Продление ресурса лопаток газотурбинных двигателей упрочняющей обработкой

УДК 621.892

ПРОДЛЕНИЕ РЕСУРСА ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ

ОБРАБОТКОЙ

Н.Б. Кротинов

Изучены причины выхода из строя лопаток газотурбинных двигателей, рассмотрена технология их восстановления. Акцент сделан на способах поверхностной упрочняющей обработки и их положительном влиянии на продление ресурса. Приведены результаты натурных испытаний лопаток турбин высокого и низкого давлений газоперекачивающего агрегата ГТК10-4, отмечено значительное продление их ресурса за счёт термопластического упрочнения.

Ключевые слова: лопатки газотурбинных двигателей, термопластическое упрочнение, ультразвуковое упрочнение шариками, усталостная прочность.

Лопатки газотурбинных двигателей представляют собой детали сложной геометрии, назначение которых передавать давление сгораемых газов на вал ротора. В процессе эксплуатации они претерпевают широкую гамму внешних воздействий: высокие и нестабильные температуры, статические и динамические нагрузки, бомбардирование поверхности абразивными частицами и др. Всё это неизбежно влечет за собой интенсивный износ и короткий, по сравнению с другими деталями, ресурс. Увеличение ресурса лопаток, имеющих высокую себестоимость изготовления, чрезвычайно актуально и даёт весьма ощутимый экономический эффект.

Поддержание жизненного цикла лопаток осуществляется проведением планового ремонта, включающего в себя их внешний осмотр, отбраковку при наличии трещин, зачистку и заплавку сколов и вмятин, подварку пластин на торце пера, отжиг, полирование и поверхностное упрочнение.

Поверхностное упрочнение позволяет увеличить сопротивляемость лопаток циклическим напряжениям, приводящим к возникновению и развитию усталостных трещин.

Одним из объяснений благотворного влияния поверхностного упрочнения на усталостную прочность является создание в теле остаточных напряжений, перераспределяющих напряжения от внешних сил в область сжатия, и если материал имеет предел прочности на сжатие больший, чем на растяжение, то это позволяет повысить сопротивляемость детали внешним нагрузкам. Однако с течением времени остаточные напряжения ослабевают (релаксируют), и этот процесс протекает тем быстрее, чем выше температура окружающей среды.

С целью определения ресурса были проведены натурные испытания лопаток газоперекачивающего агрегата ГТК10-4, восстановленные по ремонтной технологии, где в качестве поверхностной обработки использовалось термопластическое упрочнение (ТПУ) [1].

Для исследования с ротора были сняты 12 лопаток турбины высокого давления (ТВД) и такое же количество - с турбины низкого давления (ТНД).

Рабочие лопатки ТВД имели суммарную наработку 31157 часов: первый ремонт с использованием ТПУ был произведён при наработке 12349 ч; второй - при наработке 24535 ч; после последнего ремонта наработка составила 6622 ч.

Рабочие лопатки ТНД имели суммарную наработку 47709 часов: первый ремонт с использованием ТПУ был произведён при наработке 18738 ч; второй - при наработке 35456 ч; после последнего ремонта наработка составила 12253 ч.

При визуальном осмотре внешних повреждений и дефектов обнаружено не было.

Испытания усталостной прочности проводились ООО «СНИЦ АПИДМ» на установке и по методике, предусмотренной нормативными документами ОАО «Газпром» - «Единые технические условия на усталостные испытания лопаток газотурбинных установок» (ЕТУ) НД.631.301.0216-03-98. Схема крепления лопатки за хвостовик на испытательном стенде позволяет подвергать переменным напряжениям как перо, так и верхнюю впадину хвостовика. Лопатки испытывались при комнатной температуре (20±5°С) на резонансе низшей формы колебаний. Переменные напряжения определялись с помощью проволочных тензоре-зисторов с базой 5 мм. За критерий разрушения лопатки принималось снижение резонансной частоты на 1 %, при этом фиксировалось число циклов, которое лопатка проработала до разрушения. За предел прочности принималось напряжение, которое не приводило к разрушению после 20106 циклов.

Результаты исследований усталостной прочности лопаток ТВД представлены в табл. 1, а лопаток ТНД - в табл. 2. Из них следует, что предел выносливости лопаток ТВД, определённый по трём неразрушив-шимся лопаткам, составил 260 МПа, а лопаток ТНД - 300 МПа. Разрушались лопатки, в основном, по выходной кромке и хвостовику, реже - по входной кромке.

Более высокий предел выносливости лопаток ТНД по сравнению с ТВД объясняется разными условиями их работы: максимальная рабочая температура лопаток ТНД составляет 550°С, а лопаток ТВД - 670°С. Следовательно, остаточные напряжения сжатия, сформированные упрочняющей обработкой, будут релаксировать по-разному, приводя, в итоге, к разному пределу выносливости.

Минимально допустимое значение предела выносливости лопаток ТВД этих агрегатов согласно ТУ составляет 240 МПа. Таким образом, после проведения ремонта и периода наработки в 6622 часов (а суммарного -в 31157 часов) усталостная прочность лопаток ТВД не только не снизи-

222

лась до предельно допустимого значения, но и находится на уровне новых лопаток со штатным упрочнением. Тот же вывод можно сделать и о лопатках ТНД.

Таблица 1

Результаты исследований усталостной прочности лопаток ТВД

№ п/п Напряжение < МПа Число циклов К-106 Место разрушения

1 360 1,46 выходная кромка

2 340 2,84 хвостовик

3 340 1,06 выходная кромка

4 320 20,0

5 320 5,92 входная кромка

6 300 10,39 выходная кромка

7 300 7,13 хвостовик

8 280 20,0 без разрушения

9 280 5,12 хвостовик

10 260 20,0 без разрушения

11 260 20,0 без разрушения

12 260 20,0 без разрушения

Таблица 2

Результаты исследований усталостной прочности лопаток ТНД

№ п/п Напряжение < МПа Число циклов К-106 Место разрушения

1 400 1,42 входная кромка

2 380 2,57 входная кромка

3 380 1,96 входная кромка

4 360 2,34 входная кромка

5 360 5,89 входная кромка

6 340 12,33 хвостовик

7 340 3,45 входная кромка

8 320 20,0 без разрушения

9 320 7,12 входная кромка

10 300 20,0 без разрушения

11 300 20,0 без разрушения

12 300 20,0 без разрушения

В качестве штатного упрочнения изготовителем лопаток ОАО «Завод турбинных лопаток» используется ультразвуковое упрочнение шариками (УЗУ), сущность которого заключается в передаче ультразвуковых колебаний на шарики, которые соударяются с деталью и пластически де-

формируют её поверхностный слой [2]. Макрогеометрию детали УЗУ не изменяет, микрогеометрию незначительно увеличивает. Его основные преимущества по сравнению с другими методами упрочнения: высокая производительность процесса, равномерное упрочнение поверхности, возможность обрабатывать детали сложной геометрии.

В качестве альтернативы УЗУ для обработки лопаток исследователями СамГТУ было предложено использовать термопластическое упрочнение (ТПУ). Механизм упрочнения при ТПУ следующий. Деталь прогревается до температуры, не превышающей фазовых и структурных переходов (точка Ас3), затем подвергается резкому душевому охлаждению. За счет разности температур поверхности и внутреннего слоя возникают термические напряжения, превышающие предел текучести, и поверхность пластически деформируется в расширенном объеме, тогда как внутренний слой еще находится в разогретом состоянии и деформациям не подвержен. Далее, постепенно остывая, сжимается внутренний (основной) слой металла, сдавливая при этом поверхность. За счет различного удельного объема наружных и внутренних слоев формируются сжимающие остаточные напряжения. ТПУ воздействует на поверхность стрессом от резкого перепада температур, схожим с закалкой, однако, в отличие от последней, структура и фаза материала не изменяются. Макро- и микрогеометрию детали, при условии соблюдения технологии, этот способ не меняет.

Производственно-техническое предприятие «Самарагазэнергоре-монт», осуществляющее восстановление работоспособности газоперекачивающего агрегата ГТК10-4, приняло в своё время решение отказаться от УЗУ лопаток в пользу ТПУ. Связано это было с высокой степенью аварийности агрегата по причине усталостных разрушений лопаток. Начиная с 2001 года все лопатки ТВД и ТНД в качестве финишной операции проходят исключительно термопластическое упрочнение. Аварийность агрегата за это время снизилась, также как и процент отбраковки лопаток по причине их усталостного разрушения. Экономический эффект исчисляется миллионами рублей.

Список литературы

1. Термопластическое упрочнение - резерв повышения прочности и надежности деталей машин: монография / Б. А. Кравченко, В.Г. Круцило, Г.Н. Гутман. Самара: Самарский ГТУ, 2000. 216 с.

2. Александров М.К., Папшева Н.Д., Акушская О.М. Ультразвуковое упрочнение деталей ГТД // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. Авиационная и ракетно-космическая техника. № 3-1(27): спец. вып. в 4 ч. Ч 1. 2011. С. 271-276.