CC BY
60
УДК 621.452.3
М.Ш. Нихамкин, Л.В. Воронов, И.П. Конев Пермский государственный технический университет, Россия
ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ И
ОБЪЕМНЫХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ И СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗВИТИЮ ТРЕЩИН В ЛОПАТКАХ КОМПРЕССОРОВ
Аннотация: Приведены результаты экспериментального исследования технологических факторов на чувствительность титановых лопаток компрессора высокого давления к эксплуатационным повреждениям. Получены эффективные коэффициенты концентрации напряжений для концентраторов в виде надрезов и трещин на входной кромке. Исследована эффективность повышения стойкости лопаток к повреждению посторонними предметами путем создания объемных остаточных напряжений на кромках. Результаты могут быть использованы при выборе термообработки и технологии изготовления лопаток, также для оценки допустимых повреждений.
Лопа2к, компрессора, ус2алос2на прочнос2ь, концсн2рац, напр жен, й, 2реш, нос2ойкос2ь, объемные ос2а2очные напр жен,
Введение
Одна из основных причин выхода из строя газотурбинных двигателей - повреждение лопаток компрессора посторонними предметами (ПП), попадающими в проточную часть. Повреждения в виде забоин на кромках лопаток (рис.1) становятся концентраторами напряжений и снижают вибропрочность лопаток. Снижается эксплуатационная надежность и безопасность полетов. Стремление сделать кромки лопаток тоньше, чтобы уменьшить потери и повысить топливную экономичность двигателей делает проблему повреждения лопаток посторонними предметами еще более актуальной.
Опубликованные исследования посвящены анализу статистики повреждений, изучению механизма образования дефектов [1,2], оценке снижения усталостной прочности лопаток при появлении повреждений [2-4], разработке способов защиты от попадания посторонних предметов в двигатель и повышению стойкости лопаток к повреждениям [5,6]. Влияние повреждений на усталостную прочность лопаток определяется конструктивными и технологическими факторами, формой и размером дефектов и, в силу многообразия этих факторов, изучено недостаточно. В настоящей работе приведены результаты исследования усталостной прочности лопаток при наличии концентраторов напряжений в виде надреза и трещины. Исследована эффективность повышения стойкости лопаток к
повреждению посторонними предметами путем создания объемных остаточных напряжений на кромках. Полученные результаты могут быть полезны для оценки допустимых повреждений на кромках лопаток и выборе технологии и термообработки.
1 Методика исследования
В качестве образцов для исследования использовали серийные натурные лопатки, прошедшие технологический контроль. Использование натурных лопаток имеет в данном случае принципиальное значение, так как позволяет наиболее полно учесть влияние факторов технологической наследственности. Исследования проводились на лопатках пятой ступени компрессора высокого давления. Лопатки с замком типа «ласточкин хвост» имеют переменный по длине слабо закрученный профиль. Допуски на размеры профильной части составляют 0,1 мм, шероховатость поверхности 0,32^ - 0,64^. Хорда профиля неизменна по высоте и составляет 26 мм, относительная высота профильной части 2,42, относительная толщина профиля в корневом сечении 0,099, толщина входной кромки Ивх = 0,72 мм, выходной - 0,4 мм.
Исследованы пять групп лопаток, имеющих одинаковые геометрические параметры, но изготовленные из разных материалов по различным технологиям с различными вариантами термообработки (исследование проводилось в рамках работ
© М.Ш. Нихамкин, Л.В. Воронов, И.П. Конев 2006 г.
по отработке технологии). Лопатки первой группы изготовлялись из титанового сплава ВТ3-1 механической обработкой из штампованной заготовки, прошедшей двойной отжиг. Лопатки второй группы изготовлялись по аналогичной технологии из титанового сплава ВТ8М. Лопатки третьей группы изготовлены из сплава ВТ 8М холодным вальцеванием из штампованной заготовки; после вальцевания лопатки подвергались старению и виброгалтовке. Лопатки четвертой группы отличались термообработкой: перед старением проводился вакуумный отжиг. Лопатки пятой группы изготовлены из сплава ЭИ787ВД вальцеванием с последующей закалкой и старением. Данные о пределах выносливости исследованных лопаток приведены в таблице 1, там же приведены сведения о поверхностных остаточных напряжениях стпов, определенных методом Давиденкова и объемных остаточных напряжений на корыте, определенные методом полного освобождения. Следует отметить, что в лопатках третьей группы поверхностные остаточные напряжения меняют знак на глубине в 3-5 мкм, в остальных 10-20 мкм.
Таблица 1
Характеристики исследованных лопаток Чувствительность к концентрации напряжений оценивалась эффективным коэффициентом концентрации напряжений Ка, представляющим собой отношение предела выносливости лопаток с концентратором напряжений а-1к к пределу выносли-
& % Материал а-1 МПа а-1 к МПа Ка апов МПа аоб МПа
1 ВТ3-1 465 273 1,7 -580 -20
2 ВТ8М 517 224 2,3
3 ВТ8М 380 223 1,7 -300 +27
4 ВТ8М 380 160 2,37 -225
5 ЭИ787ВД 325 300 1,08
вости лопаток без концентратора а^. При одинаковом теоретическом коэффициенте концентрации, определяемом геометрией концентратора, эффективный коэффициент концентрации Ка характеризует чувствительность лопаток к концентрации напряжений.
Концентратор напряжений имел У-образную форму с углом раскрытия 60° , радиусом в вершине К = 0,1 мм и глубиной И = 0,4 мм и И = 0,8 мм (рис.1). Концентратор наносился на входной кромке в месте максимальных напряжений, возникающих в лопатке при колебаниях по первой изгибной форме. Усталостные испытания проводились при колебаниях лопатки по первой изгибной форме на базе 2107 циклов на электродинамическом вибростенде в условиях вынужденных резо-
нансных колебаний по первой изгибной форме. Цикл нагружения - симметричный, температура -комнатная.
Рис.1 - Схема подготовки лопатки к испытаниям
Существенное влияние на снижение усталостной прочности лопаток оказывает радиус скругле-ния К в вершине надреза. Его трудно контролиро-
вать и при осмотрах в эксплуатации и в специальных экспериментах. Отчасти этим обстоятельством объясняется различие экспериментальных данных разных авторов по чувствительности лопаток к забоинам.
В настоящей работе в качестве концентратора напряжений кроме надреза использовали усталостную трещину, возникающую в его вершине. Это позволяет получить «верхнюю» оценку концентрации напряжений, не зависящую от формы и радиуса скругления в вершине надреза. Предел выносливости в этом случае определяли как напряжение, при котором скорость роста трещины составляла менее 10-11 м/ц. Скорость роста трещины регистрировали визуально-оптическим методом. Более подробно методика проведения эксперимента при определении предела выносливости лопатки с трещиной изложена в работе [7].
2 Концентрация напряжений
Концентратор напряжений в виде У-образного надреза приводит к значительному снижению предела выносливости лопаток. Полученные значения эффективного коэффициента концентрации для надреза глубиной И = 0,4 мм (И/Ивх = 0,5) приведены в табл. 1.
Чувствительность к концентрации напряжений лопаток из сплава ЭИ787ВД (Ка=1,08) значительно ниже, чем лопаток из титановых сплавов (Ка=1,7-2,37). Для титановых лопаток третьей группы из сплава ВТ 8М и первой группы из сплава ВТ3-1 чувствительность к концентрации напряжений несколько ниже (Ка=1,7), чем для второй и четвертой групп из сплава ВТ8М. При этом во второй и третьей группах, несмотря на существенное различие предела
выносливости лопаток без концентратора а^ , предел выносливости а-1к лопаток с концентратором практически одинаков. Различие в значениях Ка для лопаток из сплава ВТ8М, различающихся термообработкой и технологией, такое же, как между лопатками из разных сплавов ВТ3-1 и ВТ8М.
Важным геометрическим фактором, определяющим снижение предела выносливости, является глубина концентратора И. С увеличением относительной глубины И/Ивх эффективный коэффициент концентрации заметно возрастает (рис.2).
Рис. 2 - Эффективные коэффициенты концентрации напряжений в лопатках с надрезами 1, 2 - лопатки первой (ВТ3-1) и третьей (ВТ8М) групп
Концентрация напряжений от трещин, как и следовало ожидать, значительно выше, чем от надрезов (рис.3). Для титановых лопаток с трещиной, имеющей относительную длину со стороны корыта 1/Ивх=1,0 эффективный коэффициент концентра-
концентрации напряжений. Это согласуется с данными о влиянии технологических факторов на характеристики циклической трещиностойкости лопаток из титановых сплавов [7].
3. Влияние объемных остаточных напряжений
В работах [5, 6] предложено специально создавать благоприятные поля объемных остаточных напряжений на входной и выходной кромках лопаток с тем, чтобы повысить их вибропрочность и живучесть при возникновении на кромках эксплуатационных повреждений.
В монографии [8] изложен опыт Пермского моторного завода по разработке технологии упрочнения лопаток. Остаточные напряжения возникают в результате пластической деформации, происходящей при локальном нагреве лопатки с помощью мощного лазера. На рис.4а пунктирной линией показана схема движения лазерного луча при обработке. Характер распределения получающихся остаточных напряжений в направлении оси лопатки показан на рис. 4б. Остаточные напряжения на входной и выходной кромках сжимающие, на входной кромке они составляют по оценкам [8] 80э.. .100 МПа.
а)
б)
ции Ка лежит в пределах
3,5-4,7. С увеличением длины трещины он несколько возрастает.
Рис. 4 - Схема обработки лопатки (а) и характер распределения остаточных напряжений по средней линии профиля лопатки (б)
Рис. 3 - Эффективные коэффициенты концентрации напряжений в лопатках с трещинами 1- 5 - номера групп лопаток
Как и в случае концентратора-надреза значение Ка для лопаток из сплава ЭИ787ВД существенно ниже, чем для титановых, и не превосходит Ка = 2,5.
Различие в значениях Ка для геометрически
Исследование эффективности такого упрочнения лопаток проводилась на примере рабочих лопаток 9-й ступени компрессора высокого давле-
одинаковых лопаток второй, третьей и четвертой групп из сплава ВТ 8М демонстрирует влияние технологии и термообработки на чувствительность к
ния. Лопатки имеют хорду профиля 23,6 мм, относительную высоту профильной части 1,5, относительная толщина профиля в корневом сечении составляет 0,085, толщина входной кромки 0,44 мм. Лопатки изготовлены из сплава ЭИ787ВД холодным вальцеванием из штампованной заготовки, термообработка - закалка с последующим старением и виброгалтовкой.
Для оценки чувствительности лопаток к концен-
трации напряжений пользовались методикой, изложенной выше. В качестве образцов использовали серийные натурные лопатки, прошедшие технологический контроль. Что имеет в данном случае принципиальное значение, так как позволяет наиболее полно учесть влияние остаточных напряжений, созданных лазерной обработкой.
Остаточные напряжения практически не повлияли на предел выносливости лопаток: после лазерной обработки его значение, определенное предприятием-изготовителем на натурных лопатках, составило а-1 =330 МПа, что на 6% ниже, чем у серийных лопаток [8].
Предел выносливости для лопаток с концентратором напряжений глубиной 0,5 мм (И/Ивх=1,13) составил для необработанных лопаток а-1к =220 МПа, для обработанных -а-1к =280 МПа. Соответственно, эффективные коэффициенты концентрации напряжений составили для необработанных лопаток Ка = 1,5, а для обработанных - Ка= 1,18, то есть на 27% ниже.
Влияние объемных остаточных напряжений на чувствительность к концентрации напряжений от трещин оценивали по пределу выносливости лопаток с трещинами, который определяли по описанной выше методике. Полученные значения эффективного коэффициента концентрации напряжений для четырех исследованных лопаток-образцов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Сравнение значений эффективного коэффициента концентрации напряжений от трещин в лопатках из сплава ЭИ787ВД до и после лазерной обработки
Для трещин с относительной длиной со стороны корыта 1/Ивх=2,3...3 у необработанных лопаток Ка = 2,36-2,75. После лазерной обработки коэффициент концентрации понизился на 22-33% и составил Ка = 1,83-2,06. Такое снижение чувствительности к концентрации напряжений существенно превосходит рассеяние экспериментальных данных.
Заключение
Сравнение значений Ка для титановых лопаток из сплавов ВТ3-1 и ВТ 8М показывает, что чувствительность к концентрации напряжений определяется технологическими факторами и термообработ-
№ l/Ъвх К
до обработки после обработки %
1 2,97 2,36 1,83 29
2 2,61 2,75 2,06 33
3 2,29 2,36 1,94 22
4 2,27 2,36 1,94 22
кой в не меньшей степени, чем маркой сплава.
Погрешности определения эффективного коэффициента концентрации напряжений от надреза, связанные с невозможностью точного выполнения радиуса скругления в его вершине, могут быть исключены, если в качестве предельно острого надреза рассматривать трещину. Значения Ка для трещин в 1,8-2,9 раза выше, чем для надреза.
Полученные зависимости Ка от относительной глубины надреза и длины трещины могут быть использованы для оценки допустимых повреждений на кромках лопаток.
Создание на входной кромке лопатки сжимающих объемных остаточных напряжений 80s... 100 МПа позволяет на 27% снизить эффективный коэффициент концентрации от надреза и на 22-33% -от трещины. Такое снижение может означать многократное повышение ресурса работы лопаток с повреждениями от посторонних предметов и существенное снижение вероятности поломки.
Литература
1. Доргов Л.С., Метёлкин Е.С., Белоусов Г.Г., Шляпников В.В. Некоторые особенности разрушения повреждённых лопаток компрессоров // Исследования, испытания и надёжность силовых установок: Труды ГосНИИ ГА. Вып 248. -М., 1986. -С. 61-66.
2. Nowell D., йыу P. and Stewart I.F. Prediction of fatigue performance in gas turbine blades after foreign object damage / International Journal of Fatigue, 25, Р. 963-969 (2003)
3. Налимов Ю.С. Омельченко В.В., Грязнов Б.А., Городецкий С.С. Влияние концентраторов напряжений на несущую способность компрессорных лопаток из титановых сплавов // Проблемы прочности. 1985. -N5. - С. 100-104.
4. Белоусов Г.Г., Пивоваров В.А. Влияние форм колебаний на сопротивление усталости рабочих лопаток компрессоров // Динамика, выносливость и надежность авиационных конструкций и систем. М.: МИИГА, 1980. С.10-14.
5. Биргер И.А., Бобылёв А.А., Ободан Н.И. О влиянии объёмных остаточных напряжений на развитие усталостных трещин // Тез.докл. III Всесо-юз. симп. по механике разрушения. Киев: ИПП АН УССР, 1990. -С. 19-20.
6. Богуслаев В.А. О возможности повышения долговечности лопаток с повреждениями / Проблемы прочности. 1992. -N 4. -С. 45-49.
7. Нихамкин М.Ш. Методика экспериментального определения характеристик циклической трещи-ностойкости лопаток газотурбинных двигателей // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2002, №4. С. 44-48.
8. Основы технологии создания газотурбинных двигателей для магистральных самолетов / под ред.
А.Г. Братухина, Ю.Е. Решетникова, А.А. Иноземцева М.: Авиатехинформ. 1999. -544 с.
Поступила в редакцию 30.05.2006 г.
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Бульбо-вич Р.В., Пермский государственный технический университет, Пермь, Россия
Анота^я: Наведено результати експериментального досл1дження технолог1чних фактор1в на чутлив1сть титанових лопаток компресора високого тиску до експлуатацйних уш-коджень. Отримано ефективн1 коеф1ц1енти концентрацИ'напруг для концентратор1в у вигляд'1 надр1з1в \ тр1щин на вхдн¡й кромц. Досл ¡джено ефективн1сть п ¡двищення ст¡йкост\ лопаток до ушкодження сторонн1ми предметами шляхом створення об'емних залишко-вих напруг на кромках. Результати можуть бути використан1 при вибор1 термообробки й технологи виготовлення лопаток, також для оцнки припустимих ушкоджень.
Abstract: The results of experimental research are described in influence of technological factors on stress concentration in compressor blades due to foreign subject damages. It is found the effective stress concentration factor for two types of concentrator on the blade trailing edge: notch and fatigue crack. The effect of compressive volumetric residual stress initiation in blade trailing edge on resistance to foreign subject damages is analyzed. The results may to be useful for chouse of technology and heat treatment.
