СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДИСКОВ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
METHOD FOR RESTORING THE CYCLIC DURABILITY OF DISKS OF AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINES

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к способам восстановления циклической долговечности и увеличения ресурса диска.
Известны случаи разрушения дисков роторов авиационных газотурбинных двигателей от малоцикловой усталости (МЦУ) в результате циклической нагрузки, возникающей при выходе двигателя на максимальные рабочие обороты. Возникновению и развитию МЦУ способствуют концентраторы напряжений в виде рисок от грубой обработки поверхности диска, например, при точении от скола резца при ударе по отверстиям для подвода охлаждающего воздуха к лопаткам. Из-за МЦУ в зоне потенциального разрушения в поверхностном слое металла под ободом диска происходит накопление пластичных деформаций и ослабление упругих свойств и, как следствие, зарождение множественных развивающихся в результате многократного приложения циклической нагрузки микротрещин, являющихся концентраторами напряжений, а поверхностный слой металла в этой зоне теряет способность сопротивляться воздействию циклических нагрузок. Часто именно МЦУ определяет ресурс двигателя в связи с многократным повторением циклов выхода на рабочие режимы (см., например, И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М., Наука, 1986, с. 103).
При значительных циклических наработках дисков, однако значительно меньших подтвержденного расчетами на циклическую долговечность и испытаниями ресурса, наличие зародившихся под действием МЦУ множественных постепенно развивающихся и сливающихся микротрещин становится причиной появления магистральной трещины, приводящей к разрушению диска.
Чтобы предотвратить разрушение дисков и двигателей, приходится ограничивать ресурс дисков, когда ресурс двигателей еще не выработан. Это ведет к большим затратам, связанным с изготовлением дополнительных дисков.
Настоящее изобретение направлено на решение задачи повышения надежности, циклической долговечности и продления ресурса дисков газотурбинных двигателей.
Известны Способ диагностирования образования и развития трещины в дисках авиационного газотурбинного двигателя при циклической нагрузке, (RU №2570938) и Способ повышения эффективности диагностики дисков авиационных газотурбинных двигателей, (RU №2623856). Эти способы повышают надежность эксплуатации двигателей, но не решают задачу восстановления работоспособности и циклической долговечности дисков авиационных газотурбинных двигателей.
Для восстановления работоспособности дисков осуществляют снятие дефектного слоя с последующим полированием и упрочнением обработанной поверхности в потенциально опасной зоне диска. В результате не только устраняются множественные концентраторы напряжений, но и существенно повышаются качество поверхности и способность сопротивления образованию трещин и, как следствие, циклическая долговечность диска восстанавливается (см., например, П.И. Орлов Основы конструирования, справочно-методическое пособие, М., Машиностроение, 1988, т. 1, с. 222).
Известен Способ восстановления лопаток газотурбинных двигателей (SU 793742) при котором глубину дефектного слоя металла, подлежащего съему, определяют эмпирически, по результатам циклических испытаний восстановленных лопаток.
Недостатком указанного способа является необходимость проведения повторных испытаний на циклическую долговечность и повторных съемов металла для окончательного удаления микротрещин.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, увеличение надежности, циклической долговечности и ресурса дисков газотурбинных двигателей.
Технический результат состоит в снижении затрат на обслуживание и эксплуатацию газотурбинных двигателей за счет повышения эффективности способов диагностирования дисков и восстановления работоспособности дисков до заданного ресурса.
Поставленная задача решается тем, что предлагается способ восстановления работоспособности дисков, включающий определение глубины подлежащего удалению слоя с микротрещинами в потенциально опасной зоне диска, снятие дефектного слоя металла с множественными микротрещинами, полирование и затем упрочнение обработанной поверхности микрошариками, отличающийся тем что определение глубины подлежащего удалению слоя осуществляется на основе данных фрактографического исследования образцов, вырезанных из дисков с близкой по величине наработкой.
Используя при назначении глубины шлифования замеренное в результате фрактографического исследования образцов дисков с близкой по величине наработкой значение глубины утратившего под действием МЦУ упругие свойства слоя с микротрещинами (см., например, Е.Н. Каблов Отчет «Исследование причин разрушения в эксплуатации дисков ТВД из сплава 741НП с изделия 88 с наработкой около 1300 часов», ВИАМ, 2007) и осуществляя последующее полирование и упрочнение обработанной поверхности в потенциально опасной зоне диска не только устраняют множественные концентраторы напряжений, но и существенно повышают качество поверхности и способность сопротивления образованию трещин. Как следствие, циклическая долговечность диска восстанавливается и восстановленные диски годны для продолжения использования на двигателе.
Для обоснования и подтверждения возможности и целесообразности применения этого способа для восстановления работоспособности дисков используем свойства полигональной кривой выносливости (см., например, И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М., Наука, 1986, с.с. 95, 96).
Зависимость между напряжением и количеством циклов до разрушения:
α
m
σ⋅N=C
или
где
α
σ - напряжение в цикле нагружения;
m - показатель наклона полигональной кривой усталости, m=4…8.
N - количество циклов нагружения;
-1
σ - предел выносливости металла диска;
0
N - число циклов, соответствующее пределу выносливости.
В результате снятия дефектного слоя металла в потенциально опасной зоне под ободом диска расчетные напряжения от действия центробежных сил увеличатся, а так как диск в этой зоне может иметь концентраторы напряжений, например, риски от механической обработки, то формула (1) будет иметь вид:
где
σ
K - коэффициент концентрации напряжений;
b - толщина диска в обрабатываемой зоне;
t - глубина удаляемого слоя металла.
Снятие поверхностного слоя металла шлифованием с последующими полированием и затем упрочнением микрошариками существенно улучшает чистоту поверхности в обработанной зоне и качество поверхностного слоя металла (см., например, И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М., Наука, 1986, с. 98), что повышает предел выносливости. С учетом этого формула (2) будет иметь вид:
где
β - коэффициент влияния поверхностного слоя на выносливость металла.
Учитывая переход от диска с низким качеством чистоты поверхности к шлифованной с последующим полированием и упрочнением полированной поверхности микрошариками, можно определить интегральный коэффициент, характеризующий поверхность диска в обработанной зоне:
где
П
β=1 - коэффициент шероховатости полированной поверхности;
Т
β=0,6…0,9 - коэффициент шероховатости точеной поверхности;
УП
β=1,1…1,4 - коэффициент упрочнения поверхности.
α
0
-1
σ
Используя формулу (3), с учетом, что σ, N, σ и K неизменны, а изменяются только величины b, t и β, можно рассчитать значение циклической долговечности доработанного диска N. При этом, не требуется проводить повторные испытания обработанных дисков на циклическую долговечность.
Например, для диска турбины высокого давления газотурбинного двигателя при исходной толщине полотна диска b=15,3 мм определенная при фрактографическом исследовании диска с большой наработкой глубина зоны многоочагового зарождения трещины ≤0,17 мм. Принимая среднее значение коэффициента шероховатости поверхности диска после токарной обработки, минимальное значение коэффициента упрочнения металла в обработанной зоне и коэффициент наклона полигональной кривой m=5 определяем, что при t=0,3+0,17=0,47 мм, где ~0,3 мм - глубина рисок от режущего инструмента, гарантированная циклическая долговечность доработанного диска N может быть увеличена не менее чем в 2,5 раза по сравнению с диском с грубо обработанной поверхностью под ободом диска с рисками от точения, определяемыми визуально.
Таким образом, использование фрактографических данных позволяет определить параметры восстановления дисков, обеспечивающие их безаварийную эксплуатацию в течение назначенного ресурса и повысить эффективность обслуживания и эксплуатации газотурбинных двигателей за счет снижения затрат на диагностику и восстановление циклической долговечности дисков до заданного ресурса.