Испытания на прочность роторов авиационных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7.036:539.4

Н.Н. Костин, А.В. Шереметьев

ГП ЗМКБ "Прогресс" им. А.Г. Ивченко, Украина

ИСПЫТАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ РОТОРОВ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Аннотация: В работе проанализированы результаты испытаний на прочность роторов различных авиационных двигателей, выполнен сравнительный анализ запасов прочности наиболее нагруженных деталей роторов. Показано, что для роторов новых авиационных двигателей испытания на прочность при превышении частот вращения можно оценивать расчетно-экспериментальным методом, с учетом проведенных испытаний на серийных двигателях.

Авиационные двигатели, испытания на прочность, запасы прочности, механические свойства материала

Введение

Для роторов нового авиационного двигателя испытания на прочность при превышении частот вращения можно оценивать расчетно-эксперимен-тальным методом, с учетом проведенных испытаний на серийных двигателях.

Для обеспечения безопасности полетов самолетов и вертолетов проводятся специальные проверки авиационных двигателей. При этом особое внимание обращается на испытания по проверке прочности деталей и узлов двигателей. Одним из них является испытание роторов двигателя при повышенной частоте вращения. Как правило, она составляет 115 % от максимально допустимой в эксплуатации частоты вращения ротора.

В работе выполнен анализ результатов испытаний серийных авиационных двигателей, для которых были проведены указанные выше испытания. Кроме этого выполнен сравнительный анализ запасов прочности наиболее нагруженных деталей роторов - дисков. Показана возможность замены испытаний на прочность при повышенной частоте вращения роторов нового авиационного двигателя расчетно-экспериментальными исследованиями.

1 Формулирование проблемы

Испытания роторов на прочность при повышенной частоте вращения проводятся на установке или в составе двигателя. Наиболее близким для имитации нагружения деталей роторов к эксплуатации двигателя с максимально возможными параметрами (кроме частоты вращения, которая увеличена) является испытание роторов в составе авиационного двигателя. Такие испытания были проведены для роторов авиационных двигателей АИ-25,

© Н.Н. Костин, А.В. Шереметьев 2006 г.

А И -25 Т Л , Д-36, Д-18Т, ДВ2, Д-436(Т1,ТП) и других, которые были спроектированы на предприятии ГП «Ивченко-Прогресс». При этом после испытаний трещины и разрушения в деталях роторов отсутствовали. Стоимость проведения подобных испытаний велика. Поэтому в данной работе показана возможность оценки прочности деталей роторов расчетно-экспериментальным методом без проведения дополнительных испытаний. Это возможно при использовании расчетов на прочность деталей роторов и сравнительного анализа их запасов прочности относительно серийных двигателей, для которых успешно проведены указанные выше испытания.

2 Решение проблемы

Для двигателей АИ-25, АИ-25ТЛ, Д-36, Д-18Т, ДВ2, Д-436 (Т1,ТП) выполнен значительный объем испытаний, в том числе и испытания на прочность роторов двигателей при частотах вращения, составляющих 115 % от максимальных допустимых в эксплуатации. Испытания были успешными, после испытаний в деталях роторов трещины и разрушения отсутствовали.

Следует отметить, что для всех указанных двигателей запасы прочности деталей роторов достаточны для надежной работы на назначенные ресурсы этих двигателей, что подтверждено испытаниями на стендах и длительной эксплуатацией приведенных выше авиационных двигателей в составе самолетов. При этом наиболее нагруженные элементы роторов (диски) имеют конструктивно подобное исполнение, а физические процессы (температурное распределение, изменение температур с течением времени, нагружение дисков контур-

ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2006

- 149 -

ной нагрузкой от рабочих лопаток и другие), протекающие в дисках, сходны.

Наиболее нагруженные детали роторов - диски. Выберем для каждого двигателя диск с минимальными запасами по прочности. Выполним сравнительный анализ относительных запасов прочности дисков с минимальными запасами для различных двигателей. Для этого приведем на рисунке 1 запасы прочности по разрушающей частоте вращения в меридиональном сечении относительно диска двигателя ДВ2, для которого указанный запас прочности меньше, чем у других рассматриваемых двигателей. При этом К1= КВ11/К*В1, где КВ11 - запас прочности по разрушающей частоте вращения в меридиональном сечении для рассматриваемого двигателя, К*В1 - запас прочности по разрушающей частоте вращения в меридиональном сечении диска двигателя ДВ2.

Рис. 1 - Относительные запасы прочности по разрушающей частоте вращения в меридиональном сечении диска

На рисунке 2 приведены запасы прочности по

Диски с такими запасами прочности показали свою работоспособность как при испытаниях при повышенной частоте вращения, так и при работе

разрушающей частоте вращения в цилиндрическом сечении относительно диска двигателя АИ-25, для которого указанный запас прочности меньше, чем для других рассматриваемых двигателей. При этом К2= Кв2/К*в2, где Кв2| - запас прочности по разрушающей частоте вращения в цилиндрическом сечении диска для рассматриваемого двигателя, К*В2 - запас прочности по разрушающей частоте вращения в цилиндрическом сечении диска для двигателя АИ-25. Рис. 2 - Относительные запасы прочности по разрушающей частоте вращения в цилиндрическом сечении диска

на большие длительности.

Для роторов серийных двигателей, приведенных выше, проведены расчеты на прочность методом конечных элементов.

Для примера на рисунках 3......5 приведены

радиальные перемещения и деформированное состояние, распределение эквивалентных напряжений в деталях ротора ТВД двигателя Д-18Т, полученное в результате расчетов методом конечных элементов в осесимметричной постановке при частоте вращения, составляющей 115 % от максимально допустимой в эксплуатации.

Уровень напряжений, запасы прочности и деформированное состояние деталей ротора ТВД достаточны для проведения испытания с превышением максимально допустимой частоты вращения в составе двигателя.

Расчеты на прочность методом конечных элементов были проведены также и для других роторов серийных авиационных двигателей, для которых были проведены испытания с превышением максимально допустимых в эксплуатации частот вращения.

При конструировании новых авиационных двигателей используется опыт конструирования и эксплуатации серийных двигателей, имеющих большую наработку. Рассмотрим наработку серийных двигателей, указанных выше и спроектированных на предприятии ГП « Ивченко-Прогресс». Рис.3 - Радиальные перемещения и деформированное состояние деталей ротора ТВД двигателя Д-18Т при

П = 1,15птах

Рис.4 - Эквивалентные напряжения в деталях ротора ТВД двигателя Д-18Т при п = 1,15птах Рис.5 - Эквивалентные напряжения в диске ТВД двигателя Д-18Т при п = 1,15птах

Суммарная наработка двигателей АИ-25 в со-

ставе самолетов составляет более 60 миллионов часов. Назначенный ресурс указанного двигателя

- 20000 часов.

двигателя - 24000 часов.

Двигатели Д-18Т имеют наработку более 1,2 миллиона часов. Назначенный ресурс двигателя -24000 часов.

Двигатели АИ-25ТЛ, с назначенным ресурсом 4000 часов, имеют наработку более 6,7 миллионов часов.

Конструктивное исполнение деталей с учетом накопленного опыта позволяет существенно увеличить ресурс деталей, уменьшая коэффициенты концентрации в деталях, улучшая систему охлаждения, снижая уровень температур и так далее.

Материалы, применяемые для деталей авиационных двигателей, достаточно хорошо исследованы и хорошо зарекомендовали себя при длительной эксплуатации этих деталей в составе авиационных двигателей.

Для дисков указанных выше серийных авиационных двигателей испытания на прочность при частоте вращения, составляющей 115 % от максимально допустимой в эксплуатации, проведены успешно. При этом трещины и разрушения в деталях испытанных роторов отсутствовали. Поэтому при применении дисков на новых авиационных двигателях с запасами прочности, близкими к приведенным выше при расчете интегральным методом и методом конечных элементов, можно утверждать, что испытания их на прочность в составе роторов этих двигателей также будут успешными.

Выводы

Для роторов нового авиационного двигателя испытания на прочность при превышении частот вращения можно оценивать расчетно-эксперимен-тальным методом, с учетом проведенных испытаний на серийных двигателях.

При необходимости испытания на прочность можно проводить для одного ротора, детали которого имеют наименьшие запасы прочности среди деталей роторов данного двигателя.

Поступила в редакцию 25.07.06 г.

Рецензент: проф. Симбирский Д.Ф. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "ХАИ", г. Харьков.

Двигатели Д-36 имеют суммарную наработку -более 8 миллионов часов. Назначенный ресурс

ТББЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2006 # 151 —

Анотац1я: У робот1 проанал1зован1 результати випробовувань на м1цн1сть pomopie р1зних ав1ац1йних двигунв. Показано, що для pomopie нових авiацiйних deusyHie випробовування на Mi^icmb при пеpевuщеннi частот обертання можливо о^нювати розрахунково-екс-периментальним методом, з урахуванням проведених випробувань на сеpiйнuх двигунах.

Abstract: In work the results of rotors strength tests of various aircraft engines are analyzed. It is shown, that for rotors of new aircraft engines the tests for strength with rotational speeds exceeded can be estimated by a calculation-and-experimental method, taking into account the results of tests carried out on serial engines.