Способ определения сопротивления усталости лопаток газотурбинного двигателя

 

Использование: определение дальнейшего ресурса лопаток, работавших на двигателе. Цель: повышение производительности путем исключения необходимости контроля всего комплекта лопаток. Сущность изобретения: из пера одной из комплекта наработанных лопаток вырезают образец, выполняют на нем косой шлиф и определяют изменение микротвердости его поверхностного слоя по длине, при этом определение изменения микротвердости поверхностного слоя материала лопаток и образца осуществляют относительно микротвердости срединного слоя лопаток, по которому определяют выносливость всего комплекта лопаток. Положительный эффект: быстрое и нетрудоемкое определение предела выносливости комплекта лопаток, работавших на двигателе, для их дальнейшего безопасного использования на двигателе. 3 ил.

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материала, преимущественно для определения предела выносливости материала лопаток ГТД.

Известен способ оценки усталостной прочности материала, по которому об усталостной прочности судят по изменению твердости материала образцов, измеренной после разных термических обработок. Способ предназначен для оценки усталостной прочности алюминиевых сплавов с нестабильной структурой и основан на измерении твердости материала образца в целом. Микротвердость поверхностного слоя, степень его упрочнения или разупрочнения с целью последующей оценки усталостной прочности по этому способу не определяется.

Наиболее близким к предлагаемому способу определения сопротивления усталости лопаток ГТД является способ, заключающийся в том, что из пера лопаток с различной наработкой на двигателе, на участке, наиболее напряженном в процессе работы, вырезают образец, по длине косого шлифа которого с интервалом 0,04 мм замеряют микротвердость. По результатам замера определяют наличие и глубину наклепанного слоя. Изменения микротвердости материала сердцевины лопаток в процессе эксплуатации обнаружено не было.

Цель изобретения - повышение производительности путем исключения необходимости контроля всего комплекта лопаток.

Указанная цель достигается тем, что из пера одной из комплекта наработанных лопаток вырезают образец, выполняют на нем косой шлиф и определяют изменение микротвердости его поверхностного слоя по длине, согласно изобретению определение изменения микротвердости поверхностного слоя материала лопаток и образца осуществляют относительно микротвердости срединного слоя лопаток, по которому определяют выносливость всего комплекта лопаток.

На фиг. 1 изображена проверяемая лопатка; на фиг. 2 - образец для испытания на микротвердость; на фиг. 3 - график зависимости изменения предела выносливости от изменения микротвердости поверхностного слоя материала.

Способ определения сопротивления усталости лопаток ГТД заключается в том, что предварительно строят тарировочный график зависимости изменения предела усталости материала лопаток от изменения микротвердости поверхностного слоя относительно микротвердости сердцевины лопаток. Для этого из пера лопаток, работавших различное время на ГТД, вырезают стандартные образцы. Затем по длине косого шлифа этих образцов через определенный интервал измеряют микротвердость материала, начиная с поверхностного слоя. По результатам замеров определяют относительную разность микротвердости δH_μ = = , где H_μпов - микротвердость поверхностного слоя; H_μсердц - микротвердость сердцевины.

Для материала этих же лопаток определяют предел выносливости σ_-1 и относительную разность предела выносливости относительно предела выносливости материала новых лопаток δσ_-1= = , где σ_{-1 нов} - предел выносливости материала новых лопаток; σ_{-1 раб} - предел выносливости материала работавших на двигателе лопаток.

По этим данным и строят график зависимости δσ_-1= f( δH_μ).

Из комплекта лопаток, работавших на двигателе, выбирают какую-либо одну лопатку 1. Из пера этой лопатки в наиболее напряженной при работе двигателя зоне (обычно в нижней части пера лопатки) вырезают стандартный образец 2 вблизи кромки или непосредственно из нее. На образце выполняют косой шлиф (фиг. 2), по длине которого через определенный интервал Δl измеряют микротвердость материала. Затем определяют относительную микротвердость поверхностного слоя δH_μ и по графику фиг. 3 находят относительное изменение предела выносливости материала лопатки δσ_-1, по которому судят о вибропрочности всего комплекта лопаток и его дальнейшей работоспособности (ресурса). Если в комплекте рабочего колеса установлены лопатки, изготовленные из материала двух плавок, то выбирают по одной лопатке от каждой плавки.

П р и м е р. Для доказательства достижения положительного эффекта были выполнены следующие работы. Для рабочих лопаток турбины авиационного ГТД, изготовленных из жаропрочного деформируемого сплава ЭИ-437БВД, был определен предел выносливости и замерена микротвердость поверхностного слоя и сердцевины. Для этого были взяты партии лопаток (в каждой партии до 25. . . 30 штук) с двигателей, отработавших в эксплуатации 500, 1000, 1500 и 3000 ч, а также партию новых лопаток, не работавших на двигателе. Предел выносливости для лопаток каждой партии определялся на базе испытания 20˙ 10⁶ циклов при комнатной температуре. Испытания проводились на электродинамических вибростендах при колебаниях лопаток по основному тону (по первой изгибной форме).

На двух-трех лопатках от каждой партии была определена степень разупрочнения поверхностного слоя материала лопаток. В качестве критерия оценки разупрочнения поверхностного слоя лопаток принималось обычно используемое изменение микротвердости поверхностного слоя лопатки относительно микротвердости сердцевины (относительная разность соответствующих микротвердостей) по формуле δH_μ = = .

Для измерения величины микротвердости из пера лопаток 1 в зоне хвостовика, т. е. в зоне действия максимальных динамических и статических нагрузок в процессе работы на двигателе, где происходили поломки при усталостных испытаниях на электродинамических вибростендах, вырезали образец 2 стандартных размеров 10х5 мм и на косом шлифе с помощью прибора ПМТ-3, при нагрузке 50 г, определяли микротвердость по глубине лопатки. Чтобы свести к минимуму влияние вырезки на качество измерения микротвердости образцы вырезали электроискровым методом.

Результаты определения пределов выносливости и степени разупрочнения поверхностного слоя лопаток исследуемых партий приведены в таблице.

По данным из таблицы построен график на фиг. 3. Из таблицы и графика видно, что предел выносливости материала лопаток изменяется прямо пропорционально степени разупрочнения поверхностного слоя. Все результаты удовлетворительно аппроксимируются прямой линией на графике фиг. 3 (для лопаток из материала разных плавок и разного времени изготовления). Например, снижение микротвердости поверхностного слоя лопатки по сравнению с микротвердостью сердцевины на 10% (на 0,1) приводит к снижению предела выносливости материала лопатки также на 10% .

Пользуясь таким предварительно построенным графиком, можно по величине разупрочнения поверхностного слоя лопаток, работавших на двигателе, определить величину снижения предела выносливости материала лопаток, без проведения длительного цикла усталостных испытаний этих лопаток.

Применение предлагаемого способа в условиях серийного производства и эксплуатации позволит быстро и дешево определить предел выносливости материала лопаток, работавших на двигателе и на основании этого оценить дальнейший ресурс этих лопаток. (56) Спорягина Н. М. и др. Влияние длительности эксплуатации на состояние лопаток ротора турбины двигателей АИ-20 и РД-3М.

Журнал "Авиационная промышленность" N 4, 1963, с. 12-15.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, заключающийся в том, что из пера одной из комплекта наработанных лопаток вырезают образец, выполняют на нем косой шлиф и определяют изменение микротвердости его поверхностного слоя по длине, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности путем исключения необходимости контроля всего комплекта лопаток, определение изменения микротвердости поверхностного слоя материала лопаток и образца осуществляют относительно микротвердости срединного слоя лопаток, по которому определяют выносливость всего комплекта лопаток.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5