СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ТРЕЩИНЫ В ДИСКАХ АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ
DIAGNOSTICS OF CRACK FORMATION AND DEVELOPMENT IN AIRCRAFT GAS TURBINE DISCS AT CYCLIC LOAD

Изобретение относится к области диагностирования технического состояния газотурбинных двигателей и может быть использовано для обеспечения безопасной эксплуатации двигателей на летательных аппаратах.
Известны случаи разрушения дисков роторов авиационных газотурбинных двигателей от малоцикловой усталости при циклической нагрузке, возникающей при выходе двигателя на максимальные рабочие обороты. Малоцикловая усталость часто определяет ресурс двигателя в связи с многократным повторением циклов выхода на рабочие режимы и останова (см., например, И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М., Наука, 1986, с. 102).
Несмотря на то, что процесс развития трещины от момента ее зарождения до разрушения диска из-за больших промежутков времени между циклами нагружения длительный, однако наличие трещины в настоящее время можно определить только на разобранном двигателе, что связано с большими затратами материальных и трудовых ресурсов и времени. Из-за этого иногда не удается предотвратить разрушение диска и, как следствие, летательного аппарата.
Поэтому разработка эффективного способа диагностирования развития трещины от малоцикловой усталости в дисках при циклической работе газотурбинного двигателя, установленного на летательном аппарате или на испытательном стенде, чрезвычайно актуальна.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ диагностирования возникновения трещины в диске от малоцикловой усталости при циклической нагрузке по изменению вибросостояния двигателя (см., например, И.Н. Долгополов и др., Формирование перечня мероприятий по исследованиям и испытаниям диска турбины высокого давления с целью внедрения диагностики его технического состояния. Отчет о научно-исследовательской работе, М., ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», 2013). Однако из-за ничтожно малого изменения инерционно-массовых свойств ротора двигателя при возникновении трещины в диске изменение виброхарактеристики двигателя очень незначительно и выявить информативный вибродиагностический признак практически невозможно даже при испытании двигателя на стенде.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание способа диагностики образования и развития трещины в диске по импульсу энергии, выделяемой при образовании и ступенчатом развитии трещины, проявляющемуся в виде кратковременного колебания, фиксируемого на корпусе двигателя датчиком линейного перемещения (см., например, Вибрации в технике, Справочник, М., Машиностроение, 1981, т. 5, с. 135).
Поставленная задача достигается за счет того, что при выходе на рабочие режимы в рабочем цикле двигателя пропорционально квадрату оборотов ротора увеличиваются напряжения растяжения в диске и накапливается энергия. Так как во всяком металле и детали имеются несплошности и нарушения микроструктуры, а также концентраторы напряжений и др. предпосылки для зарождения трещин (см., например, И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич, Расчет на прочность деталей машин, Справочник, М., Машиностроение, 1979, с. 29), то когда в таких местах напряжения достигают предела упругости, там возникают микротрещины. Эти микротрещины, развиваясь и соединяясь под действием циклической нагрузки, с наработкой сливаются воедино и образуют магистральную трещину, которая при циклическом нагружении диска развивается ступенчато (см., например, И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М., Наука, 1986, с. 13, рис. 1.7). Так как время образования очередной ступеньки в трещине составляет лишь несколько микросекунд (см., например, В.З. Партон, В.Г. Борисковский, Динамика хрупкого разрушения, М., Машиностроение, 1988, с. 153), то ступенчатое развитие трещины сопровождается практически мгновенным высвобождением значительной накопленной энергии и кратковременным колебанием ротора, через опоры ротора передаваемым на корпус.
Можно рассчитать величину высвобождаемой при развитии трещины энергии, отнесенной к единице времени, по формуле:
W=F·V, где
F - сила, действующая в плоскости диска и вызывающая развитие трещины.
F=t·l·σb, где
t - ширина очередной «ступеньки» развивающейся трещины;
l - длина вновь образовавшейся «ступеньки»;
σb - предел прочности материала диска;
V - скорость развития трещины.
Этот сопровождаемый колебанием корпуса двигателя всплеск энергии при выходе оборотов ротора на максимальный рабочий режим может быть использован как диагностический признак образования и развития трещины, который можно зафиксировать датчиком линейного перемещения, установленным на корпусе двигателя.
Импульс энергии, высвобождаемой при возникновении и развитии трещины в диске, вызывает собственные быстро затухающие колебания массы ротора на опорах, которые в реальном двигателе имеют упругость, а также способность к рассеянию и поглощению энергии колебаний ротора.
Частоту собственных колебаний можно определить расчетным путем (см., например, И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич, Расчет на прочность деталей машин, Справочник, М, Машиностроение, 1979, с. 418). В зависимости от типа применяемой виброаппаратуры будут зарегистрированы при выходе двигателя на максимальные рабочие обороты (момент возникновения и развития трещины от малоцикловой усталости) или быстро затухающие колебания с собственной частотой, или кратковременное повышение уровня вибрации.
Способ реализуется следующим образом. На корпусе двигателя с диском, не имеющем трещины, всплеск высвобождаемой энергии при выходе двигателя на максимальный рабочий режим отсутствует, т.к. нет развития трещины. Поэтому импульсный сигнал с датчика линейного перемещения, установленного на корпусе двигателя, также отсутствует. При образовании и ступенчатом развитии магистральной трещины в диске при циклическом выходе двигателя на максимальный рабочий режим датчик линейного перемещения выдаст соответствующий сигнал, который является диагностическим признаком наличия трещины в диске. Так как процесс развития трещины от зарождения до разрушения диска относительно длительный (см., например, Н.В. Туманов и др., Исследование развития трещин малоцикловой усталости при сложных циклах нагружения применительно к диску турбины высокого давления. Отчет о научно-исследовательской работе, М., ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», 2013), то можно экспериментально-расчетным путем установить необходимую периодичность диагностирования и приурочить, например, к работам по техническому обслуживанию двигателя или летательного аппарата. Можно также использовать этот способ для диагностирования состояния диска при стендовых испытаниях двигателя.
При продолжении эксплуатации двигателя с диском с уже образовавшейся трещиной, трещина развивается вглубь и в длину, в результате чего импульс высвобождаемой при этом энергии тоже увеличивается. Соответственно увеличивается и сигнал с датчика. Величина сигнала является диагностическим признаком степени поврежденности диска.
Новым в изобретении является то, что в качестве диагностического признака используется сигнал с датчика перемещений, связанный с импульсом энергии, выделяемой при возникновении и развитии трещины в диске при циклическом нагружении.
Для выявления связи между развитием трещины и циклами выхода двигателя на рабочие обороты (полетные циклы), а также между развитием трещины и импульсным сигналом с датчика перемещений могут быть использованы экспериментальные исследования диска с уже выявленной трещиной на разгонном стенде, имитирующем выходы диска на рабочие режимы.