждый ПЦН. Эквивалентом этого повреждения на изломе являются пять усталостных бороздок. В объемах полотна и ступицы диска эквивалентом повреждения материала за ПЦН являются три усталостные бороздки.

В области МНЦУ степень повреждения материала является функцией от времени действия вибрационных нагрузок, повреждающих материал. Продвижение трещины за ПЦН при нагружении материала асимметричным циклом с высокой частотой нагрузок малой амплитуды может достигать 10 мм и более.

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 разрушавшихся дисков была определена необходимая периодичность его контроля.

Введение

рекомендованной для каждого типа диска периодичности контроля позволило исключить случаи разрушений дисков в эксплуатации и выявлять развивавшиеся в них трещины на более ранних стадиях их развития.