CC BY
53
УДК 629.7.062.3.
Н.П. Великанова1, Ф.К. Закиев2
1КГТУ имени А.Н.Туполева, г. Казань, 2Конструкторско-производственное предприятие «Авиамотор»,
г. Казань, Россия
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЧНОСТНОЙ НАДЕЖНОСТИ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБИН АВИАЦИОННЫХ ГТД БОЛЬШОГО РЕСУРСА
Аннотация: Приведены результаты оценки запасов прочности рабочих лопаток турбин из жаропрочных сплавов с равноосной и монокристаллической структурой в интервале эксплуатационной наработки до 10000 часов.
В работе представлены результаты расчетно-экспериментального анализа прочностной надежности рабочих лопаток турбин двигателей семейства НК-8 для гражданской авиации.
Рассматривается длительное статическое нагру-жение лопаток.
Рабочие лопатки 1 ступени турбин являются наиболее нагруженными деталями двигателя по параметру длительной прочности, и именно поэтому от работоспособности этих деталей зависят ресурсные возможности двигателя в целом. В эксплуатации по наработке рабочей лопатки 1 ступени турбины судят о наработке двигателя в часах.
Материал рабочих лопаток - литые жаропрочные сплавы на никелевой основе ЖС6УВИ равноосной и ЖС30ВИ монокристаллической структуры.
Лопатки, изготовленные из обоих материалов, эксплуатируются на самолете Ил-86.
Лопатки неохлаждаемые, бандажированные.
В качестве характеристик прочностной надежности рассматривались запасы прочности по напряжениям, т.к. именно эти запасы имеют для рассматриваемой конструкции минимальные значения. Температурное состояние лопаток определялось по результатам термометрирования на натурном двигателе.
Оценка прочностной надежности выполнялась на основе фактических условий эксплуатации.
1. Условия эксплуатации
Для изучения условий эксплуатации были проанализированы результаты 175 полетов самолета Ил-86 в аэропорту Москвы.
На рис. 1 приведено рассеяние температуры атмосферного воздуха. Из приведенных данных следует, что в 110 из 175 полетов температура атмосферного воздуха была выше 20 оС.
Из теории газотурбинных двигателей известно, что параметры работы двигателя, определяющие напряженное и тепловое состояние деталей турбины, за© Н.П. Великанова, Ф.К. Закиев 2006 г. - 80 -
висят от атмосферных условий эксплуатации, т.е. в общем случае от температуры и давления атмосферного воздуха. Для рассматриваемого двигателя в соответствии с его законом регулирования указанные выше параметры зависят только от температуры воздуха.
Рис. 1 - Эмпирическое распределение температуры атмосферного воздуха ТН [°С]
Гистограмма: Уагб К-Б с!=.07680, р> .20; иНеЯоге р<.05 — Бхре^ес! Ыогта!
Г
л,
г/
Т V
/ \
/
/ у
-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
С ростом температуры параметры работы двигателя повышаются до момента ограничения.
На рис. 2 показаны графики измерения частоты вращения высокого давления пвд и температуры газа за турбиной 16*, которые определяют напряженное и температурное состояние рабочих лопаток
На рис. 3 представлено рассеяние частоты вращения ротора высокого давления для рассматриваемых полетов.
Из приведенных на рис. 3 данных следует, что в большинстве случаев частота вращения ротора была выше Пвд = 7300 об/мин. и среднее значение
данного эмпирического распределения п Вд = 7350 об/мин.
Рис. 3 - Эмпирическое распределение частоты вращения ротора высокого давления [об/мин]
80
70
60
50
t 6,°С
665 7550
t 6
пва
1
-40
+30
TR ,°С
Рис. 2 - Изменение параметров работы двигателя в зависимости от атмосферных условий в соответствии с законом регулирования двигателя
Гистограмма: Var8 K-S d=.18881, p<.01 ; Lilliefors p<.01 — Expected Normal
110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
6800 6900 7000 7100 7200
делялось расчетом лопаток по теории стержней переменного сечения. На рис. 5 представлено изменение суммарных действующих в лопатке напряжений стЕлоп по длине пера при работе двигателя на взлетном режиме при Тн > +27оС для лопаток, изготовленных из ЖС6У-ВИ и ЖС30ВИ.
Для того, чтобы оценить влияние параметров
54 -53 -52 -51 50 -49 -48 -47 -46 -45 44 43 42 41 40
Е ▲
Е X
Е \ SJ. Ж С30 В] 1
Ё \ /
Е ч Ч ж /
Е \
Е 1 \ \
Е / \
Е ЖС !6У ВИ [ / к ! \
Е \
Е \ ^ s
Е \ >
Е V д \
Е к ®
50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
Вид эмпирического распределения температуры газа за турбиной t6* (для данной конструкции штатным замером является именно tg*) также (рис. 4) позволяет сделать вывод о том, что большинство полетов выполнялось при значениях температуры t6* свыше 600 оС.
Рис. 4 - Эмпирическое распределение температуры газа за турбиной t6* [°C]
2. Параметры нагруженности рабочих ло-
Гистограмма: Var9 K-S d=.19849, p<.01 ; Lilliefors p<.01 — Expected Normal
460 480 500 520 540 560 580 600 620 640
паток 1 ступени турбины
Напряженное состояние рабочих лопаток опре-
Рис. 5 - Распределение действующих суммарных напряжений вдоль пера лопатки из сплавов ЖС6У ВИ и ЖС30 ВИ на взлетном ренине
i/dij lei I lu^r I риспа iviu^c^j id
£лоп.
: f (П2)
(1)
Температурное состояние лопаток оценивалось по зависимости:
Т
f (t*6)
(2)
Для рассматриваемых конструкций модели (1) и (2) имеют вид:
стЕлоп. = 0,292 .1°-5 П2вд
Тлоп. = "Ь09 t*6 + 237,2 для лопаток из сплава ЖС6УВИ
стЕлоп. = 0,308 10-5 П2ВД
1'
Т
(3)
(4)
■лоп. = 1,148 1б + 212,5
для лопаток из сплава ЖС30ВИ.
По моде лям (3) и (4) можно определить действующие в лопатке суммарные напряжения и ее температурное состояние, если известны частота вращения ротора и температура газа.
3. Влияние эксплуатационной наработки на
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 3/2006
81
7400
7500
120
100
80
Щ 60
40
20
0
параметры работы двигателя
В процессе длительной эксплуатации происходит ухудшение состояния деталей газовоздушного тракта и как следствие, ухудшение параметров работы двигателя: в процессе длительной эксплуатации частота вращения ротора высокого давления и температура газа увеличиваются.
Количественно это отражается соотношениями
[1]:
| Дп ВД = 0,232т
+0,6844
Ди = 0,687т
+0,3765
(5)
Сплав Экспл. наработка в часах
0 до 4500 50008500 9000 1000 0
ЖС6УВИ 92 образца Долговечность до разрушения т, час.
60,5 58,2 45,2 34,2
Долговечность до разрушения т, в час.
5000 - 9000
ЖС30ВИ 38 образцов 68,34 60,0 45-50
чение долговечности до разрушения снижается с 60,5 часа до 34,2 часа, т.е. почти в 1,8 раза.
5. Запасы прочности рабочих лопаток
Запас прочности пера рабочей лопатки определяется из соотношения:
Км =
<дл.(Т, твзл) <1лоп.
(6)
гд. д Пвд и д 1 6 - приращения средних значе-
*
ний параметров Пвд и 1 6 соответственно;
т - эксплуатационная наработка.
При проведении капитального ремонта параметры двигателя восстанавливаются до исходного уровня, т.е. до тех значений параметров, с которыми двигатель начинал летную эксплуатацию.
4. Влияние эксплуатационной наработки на длительную прочность материала рабочих лопаток
Исследование влияния эксплуатационной наработки на жаропрочность материала лопаток проводилось на образцах, вырезанных из замковой части (исходное состояние) и «горячей» зоны пера лопаток в интервале наработки от 0 до 10000 часов.
Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1
Изменение жаропрочности сплавов ЖС6УВМ и ЖС30-ВИ в процессе длительной летной эксплуатации
Из приведенных в таблице 1 данных следует, что жаропрочность сплава ЖС30ВИ монокристаллической структуры снижается в меньшей степени, чем сплава ЖС6УВИ равноосной структуры в том же интервале наработки.
У рабочих лопаток из сплава ЖС6У ВИ в указанном интервале эксплуатационной наработки зна-
где <5дл - предел длительной прочности материала лопаток;
<1лоп - суммарные действующие напряжения;
твзл - время работы на взлетном режиме.
Из приведенных выше данных следует, что по мере увеличения эксплуатационной наработки действующие напряжения <1лоп увеличиваются в связи с ухудшением параметров работы двигателя, а длительная прочность сплава < дл. уменьшается. Следовательно, запас прочности рабочих лопаток в процессе летной эксплуатации будет уменьшаться. Для сравнительного анализа изменения запасов прочности рабочих лопаток, изготовленных из двух жаропрочных сплавов, исходные характеристики - пределы длительной прочности сплавов принимались по данным [2, 3]. Для определения действующих напряжений и рабочей температуры в сечении, где температуры имеют максимальное значение (К = 47 см), в качестве значений пвд и 16* для нового двигателя (т = 0) принимались Пвд = 7350 об/мин и 16*= 600 оС
В таблице 2 приведены параметры напряженного и температурного состояний рассматриваемых рабочих лопаток. На рис.5 даны графики изменения запаса прочности лопаток по напряжениям в интервале наработки от 0 до 10000 часов с учетом увеличения действующих напряжений, температуры и снижения длительной прочности материалов.
Из графиков, приведенных на рис.6, следует, что запасы прочности монокристаллических лопаток выше, чем у лопаток, изготовленных из материала с равноосной структурой. Кроме того, у лопаток из сплава ЖС6УВИ наблюдается более интенсивное снижение длительной прочности в интервале наработки 9000-10000 часов.
Таблица 2
Параметры напряженного и температурного состояний рабочих лопаток турбины из сплавов ЖС6У ВИ и ЖС30 ВИ в процессе длительной летной эксплуатации Рис. 6 - График изменения запасов прочности по напряжениям Км пера лопатки из сплавов ЖС6У ВИ и ЖС30 ВИ в интервале наработки от 0 до 10000 часов
Выводы: Результаты проведенного расчетно-экспериментального исследования использовались
в процессе выполнения работ по увеличению ресурса рабочих лопаток. Эти данные следует учитывать при проектировании конструкции на большие ресурсы. Предложенный подход к оценке характеристик прочностной надежности рабочих ло-
1. О влиянии наработки в летной эксплуатации на ухудшение параметров двухконтурных турбореактивных двигателей / Буточников А.П., Нестеров Е.Д., Акимов Н.М., Симкин Э.Л. - М. : ЦИАМ, 1976. -11с.(Тр. ЦИАМ №731).
2. Шалин Р.Е., Булыгин И.П., Голубовский Е.Р. Жаропрочность сплавов для газотурбинных двигателей. -М.: Металлургия, 1981. -120 с.
3. Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов. -М.: Машиностроение, 1998.464 с.
Поступила в редакцию 25.07.2006 г.
Материал лопатки Экспл. наработка в часах @Елоп, МПА T 1 лоп, о С,
ЖС6У ВИ 0 157,7 902
4000 160,6 917
9000 161,15 919
10000 161,5 920
ЖС30 ВИ 0 166,4 912
4000 169,4 929
9000 170,0 930
10000 170,4 933
ЖС30 ВИ
L J \ N \ -
\ X \ \
\ \ \ / /
\ \ \
\ \ \
\ \ \ \
\
/V
/ s
/ ~е-(
/
ЖС6У ВИ /
т, ч
\
[
0 2000 4000 6000 8000 10000
паток может быть использован для индивидуальной оценки ресурса.
Литература
К
м
3.5
3
2.5
2
1.5
Анота^я : Наведено результати оцнки запасе м1цност1 робочих лопаток турб1н з жаро-м1цних сплав1в з р1внов1сною i монокристал1чною структурою в ¡нтервал1 експлуатацй-ного наробiтку до 10000 годин.
Abstract: Broughted results of durability coefficient estimation of turbine worker blades from hightemperature alloys with equiaxial and monocrystalline structure in working lifelength interval before 10000 hours.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 3/2006 # 8y
