CC BY
107
2007 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА №123
Серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники
УДК 629.735.017.1.084
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНСТРУКТИВНОЙ ДОРАБОТКИ ДИСКОВ Х СТУПЕНИ КВД ДВИГАТЕЛЕЙ Д-30 С ПОМОЩЬЮ ФРАКТОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН
А.А. ШАНЯВСКИЙ, Ю.А. ПОТАПЕНКО
Приведены результаты оценки эффективности конструктивной доработки дисков Х ступени КВД двигателей Д-30, имеющих усталостные трещины. Проанализированы результаты стендовых усталостных испытаний дисков новой конструкции на стенде УИР-1. Фрактографическим анализом закономерностей развития усталостного разрушения дисков до и после их доработки показано, что наблюдаемое снижение скорости роста трещины не однозначно определяется изменением геометрии ступичной части диска.
Диски компрессора двигателя являются особо ответственными деталями, так как в случае их разрушения в процессе эксплуатации в большинстве случаев происходит отказ двигателя с практически полным его разрушением [1]. Не редки случаи, когда происходит повреждение планера самолета, в результате чего могут возникнуть катастрофические ситуации, угрожающие жизни людей. Каждый такой отказ приводит к большим экономическим потерям. Систематические исследования титановых дисков компрессора низкого и высокого давления двигателей разной конструкции показали, что существенную роль в развитии в них усталостных трещин играет чувствительность материала к условиям нагружения [1]. Существование в полёте длительной выдержки материала под нагрузкой оказывает решающее влияние на долговечность.
Проектирование и расчет ресурса особо ответственных деталей силовых установок, в частности, дисков компрессора ведется из условия не возникновения в процессе всего периода эксплуатации двигателя каких-либо трещин или разрушений. Однако, несмотря на все расчеты, стендовые и натурные испытания, нередки случаи, когда в процессе эксплуатации в деталях все-таки появляются трещины, в том числе и приводящие к разрушению дисков [1]. В связи с этим встает вопрос о необходимости отстранения от эксплуатации дорогостоящих деталей, к которым относятся диски КВД, сокращения им назначенного или межремонтного ресурсов. В современных экономических условиях все чаще конструкторы переходят на принцип безопасной эксплуатации изделия по техническому состоянию. Данный принцип допускает возникновение в деталях усталостных трещин и их развитие до размеров, не представляющих опасности окончательного разрушения изделия. Подчеркнём, что речь идёт о возможности своевременного выявления трещин до достижения ими предельного (критического) размера.
Одним из примеров решения задачи по реализации безопасной эксплуатации по техническому состоянию является эксплуатация дисков Х ступени КВД двигателей Д-30, использующихся в качестве силовых установок на самолетах Ту-134. Диск Х ступени КВД двигателя Д-30 изготавливается из жаростойкого сплава 13Х11Н2В2МФ-Ш (ЭИ-961Ш).
1. Общие сведения о трещинах в дисках X ступени КВД
В конце 90-х годов Быковский авиаремонтный завод, ремонтирующий двигатели Д-30, столкнулся с повышенной отбраковкой дисков Х ступени КВД из-за наличия трещин по впадинам шлицев. Резкое увеличение отбраковки дисков было обусловлено введением ЛЮМ-контроля, имеющего большую чувствительность, взамен дефектоскопии методом цветных красок, применявшейся ранее. Изменение технологии контроля дисков привело к тому, что свечения по шлицам стали выявляться примерно на 50% дисков, проходящих ремонт (рис. 1).
При этом свечения наблюдались уже при первом ремонте диска, т.е. при наработке около 1500 полётных циклов нагружения (ПЦН). В результате сложилась ситуация, когда практически при каждом ремонте двигателя вставала необходимость замены дорогостоящей детали.
0.3 0.25
1а]
5 0.2 ё 0.15
6
? 0.1 0.05 0
1000 2000 3000 4000 5000 6000
количество ПЦН
Рис. 1. Частота пг. / пъ выявления трещин при контроле методом ЛЮМ1-ОВ в ремонте и «%» отбракованных дисков Х ступени КВД двигателей Д-30 за период 1998-2003 гг. в зависимости от наработки, выраженной в полётных циклах нагружения
В связи с этим возникла необходимость исследования дисков, забракованных по свечению в зоне шлицев, для оценки природы и закономерностей распространения усталостных трещин. Такие исследования нескольких дисков с различной наработкой были выполнены в ГосЦентре «Безопасность полетов на воздушном транспорте», по результатам которых было установлено, что свечения в уголках шлицев ступичной части дисков обусловлены наличием в материале усталостных трещин.
Фактографический анализ поверхностей разрушения по вскрытым трещинам показал, что трещины имеют многоочаговый усталостный характер, а изломы в значительной мере окислены и имеют следы температурного воздействия в виде цветов побежалости.
По поверхности дисков в районе зарождения усталостных трещины были выявлены коррозионные повреждения. Очаги зарождения усталости располагались как в зоне коррозионных повреждений материала диска, так и на неповрежденной поверхности. Из этого следовало, что решающую роль в зарождении разрушения материала играли некоррозионные повреждения, а высокий уровень концентрации напряжений, возникавший в зоне радиусного перехода по основанию шлиц, соединяющих диск с валом двигателя.
Общими для всех исследованных трещин были следующие закономерности. Первоначально трещины распространяются на глубину до 0,1 мм автономно на разных участках вдоль радиусного перехода. Об этом свидетельствуют уступы в изломе, образовавшиеся в результате соединения между собой первоначально возникших автономных усталостных трещин, как это показано на схеме (рис. 2). После объединения развитие усталости происходит общим фронтом практически по всей ширине шлицев.
По направлению распространения трещин происходит формирование усталостных бороздок, свидетельствующих о разрушении в области малоцикловой усталости. Шаг усталостных бороздок по мере развития трещин закономерно возрастает от 0,25.. .0,35 мкм в начальной зоне у поверхности диска до 0,7-1,4 мкм на максимальной исследованной глубине трещины - 2,2 мм. На указанной глубине значение шага усталостных бороздок не соответствует предельному или критическому для развившейся трещины. Поэтому дальнейший рост трещин ещё возможен длительное время без перехода к нестабильному разрушению.
I ¿.\}
100
80
60
40
20
Рис. 2. Вид излома вскрытой усталостной трещины (а) в ступичной части диска Х ступени КВД двигателя Д-30 и схема ее развития (б)
Анализ изломов дисков с различной наработкой показал, что все они имеют идентичное строение, описанное выше. При этом отмечено, что к моменту выхода трещин на торец диска их глубина от поверхности вдоль шлиц составляет примерно 1,0-1,2 мм. Такие трещины надежно выявляются методом цветной дефектоскопии по поверхности вдоль шлиц.
Существование высокой концентрации напряжений в диске по поверхности у основания шлиц потребовало внедрения конструктивных доработок для указанной зоны диска.
2. Оценка эффективности конструктивной доработки дисков
В основании шлицев дисков КВД Х ступени конструкторским бюро ОАО «Авиадвигатель» были разработаны конструктивные мероприятия по доработке дисков по чертежам 42-01-174 и 42-01-180 со срезкой 16-ти из 24-х шлицев и увеличением радиуса расточки ступицы диска между оставшимися шлицами (рис. 3).
Доработка по чертежу 42-01-180 отличается большей глубиной выборки материала для удаления имеющихся в диске отверстий под штифты.
ОАО «Авиадвигатель» были проведены стендовые испытания двух доработанных дисков на универсальном испытательном разгонном стенде УИР-1. Стенд спроектирован таким образом, что позволяет при сборке нескольких дисков на валу двигателя обеспечивать их нагружение таким же образом, как и в составе двигателя, имитируя тем самым почти полностью эксплуатационное нагружение дисков различных ступеней двигателя Д-30. Цикл нагружения на стенде рассматривается в качестве эквивалентного цикла (ЭЦ) нагружения диска.
Один из эксплуатировавшихся дисков (инд. №78024), наработавший в эксплуатации 6274 часа (4164 ПЦН), был в процессе ремонта забракован при ЛЮМ-1ОВ контроле из-за свечений по шлицам. После доработки диска по чертежу 42-01-180 он был испытан на установке УИР-1 в течение 24396 ЭЦ.
Испытательный цикл доработанного диска на стенде был реализован с изменением частоты вращения 1000-13000-1000 об/мин, с выдержкой на максимальных оборотах (птах) в течение 20с при общей длительности цикла 93с. Температура обода и ступицы при испытании составляла 4750С и 3650С соответственно. Вращение диска происходило в направлении противоположном рабочему. В процессе испытаний диск проверялся контролем ЛЮМ-1ОВ при наработках 2000, 4000, 6000, 9618, 15500, 20000 и 24396 ЭЦ. При этом было отмечено уменьшение интенсивности свечения в местах дефектов.
Рис. 3. Общий вид ступичной части доработанного по чертежу 42-01-180 диска Х
ступени КВД двигателя Д-30
Диск (инд.№68825), имевший наработку 1497 ПЦН в эксплуатации и доработанный по промежуточной технологии (по чертежу 42-01-174), был испытан на УИР’е по той же программе нагружения в течение 6000 ЭЦ.
Для оценки эффективности предлагаемых конструктивных доработок из испытанных на стенде дисков были вырезаны фрагменты из их ступичной части с трещинами. Трещины были вскрыты посредством статического разрушения по неразрушенному сечению. Необходимо было установить, имеется ли дальнейшее развитие усталостных трещин в дисках после их доработки, каково изменение скорости развития усталостных трещин после доработки.
Для выполнения поставленных задач было проведено фрактографическое исследование изломов по вскрытым трещинам на растровом электронном микроскопе фирмы Карл Цейс, которое показало следующее.
В шлице (усл.№1), имевшем наиболее яркое свечение при контроле ЛЮМ-1ОВ, трещина развилась практически на всю ширину шлица, но без выхода на торец, на глубину 0,75 мм. Излом имеет следы температурного воздействия в виде цветов побежалости. Трещины в остальных шлицах сохранили своё автономное развитие и имеют вид не соединившихся отдельных усталостных трещин, глубина которых не превышает 0,2 мм, аналогично тому, как показано на схеме цифрами (рис. 2).
Фрактографическое исследование излома по шлицу усл.№1 показало, что первоначальное развитие трещины (в эксплуатации) происходило аналогично тому, как это было описано выше
- многоочаговое зарождение усталостного разрушения с последующим формированием усталостных бороздок в области малоцикловой усталости. В указанной зоне происходит постепенное возрастание шага бороздок до величины около 1,2 мкм, после чего наблюдается снижение шага бороздок в несколько раз до величины около 0,2 мкм (рис. 4). Переход к меньшей величине шага был резким, произошёл дискретно. Это свидетельствует о развитии усталостной трещины на стенде в процессе циклических испытаний, но со значительно меньшей скоростью. Развитие трещины на стенде произошло на глубину около 0,35 мм. Из этого следует, что длительность роста трещины на стенде составила около 0,35/0,0002=1750 циклов.
Полученный результат свидетельствует о том, что при нагружении диска на стенде только часть испытательных циклов была связана с распространением трещины. Большая часть испытательных циклов была затрачена на преодоление влияния зоны пластической деформации перед вершиной эксплуатационной трещины, а именно на дальнейшее зарождение и распространение трещины на стенде при более низком уровне напряжения. Определяющую роль играл эффект взаимодействия нагрузок после снижения уровня напряжения в дисках при стендовых испытаниях по сравнению с нагружением диска в эксплуатации. Следовательно, доработка оказала положительное влияние на снижение не только скорости роста трещины, но также вызвала значительную задержку трещины.
Рис. 4. Вид излома в диске с доработкой по чертежу 42-01-180 при разном увеличении (а и б):
1 - эксплуатационный излом; 2 - излом, образованный на стенде; 3 - зона вытягивания,
образованная при вскрытии трещины
Вместе с тем следует подчеркнуть, что из-за различия в интенсивности повреждения материала от эксплуатационного цикла нагружения диска и цикла на стенде следует ожидать в эксплуатации снижения эффекта от доработки диска.
Изучение изломов трещин из второго диска, испытанного на УИР-1, показало, что трещина в нем также развивается от поверхности галтели в основании шлица практически по всей его ширине без выхода на задний торец диска. Максимальная глубина трещины составляет примерно 0,3 мм.
Граница между усталостной трещиной, развившейся в эксплуатации, и трещиной, развившейся на стенде, частично характеризуется растрескиванием материала, а частично размыта (рис. 5). Указанная граница возникла в результате того, что развитие трещины на стенде происходило при более высоком уровне напряжения, чем в эксплуатации. Морфология излома по трещине, развивавшейся на стенде, более рельефная, что отвечает более высокой скорости роста трещины, чем на участке разрушения в эксплуатации. Глубина подрастания трещины на стенде составляет около 0,08 мм.
а б
Рис. 5. Вид излома в доработанном по чертежу 42-01-174 диске при разном увеличении (а и б): 1 - эксплуатационный излом; 2 - излом, образованный на стенде
Такой размер сопоставим с размером зоны пластической деформации, которая осталась в вершине усталостной трещины, сформированной в эксплуатации в области малоцикловой усталости. Из-за этого распространение трещины в процессе испытаний диска на стенде происходило почти полностью в пределах зоны влияния остаточных напряжений от эксплуатационной трещины. Развитие трещины при стендовых испытаниях происходило после ее частичной задержки. Данное обстоятельство не позволяет сделать достоверные выводы о роли доработки в изменении поведения диска с трещиной, поскольку на её задержку и рост на стенде одновременно оказывали влияние доработка диска и остаточные напряжения в зоне перехода от эксплуатационной нагрузки к стендовой. Более того, возросшая скорость роста трещины на стенде могла быть результатом ускорения, а не задержки трещины в зоне перехода в её развитии от разрушения диска в эксплуатации.
Таким образом, на основании фрактографического анализа изломов по вскрытым трещинам, имевшимся в дисках Х ступени КВД двигателей Д-30, которые были конструктивно доработаны, а потом прошли длительные стендовые испытания, можно сделать следующие выводы. Во-первых, в результате доработки диска по основной технологии наблюдается значительное снижение напряжений, возникающих в процессе его работы. Об этом свидетельствует снижение скорости развития трещины с 1,2 мкм до 0,2 мкм за цикл в одном из исследованных дисков. Во-вторых, наблюдается значительная по времени задержка в развитии усталостной трещины. Вместе с тем, несмотря на доработку диска, полная остановка развития трещин, уже имевшихся в диске, не произошла. Более того, возникает ситуация, когда рост трещины на стенде может быть реализован с более высокой скоростью, чем без доработки диска. В связи с этим, при вырезке шлицев при ремонте необходимо стремиться к удалению таких трещин.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. Монография. Уфа, 2007.
ESTIMATION OF THE NEW DESIGN EFFECTIVNESS FOR DISKS OF X STAGE OF HIGH-PRESSURE COMPRESSOR OF ENGINE D-30 BASED ON FRACTOGRAPHIC ANALYSES OF
FATIGUE CRACKS GROWTH
Shanyavskiy A.A., Potapenko Yu.A.
The paper discussed new design effectiveness for compressor disks with in-service fatigue cracks of X stage of the high-pressure compressor of the engine D-30. Analyses of fatigue test results performed for new designed disks on the special test-device UIR-1 have presented. Based on the fractographic analysis of fatigue cracks growth for disks in service and in tests after the new design have shown that the crack growth rate decrease for new designed disks is result not only disks geometry changing but stress interaction effects because of difference in stress-state for in-service disks and for tested disks.
Сведения об авторах
Шанявский Андрей Андреевич, 1946г.р., окончил МАИ (1970), доктор технических наук, профессор, начальник отдела “Металлофизические исследования авиационных материалов” ГосЦентра безопасности полетов на воздушном транспорте, автор более 290 научных работ, область научных интересов
- исследование механизмов и моделирование процессов разрушения элементов авиационных конструкций на основе подходов синергетики.
Потапенко Юрий Александрович, 1971 г.р., окончил МАТИ (1994), начальник сектора “Исследования отказов деталей и узлов силовых установок ВС” ГосЦентра безопасности полетов на воздушном транспорте, автор более 20 научных работ, область научных интересов - исследование причин разрушений силовых установок авиационной техники.
