Повышение работоспособности лопаток из титановых сплавов вентилятора авиадвигате

УДК 669.295

И. А. Петрик, А. В. Овчинников, Ю. Ф. Басов, В. Г. Шевченко, С. Л. Рягин, А. Г. Селиверстов

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЛОПАТОК ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВЕНТИЛЯТОРА АВИАДВИГАТЕЛЯ

Рассмотрены вопросы, связанные с улучшением технологии ремонта методами сварки лопаток вентилятора Д-36 из сплава ВТ3-1. Создана твердотельная модель лопатки. Расчетным путем получены распределения полей напряжений, возникающих от действия экстремальных эксплуатационных нагрузок. В результате проведенных исследований установлены зоны возможного ремонта лопатки.

Вопросы влияния сварки на свойства титановых сплавов достаточно широко изучены [1]. В то же время свариваемость сплавов и их структурные изменения в зоне термического влияния описаны для стандартных изделий. Изделия сложной формы, такие как лопатки компрессора авиадвигателя, при сварке имеют ряд особенностей. К лопаткам предъявляются повышенные требования по структуре и свойствам. Эти требования учитываются нормативно-конструкторскими документами, которые указывают, какими методами и как производить ремонт изделий. Однако, в виду сложной конфигурации лопатки в различных ее зонах действуют разные по интенсивности напряжения, которые могут определять механизмы разрушения. Следует учитывать, что в процессе эксплуатации в лопатках возникает ряд напряжений, зависящих от материала, конфигурации изделия и комбинации нагрузок. Поэтому при ремонте лопаток методами сварки необходимо принимать во внимание влияние эксплуатационных нагрузок. Учет перечисленных факторов позволит обосновать зоны возможного ремонта сваркой лопаток компрессора авиадвигателя. В настоящей работе рассмотрены вопросы, касающиеся определения зон возможного ремонта лопаток методом сварки.

Методика

Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) лопатки вентилятора проводилось на основании расчетных данных и данных лабораторных и стендовых испытаний. Анализу подлежали расчетные статические и динамические нагрузки в соответствии с действующей нормативной документацией. Влияние эксплуатационных нагрузок на НДС учитывалось совместно с допустимым уровнем поврежденности лопатки.

Исследования проводили для сплава ВТ3-1 со следующим средним химическим составом:

остальное

Структура сплавов с таким химическим составом при комнатной температуре представляет собой 84 % а- фазы и 16 % р- фазы.

Для ремонта лопаток применяли аргонодуговую сварку (АДС) с присадкой ВТ20 и последующей ТО (820°, 2 часа). Как показано в ранее проведенных исследованиях [2], такая технология ремонта обеспечивает оптимальное сочетание пластических и прочностных свойств металла восстановленной лопатки.

В качестве исходных данных для расчетов напряженного состояния принимались:

- твердотельная модель геометрической конфигурации лопатки вентилятора авиадвигателя Д-36 из сплава ВТ3-1;

- инерционные нагрузки при максимальных оборотах;

- газодинамические нагрузки.

С учетом специфики расчета предполагалось, что хвостовик лопатки защемлен без зазора.

При использовании упругой модели фактические напряжения зависят от геометрической конфигурации объекта и нагрузок на него. Характеристики материала принимали согласно ГОСТ, ТУ и учитывали при определении допускаемых напряжений.

Целью прочностного расчета являлось определение наибольших постоянных напряжений и амплитуд переменных напряжений в местах вероятного расположения сварных швов с учетом ослабления ими пера лопатки, которые не приведут к ее разрушению.

Результаты исследований и их обсуждение

Для оптимизации технологии ремонта проводили исследования распределения полей напряжений для лопатки вентилятора авиадвигателя Д-36 из сплава ВТ3-1.

При расчете отдельно рассматривались случаи, когда силы инерции недостаточно или чрезмерно компенсируют действие газодинамических сил, что приводит к изгибу пера лопатки, а также случай приведенных напряжений при колебаниях лопатки

© И. А. Петрик, А. В. Овчинников, Ю. Ф. Басов, В. Г. Шевченко, С. Л. Рягин, А. Г. Селиверстов 2006 г.

- 104 -

по первой форме.

Расчет выполнялся отдельно для следующих трех комбинаций нагрузок (вариантов нагружения):

1) режим работы с максимальным расходом воздуха через двигатель при максимальной частоте вращения, температура окружающего воздуха - минимально возможная, на лопатку действуют газодинамические силы и центробежные силы;

2) режим работы с минимальным расходом воздуха через двигатель при максимальной частоте вращения, температура окружающего воздуха -максимально возможная, на лопатку действуют газодинамические силы и центробежные силы;

3) режим работы по первому варианту нагружения; на лопатку действуют газодинамические силы, центробежные силы не учитываются.

Допускаемые напряжения определялись отдельно для каждой комбинации нагрузок по формуле:

где I

I - максимальные напряжения, действую-

программу профессионального класса - "ANSIS". При создании твердотельной модели лопатки ее геометрические размеры задавались с учетом допусков на размеры и генерировалась сетка, состоящая более чем из 50000 элементов. Возле поверхностей и в районе концентраторов напряжений сетка сгущалась.

Поскольку лопатки работают при невысоких градиентах температуры, при расчете распределение температуры по объему лопатки принималось равномерным.

Для определения возможных зон ремонта сваркой лопаток вентилятора сопоставляли расчетные напряжения с допускаемыми. Перо лопатки условно разбивалось по одной из поверхностей на достаточно большое количество объемных (на всю толщину пера) элементов. Если наибольшие напряжения в элементе для всех вариантов нагружения не превышали соответствующих допускае-

мых , такой элемент считался относящимся к

щие в пере лопатки при данной комбинации нагрузок;

| | - поправочный коэффициент, учитывающий ослабление металла сварного шва и околошовной зоны.

При ремонте лопаток вентилятора из сплава ВТ3-1, на основании статистического анализа данных механических испытаний [2], способом - АДС с присадкой с последующей термической обработкой при t = 820 °С, принят | |= 0,5.

Для определения фактических напряжений использовали метод конечных элементов (МКЭ), позволяющий с достаточной точностью найти напряженное состояние объекта сложной геометрической формы, подверженного воздействию механических и температурных нагрузок [3]. Для реализации расчетного алгоритма использовали

зоне возможного ремонта сваркой, в противном случае - наоборот. Объединение соседних элементов определило зоны возможного ремонта сваркой.

Расчет эквивалентных напряжений осуществлялся по четвертой теории прочности. Локальные напряжения, типа контактных, не учитывались. Напряжения на рисунках приведены в МПа. Поля напряжений показаны по диапазонам.

Результаты расчетов для первой комбинации нагрузок приведены на рис. 1.

Анализ полученных результатов показал, что максимальные напряжения действуют в переходной области от пера лопатки до антивибрационной полки в месте ее максимального утолщения и для режима работы с максимальным расходом воздуха через двигатель при максимальной частоте вращения составляют 520......600 МПа.

Анализ результатов расчетов для второй ком-

Рис. 1. Схемы напряженно-деформированного состояния для первого варианта нагрузок в различных зонах лопатки

вентилятора авиадвигателя Д-36 из сплава ВТ3-1

- 0219яшВестникяИвигателестроенияя1 4/т006

- 105 -

бинации нагрузок аналогичны предыдущим, однако с меньшим размером областей с предельной концентрацией напряжений в опасных областях (рис. 2).

Анализ результатов расчетов для третьей комбинации нагрузок показал аналогичное с первым вариантом распределение нагрузок, но с опасными областями не только в месте перехода перо-антивибрационная полка, но и в сочленении пера с основанием замка лопатки (рис. 3 а, б).

Как видно из представленных данных, независимо от варианта нагружений распределение полей напряжений имеет сходный характер. Это говорит о том, что основное влияние на характер распределения напряжений оказывает геометрия лопатки, а тип нагрузки влияет в меньшей степени. Это позволяет с достаточной степенью точности определить допустимые зоны ремонта лопатки.

Наложение напряжений от трех вариантов на-гружения позволило установить возможные опас-

ные зоны при работе лопатки вентилятора (см. рис. 3, в). К областям с максимальными напряжениями относятся переход перо-антивибрационная полка и область сочленения пера с основанием замка лопатки.

Согласно анализа полученных результатов зонами возможного ремонта сваркой лопаток вентилятора авиадвигателя Д-36 из сплава ВТ3-1 следует считать следующие:

- кромки пера (с прилегающей поверхностью 15 % ширины лопатки), отстоящие не менее чем на 30 % длины лопатки от полочки хвостовика;

- поверхность лопатки от ее конца до линии, отстоящей на 5 % длины лопатки от плоскости антивибрационных полок;

- кромки и торцевые поверхности антивибрационных полок (с прилегающей поверхностью 15 % длины торца полки), отстоящие не менее, чем на 25 % длины торца полки, от поверхности пера лопатки.

Рис. 2. Схемы напряженно-деформированного состояния для второго варианта нагрузок в различных зонах лопатки

вентилятора Д-36 из сплава ВТ3-1

Рис. 3. Схемы напряженно-деформированного состояния для третьего варианта нагрузок

Полученные результаты согласуются с техническими требованиями и данными работ [4, 5], и показывают возможность расширения зон ремонта лопаток вентилятора Д-36 из сплава ВТ3-1.

Выводы

В результате проведенных исследований определены зоны возможного ремонта сваркой, которые больше установленных ТУ. Это позволяет говорить о расширении числа допустимых к ремонту дефектных лопаток. Дальнейшие исследования, направленные на приближение механических характеристик швов к механическим характеристикам основного металла, могут обосновать повышение значения коэффициента что с учетом расширения полей допустимых напряжений позволило бы расширить зоны возможного ремонта сваркой.

Список литературы

1. Гуревич С.М. Металлургия и технология сварки титана и его сплавов / С.М. Гуревич, В.Н. Замков и др....К.: Наукова думка, 1986. - 240 с.

2. Петрик И.Г., Овчинников А.В., Шевченко В.Г. Перспективные технологии сварки сложных изделий из двухфазных титановых сплавов / Строительство, материаловедение, машиностроение // Сб. научн. трудов, Вып. 36, Ч.3. -

Дн-ск, ПГАСА, 2006. - С. 24-32.

3. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975. - 541 с.

4. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. Пособие / Под общей ред. В.В. Пана-сюка. - В 4-х т.-К.: Наукова думка, 1988-1990.

5. Петрик И.А. Ремонт узлов и деталей из титанового сплава ВТЗ-1 с применением сварки / / Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудуваннк - Зб. наук. праць ЗНТУ. -Запорiжжя: ЗНТУ, 2001. - №2. - С. 75-78.

Поступила в редакцию 12.06.2006 г.

Розглянуто питання, пов'язан1 з пол1пшенням технологи ремонту методами зварю-вання лопаток вентилятора Д-36 3i сплаву ВТ3-1. Створено твердот1льну модель лопатки. Розрахунковим шляхом отримано розподiли полiв напружень, що виникають пд дieю екстремальних експлуатацйних навантажень. В результат i проведених досл'джень встановлено зони можливого ремонту лопатки.

The problems, bound with improving technique of repair of a ventilator blade of Д-36 from an alloy BT3-1 by welding have been surveyed. The solid model of a blade have been designed. Distributions of stress fields, originating from an action of extreme operation loads, have been established by calculations. As a result of the researches the zones of possible repair of a blade have been established.

—Отй 9яшВестникяИвигателестроенияя1 4/mD06

- 107 -