Исследование причин разрушений лопаток компрессора двигателя тв2-117а

УДК 629.735.017.1.084

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН РАЗРУШЕНИЙ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ДВИГАТЕЛЯ ТВ2-117А

Г.Г. БЕЛОУСОВ, Е.В. КОРОБКОВА

Статья представлена доктором технических наук, профессором Никоновым В.В.

Описаны основные результаты анализа причины разрушений лопаток ВНА в условиях эксплуатации.

Ключевые слова: высокочастотные колебания, разрушение лопаток ВНА.

Лопатки компрессоров авиационных ГТД относятся к наиболее нагруженным деталям. Как показывает опыт, нередко в эксплуатации наблюдаются их поломки, связанные с высокочастотными колебаниями. Особенно часто с такими поломками сталкиваются на двигателях, имеющих большую наработку (свыше 8000 - 10000 ч) и количество ремонтов.

Нередки усталостные разрушения лопаток по высокочастотным формам колебаний и при меньших наработках. При этом длительное время не удается выявить причины появления опасных резонансных колебаний.

Типичный пример - лопатки ВНА двигателя ТВ2-117, на которых выявлены разрушения (рис. 1).

В этой работе подробно описываются результаты проведенных исследований по определению причин поломок указанных лопаток и их основные версии. К отличительным особенностям лопаток следует отнести их конструкцию и технологию изготовления. Лопатка ВНА двигателя ТВ-117 полая, паяная, с дефлектором сложной конфигурации и двусторонним креплением пера с помощью цилиндрических цапф, причем одна из них выполнена полой для подачи горячего воздуха из противооблединительной системы (рис. 2).

Типичный характер поломки - отсутствие со стороны входной кромки участка корыта пера размерами ~ 24 х 15 мм на расстоянии 10 мм от верхнего хвостовика (цапфы). При этом на входной кромке визуально наблюдается трещина от места вырыва к внутренней цапфе длиной около 32 мм.

При таком разрушении наблюдаются многочисленные повреждения различной степени других лопаток по Х ступень компрессора.

Результаты исследований

Исследование лопаток ВНА 7914.3250 проводилось по методике, предусматривающей выполнение следующих работ:

- оценка технического состояния деталей при поступлении на исследование;

- препарирование разрушенной лопатки и ее геометрические измерения;

- анализ изломов пера разрушенной лопатки с применением бинокулярного микроскопа МБС-2 и электронного сканирующего микроскопа фирмы Карл Цейсс;

- комплекс металлофизических исследований разрушенной лопатки (металлографический и спектральный анализы материала, измерение его твердости);

- трассологический анализ забоины на поврежденной лопатке и спектральный анализ ее материала с целью выявления намазывания материала постороннего предмета, нанесшего повреждение;

- анализ статистических материалов по аналогичным случаям разрушений лопаток ВНА двигателей ТВ2-117;

- обобщение результатов, формирование заключения.

Разрушенная лопатка ВНА 7914.3250 со стороны корыта в состоянии поступления на исследование показана на рис. 1. У лопатки отсутствует фрагмент стенки корыта размером 24х15 мм со стороны входной кромки. Вдоль входной кромки визуально наблюдается трещина длиной около 67 мм. От места вырыва к нижней цапфе ее длина составляет около 32 мм, к верхней цапфе - около 6 мм.

а б

Рис. 1. Вид разрушенной лопатки ВНА: а - со стороны корыта, б - со стороны входной кромки в состоянии поступления на исследование

На концах продольной трещины у верхнего и нижнего хвостовиков наблюдается ветвление трещины с образованием еще нескольких небольших трещин.

У выходной кромки в зоне точечной сварки стенок корыта и спинки лопатки имеются следы утяжки материала в результате реализации пластической деформации.

Для изучения характера изломов имеющихся трещин и оценки состояния внутренних поверхностей лопатки последняя была препарирована.

При этом установлено, что у лопатки имеется разрушение внутреннего дефлектора по границе его припайки к стенке корыта (рис. 2), а у выходной кромки в зоне точечной сварки корыта и спинки наблюдаются несквозные трещины.

Анализ изломов по вскрытым трещинам с использованием бинокулярного микроскопа МБС-2 показал, что все трещины носят усталостный характер. На входной кромке усталостная

трещина распространялась по всей ее длине от рассредоточенных очагов, расположенных на внутренней поверхности по границе сгиба стенки лопатки. Первоначальное развитие усталостной трещины происходило в средней части входной кромки пера, где поверхность излома имеет наименьшую шероховатость и практически отсутствует зона долома (рис. 3,4).

Изломы разрушения дефлектора также усталостные с расположением очагов по границе припайки со стенкой корыта лопатки (рис. 3, 4). При этом зона долома усталостной трещины, располагающейся ближе к входной кромке, составляет примерно У часть поперечного сечения листа дефлектора, а долом трещины, располагающейся ближе к выходной кромке, составляет примерно Уз поперечного сечения листа дефлектора.

На выходной кромке лопатки по границе точечной сварки между стенкой спинки и корыта имеются несквозные усталостные трещины (рис. 5), вскрывшиеся при препарировании лопатки.

Таким образом, по величинам реализовавшихся в усталостных изломах доломов можно выстроить последовательность развития разрушений (рис. 3,4). Первоначально при минимальных напряжениях возникла и развивалась трещина вдоль входной кромки, имеющая наименьшую зону долома. В результате ее развития напряжения, действующие, в частности, на паяный шов дефлектора и стенки корыта, возросли, что привело к последовательному зарождению и развитию усталостных разрушений по границе пайки сначала со стороны входной кромки, а потом со стороны выходной кромки. На последнем этапе происходило зарождение и развитие усталостных трещин по границе сварки в зоне выходной кромки.

Поперечные трещины в стенке корыта образованы в результате развития усталостного разрушения с наружной и внутренней поверхностей (рис. 6). Исходя из правила распространения Т-образных трещин, обе поперечные трещины являются вторичными, то есть образовались после развития продольной трещины вдоль входной кромки лопатки. Вероятно, такого рода усталостные разрушения возникли в результате высоко или низкочастотных резонансных колебаний по крутильным формам, которые могли привести к образованию больших дополнительных динамических напряжений в лопатке и последующему развитию поперечных трещин на входной кромке.

Рис. 2. Общий вид внутренней поверхности лопатки ВНА после ее препарирования

ДЛЯОЧ

Рис. 3. Вид изломов с указанием размеров зон доломов, отражающих последовательность усталостного зарождения и разрушения лопатки (показаны стрелками): а - излом по магистральной трещине; б - излом в зоне пайки со стороны входной кромки

Рис. 4. Вид излома в зоне пайки со стороны выходной кромки с указанием размеров зоны до-лома, отражающие последовательность усталостного зарождения и разрушения лопатки

Рис. 5. Вид вскрытых усталостных трещин в зоне точечной сварки на выходной кромке

б

Рис. 6. Вид изломов с двусторонней усталостью поперечных: а - верхней, б - нижней трещин

Было выполнено фрактографическое исследование излома основной (продольной) трещины с использованием сканирующего электронного микроскопа фирмы Карл Цейсс, которое показало следующее. Зарождение трещины, расположенной вдоль передней кромки лопатки, происходило с внутренней поверхности от множества очагов (рис. 7). Поверхность излома сильно затерта в результате контактного взаимодействия ответных частей изломов в процессе распространения трещины. Однако в некоторых зонах удалось выявить строчечный рельеф (рис. 8), характерный для многоциклового усталостного разрушения материала под действием низкоамплитудных нагрузок.

Металлографический анализ проводился по шлифам, изготовленным вдоль поверхности спинки и поперек входной кромки лопатки, на оптическом световом микроскопе НЕОФОТ-30. Установлено, что структура стенки лопатки удовлетворительная и представляет собой зерна аустенита и карбиды (рис. 9).

На входной кромке лопатки имеются эрозионные повреждения материала в результате механического воздействия на поверхность эксплуатационных загрязнений (рис. 10).

Временное сопротивление разрыву материала лопатки в пересчете с измерения его твердости составляет ов = 70 кг/мм2, что соответствует требованиям ТУ (по ТУ ов > 66 кг/мм2).

Полуколичественным спектральным анализом образца из лопатки ВНА двигателя ТВ2-117А №С93311049 установлено, что по составу и количеству основных легирующих элементов (железа (основа), хрома, марганца, титана и кремния) материал образца относится к стали типа Х18Н10Т, заданной чертежом на изготовление (табл. 1).

Таблица 1

№ образца/марка материала Бе Сг N1 Мп Ті Бі

Лопатка Основа 18 9 1 0,5 <0,8

Х18Н10Т Основа 17,0.19,0 9,0.11,0 <2,0 0,1. 0,7 <0,8

Х18Н9Т Основа 17,0.19,0 8,0...9,5 <2,0 ,7 0, 0, <0,8

Г еометрические измерения показали, что толщина стенки лопатки по входной кромке (в сечении продольной трещины усталости) составляет 0,41.. .0,43 мм, что ниже допускаемой по ТУ чертежа величины. Согласно требованиям чертежа допускается утонение толщины стенки лопатки после полировки до размера 0,45 мм на расстоянии 2 мм от входной кромки. Выявленное утонение стенки по входной кромке до 0,41.0,43 мм обусловлено эрозионным износом материала в процессе эксплуатации. Толщина стенки лопатки со стороны корыта и спинки на удалении от входной кромки составляет 0,56 мм, что удовлетворяет требованиям ТУ чертежа (по ТУ 0,55.0,6 мм).

Как отмечалось выше, во внутренней части лопатки в зоне припайки корыта к дефлектору имеется усталостное разрушение (рис. 2). Протяженность зоны разрушения вдоль оси лопатки составляет 12 мм. Площадь зоны припайки составляет не менее 24 мм , что удовлетворяет требованиям извещения №579-14970, согласно которому площадь припайки должна составлять не менее 20 мм . При этом у второй лопатки с этого же двигателя и у нескольких лопаток с двигателя ТВ2-117АГ №С93311164, исследовавшимися в ГосЦентре безопасности полетов, ранее в связи с разрушением рабочей лопатки I ступени компрессора, протяженность зоны пайки дефлектора с оболочкой вдоль оси пера составляет 35.40 мм.

Рис. 7. Общий вид излома лопатки по входной кромке

Рис. 8. Фрагмент излома при разном увеличении с рельефом типа строчечности

Рис. 9. Структура материала лопатки - зерна аустенита и карбиды

‘ V

Рис. 10. Эрозионные повреждения (показаны стрелками) на входной кромке лопатки

Вторая лопатка ВНА 7914.3250 имеет глубокую забоину у выходной кромки с вмятиной на спинке и с выпучиванием материала на корыте (рис. 11). Забоина с вмятиной имеет длину 24 мм и ширину около 1 мм, что соответствует размерам отсутствующего фрагмента разрушенной лопатки ВНА, описанной выше.

Рис. 11. Вид глубокой забоины на спинке лопатки ВНА

Для выявления следов намазывания постороннего материала предмета, нанесшего забоину, были выполнены полуколичественные спектральные анализы с поверхности спинки лопатки в зоне забоины, вне забоины и по основному материалу. Сравнение полученных результатов не показало наличия на поверхности спинки лопатки в зоне забоины элементов, не входящих в состав материала лопатки. Это указывает, что забоина нанесена предметом, изготовленным из того же материала, что и лопатка.

Таким образом, по геометрическим параметрам отпечатка и отсутствию следов намазывания в забоине постороннего материала забоина на лопатке ВНА нанесена фрагментом разрушенной лопатки ВНА.

Случаи разрушений и образований трещин на лопатках ВНА двигателей ТВ2-117А ранее исследовались неоднократно (№80.106-7258 от 10.10.1984г., №80.106-2791 от 28.03.1985г., №80.103-9704 от 22.10.1987г., №6792-АТ/103 от 07.07.1989г., №8638-АТ/103 от 07.07.2003г., №9268-АТ/103 от 21.04.2008г.). Как показали результаты исследований, первоначально происходит образование усталостной трещины вдоль входной кромки лопатки ВНА. Очаги зарождения усталостной трещины вдоль входной кромки во всех случаях были расположены на внутренней поверхности стенки в зоне сгиба, при этом толщина стенки лопатки в зоне разрушения была либо минимально допустимой по ТУ, либо меньше минимально допустимой в результате эрозионного износа материала. Изломы разрушенных лопаток имели многоцикловый усталостный характер, соответствующий длительному циклическому воздействию низкоамплитудной растягивающей нагрузки. Возникновение на сгибе стенки лопатки с внутренней стороны низкоамплитудной растягивающей нагрузки очевидно обусловлено воздействием пульсаций давления воздуха в ее внутренней полости, подаваемого из-за компрессора на обогрев ВНА. В заключениях отмечалось, что с увеличением износа рабочих лопаток компрессора возможно увеличение пульсаций давления воздуха, подаваемого на обогрев ВНА. Предприятию-разработчику (ФГУП «Завод им. В. Я. Климова») неоднократно было рекомендовано провести тензометрирование изношенных рабочих и направляющих лопаток ВНА на двигателях.

В 2008 году в Г осЦентре безопасности полетов исследовалось аналогичное разрушение лопатки ВНА двигателя ТВ2-117АГ №С97401123, наработавшего с начала эксплуатации 8107 ч (в том числе 970 ч после последнего ремонта). В результате проведенного исследования было установлено, что образование усталостной трещины вдоль входной кромки при толщине стенки меньше минимальной по ТУ обусловлено возбуждением вибрации стенки под воздействием пульсации давления воздуха во внутренней полости лопатки, подаваемого из-за компрессора на обогрев ВНА (заключение №9268-АТ/103 от 21.04.2008г.). При этом пропайка дефлектора с оболочкой лопатки на этой лопатке вообще отсутствовала.

Таким образом, в результате проведенного исследования установлено, что разрушение лопатки ВНА произошло в результате слияния первоначально образовавшейся продольной трещины вдоль входной кромки и двух поперечных, вторично образовавшихся трещин. Кроме этого, у лопатки во внутренней полости имеется разрушение дефлектора по границе припайки к корыту и образование усталостных трещин по границе сварки стенок корыта и спинки на выходной кромке. Первоначальная продольная трещина имеет многоцикловый усталостный характер с очагами, расположенными на внутренней поверхности стенки вдоль линии сгиба. Входная кромка лопатки имеет утонение материала в результате эрозионного износа материала до 0,41... 0,43 мм (по ТУ не менее

0,45 мм). Зарождение и развитие продольной усталостной трещины по входной кромке лопатки обусловлено воздействием на зону сгиба стенки лопатки с внутренней стороны низкоамплитудной растягивающей нагрузки в результате пульсаций давления воздуха в ее внутренней полости, подаваемого из-за компрессора на обогрев ВНА. Развитие продольной трещины по входной кромке лопатки ВНА привело к повышению растягивающих нагрузок в зоне припайки дефлектора к стенке корыта и возникновению усталостных трещин и разрушению по границе пайки.

Как отмечалось выше, согласно извещению №579-14970 площадь припайки стенки корыта к дефлектору должна составлять не менее 20 мм2. Бюллетенем С79-1312БР-Г (В) в 2006 г. при ремонте двигателей введен рентгенографический контроль лопаток ВНА на пропай оболочки с дефлектором. Площадь участка зоны припайки у исследуемой лопатки составляет не менее 24 мм2, тем не менее, разрушение на ней произошло при наработке 10701 ч с начала эксплуатации. В связи с этим, указанное мероприятие является недостаточно эффективным при наработках свыше 10000 ч.

Повреждение на второй лопатке ВНА, судя по геометрическим параметрам отпечатка и по отсутствию следов намазывания в забоине постороннего материала, нанесено фрагментом разрушенной лопатки ВНА.

Выводы

1. По одной из принятой, но не подтвержденной версии, разрушение лопатки ВНА обусловлено первоначальным образованием многоочаговой усталостной трещины по границе сгиба стенки лопатки с внутренней стороны в результате воздействия в этой зоне низкоамплитудной растягивающей нагрузки от пульсации воздуха во внутренней полости лопатки. Дефект повторяющийся.

2. Предложенная версия вызывает сомнения по следующим причинам:

- описанный характер усталостных разрушений связан, как правило, с высокочастотными (а не с низкочастотными) колебаниями по сложным формам. Чаще всего такими потенциально опасными являются 2, 3 и 4 крутильные формы. Это следует из анализа спектров собственных форм и частот колебаний лопаток [1, 2, 3];

- возбуждающие нагрузки от пульсаций воздуха ортогональны этим формам колебаний и не могут вызвать резонансные колебания;

- кроме того, слишком мал их уровень для возбуждения резонансов;

- частоты указанных собственных форм колебаний лопатки лежат от 5000 Гц. При этом частота 1 -й изгибной формы составляет около 1000 Г ц;

- предварительные оценки показывают, что частоты возбуждения этих форм колебаний совпадают с гармоникой возбуждения от рабочих лопаток первой ступени компрессора.

3. Предварительный анализ максимумов напряжений при колебаниях по указанным формам показал, что их расположение соответствует местам образования поперечных трещин, являющихся магистральными на первом этапе. Трещины вдоль кромки являются вторичными.

4. Для выявления причин отмеченных поломок необходимо проведение тензометрирования лопаток, определение спектров собственных форм и частот их колебаний с выявлением потенциально опасных, определение распределений направлений роста трещин и воспроизведение поломок лопаток в лабораторных условиях при двухопорном закреплении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов В. П. Колебания рабочих колес турбомашин. - М.: Машиностроение, 1983.

2. Комов А. А., Белоусов Г. Г. Основные закономерности повреждения лопаток компрессоров авиационных ГТД посторонними предметами. Отчет ГОСНИИ ГА. - №629.735.03. - М., 2008.

3. Коробкова Е. В. Заключение №9377-АТ/103. Исследование лопаток ВНА 7914.3250 двигателя ТВ2-117А №С93311049 Ми-8Т (П) Ra-25166. ГосЦентр безопасности полетов, 2009.

THE RESEARCH OF THE REASONS OF EXDUCER BLADES DAMAGES OF AN AVIATION ENGINE TV2-117A

Belousov G.G., Korobkova E. V.

The reasons of inefficient protection of an aviation engine TV2-117A from exducer blades damages were considered but were not studied in corpore.

Key words: inefficient protection, aviation engine TV2-117A.

Сведения об авторах

Белоусов Григорий Геннадьевич, 1947 г.р., окончил МАТИ (1975), кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 70 научных работ, область научных интересов - сопротивление усталости лопаток компрессоров с повреждениями, оптиковизуальные методы контроля проточной части и ремонт авиадвигателей в условиях эксплуатации.

Коробкова Екатерина Валерьевна, студентка 5 курса МГТУ ГА, область научных интересов - колебания и прочность лопаток авиадвигателей, диагностика.