Оценка структурной повреждаемости материала лопаток турбин на основе использования модуля юнга в качестве диагностического признака тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

¿Г9

Заваркин Вадим Николаевич

ОЦЕНКА СТРУКТУРНОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МАТЕРИАЛА ЛОПАТОК ТУРБИН НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДУЛЯ ЮНГА В КАЧЕСТВЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ПРИЗНАКА

Специальности: 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры 05.02.01 - Материаловедение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск - 2005

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ Безъязычный Вячеслав Феоктистович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Букатый Станислав Алексеевич кандидат технических наук, профессор Жуков Анатолий Алексеевич

Ведущая организация: ОАО «Гаврилов-Ямский машиностроительный завод «АГАТ» (г. Гаврилов-Ям)

Защита состоится 3 2005 г. в /¿_ часов на заседании диссертаци-

онного совета ДМ 212.210.02 Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева, 152934, Ярославская область, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева

Автореферат разослан « ОЫ^/Ч? 2005 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Севрюгин Н. Н

з

ЯЯ-З^/б/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Увеличение ресурса и повышение надежности авиационных двигателей определяется не только совершенствованием качества изготовления и ремонта его основных деталей и узлов, но и, в значительной мере, комплексом методов, направленных на анализ их технического состояния. Наиболее повреждаемым узлом авиационного двигателя является турбина, а именно рабочие и сопловые лопатки, изготовленные из жаропрочных сплавов на никелевой основе. Тяжелые условия работы, связанные с воздействием на них высоких температур и переменных напряжений вызывают в материале лопаток необратимые структурные изменения, ухудшающие их эксплуатационные характеристики, приданные термической обработкой. Одним из показателей качества материала лопаток с точки зрения структуры является количество и морфология у'-фазы.

Существующий метод контроля структурного состояния материала лопаток имеет ряд недостатков. Во-первых, метод контроля является разрушающим, микроструктура изучается на шлифах. Во-вторых, метод является субъективным, состояние структуры сравнивается с фотоэталонами и зависит от опыта исследователя. В настоящее время связь структурного состояния материала лопаток турбин из жаропрочных сплавов на никелевой основе с работоспособностью изделия изучена недостаточно, поэтому научные исследования в данном направлении являются практически значимыми и актуальными. Наиболее значимым являлось бы использование в качестве структурно-чувствительного параметра такую характеристику, как модуль Юнга материала. Не вызывает сомнений, что упругая характеристика сплава относится к числу наиболее важных физико-механических показателей и входит во все расчеты на прочность, жесткость и термостойкость элементов конструкции. Характеризуя упругое поведение поликристаллического тела, модуль упругости тем самым определяет прочность междуатомных связей в кристаллической решетке, поэтому по их значениям могут бьггь оценены и другие физические величины: теплота сублимации, температура плавления, теплосодержание, среднеквадратичное отклонение атомов, частота собственных колебаний объекта, коэффициент линейного расширения и др. Поэтому научные исследования в данном направлении являются практически значимыми и актуальными.

Цель работы. Исследование возможности использования модуля Юнга в качестве диагностического признака при структурной повреждаемости материала лопаток турбин.

Для достижения поставленной цели в рамках данной научно-исследовательской работы решались следующие научно-технические задачи.

1. Анализ теплового состояния и напряженно деформированного состояния лопатки с учетом изменения упругих свойств материала.

2. Выбор экспериментального оборудования и обоснование режимов термической обработки. ГТоТ~- "ГГНТГТТ

I 1

ПсГЕр!!,рГ

3. Экспериментальное исследование влияние изменения структуры материала рабочей лопатки на модуль Юнга.

4. Проведение компьютерного моделирования теплового, напряженно-деформированного и вибрационного состояния рабочей лопатки с учетом структурного состояния материала, характеризуемого модулем Юнга.

5. Разработка технических решений и рекомендаций по совершенствованию метода контроля структурного состояния материала лопаток турбин на основе использования экспериментальных методов и методов численного моделирования.

Научная новизна работы.

1. Впервые предложено и осуществлено в качестве показателя структурной повреждаемости жаропрочных сплавов на никелевой основе использовать упругую характеристику материала - модуль Юнга.

2. Установлена зависимость между условиями термической обработки, характеризующими структурное состояние жаропрочных сплавов на никелевой основе, и модулем Юнга. Получена регрессионная зависимость для определения модуля Юнга в зависимости от температуры нагрева и времени выдержки при заданных условиях термической обработки.

3. Разработаны и предложены рекомендации по совершенствованию метода контроля состояния материала лопаток турбин, в основе которого лежит зависимость между модулем Юнга и частотой собственных колебаний, рассчитанная для различных стадий структурного повреждения.

Практическая ценность работы.

1. Разработанные в диссертационной работе теоретические и экспериментальные зависимости, позволяют проводить оценку модуля Юнга материала лопаток турбин по режимам заданной термической обработки, которые характеризуют структурное состояние сплава.

2. Экспериментально показана возможность использования модуля Юнга, в качестве диагностического признака при структурной повреждаемости материала лопаток турбин.

3. Полученные в ходе диссертационной работы теоретические и экспериментальные данные необходимы для дальнейшего исследования закономерностей, происходящих в материале лопаток турбин после термической обработки и эксплуатационных нагревов, а также для совершенствования процесса диагностики повреждаемости лопаток из жаропрочных сплавов на никелевой основе.

4. Разработанная уточненная методика контроля способствует накоплению значительного статистического материала связанного с частотными характеристиками лопаток и структурой сплава, на основании которого возможно дальнейшее развитие старых и разработка новых методов контроля и диагностики деталей из жаропрочных сплавов, где в качестве диагностического признака выступает модуль Юнга.

Полученные в ходе работы теоретические и экспериментальные материалы, аналитические зависимости и рекомендации по совершенствованию метода контроля качества материала лопаток турбин переданы на ОАО «НПО «Сатурн».

Автор защищает.

1. Уточненную методику контроля структурного состояния материала лопаток турбин, основанную на экспериментальном исследовании модуля Юнга.

2. Результаты экспериментального и компьютерного моделирования структурной повреждаемости материала лопаток турбин, реализованного в пакете прикладных программ ANSYS, где показателем повреждения выступает модуль Юнга.

Достоверность полученных результатов подтверждается.

1. Высокой степенью сходимости результатов численного моделирования с экспериментальными и производственными данными.

2. Использованием в диссертационной работе современных высокоэффективных программных продуктов ANSYS, STATISTTKA.

Апробация работы. Разработанная методика контроля, экспериментальные результаты, теоретические и графические зависимости, полученные в рамках диссертационной работы, прошли производственное опробование на ОАО «НПО «Сатурн». Отдельные результаты работы докладывались на: IV Международной научно-технической конференции «Производственные технологии и качество продукции» (г. Владимир 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (г. Рыбинск 2002 г,); Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве» (г. Рыбинск 2002 г.); XXIX Конференции молодых ученых и студентов (г. Рыбинск 2005 г.) Полностью работа докладывалась на научных семинарах кафедры «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» РГАТА им. П. А. Соловьева.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов по работе и списка использованных источников из 107 наименований. Общий объем диссертации 195 страниц, она содержит 120 рисунков, 35 таблиц и 7 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность решаемой в диссертации проблемы по оценке структурной повреждаемости материала лопаток турбин и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ литературных и статистических данных по исследованию закономерностей, происходящих в жаропрочных сплавах в процессе эксплуатации. Показано, что основным видом повреждения является изменение структуры (состояния у'-фазы) материала лопаток турбин. Ранее проведенными исследованиями лопаток установлено, что в микроструктуре под действием рабочей температуры, напряжений и времени в материале происходят изменения, связанные с увеличением и растворением упрочняющей у'-фазы жаропрочного никелевого сплава, из которого изготавливаются рабочие и сопловые лопатки турбины.

Реальные микроструктуры сплава ЖС6УВИ с недопустимым изменением материала лопаток характеризуются интенсивной коагуляцией частичной или полной растворимостью первичной у'-фазы. Характерная микроструктура лопатки из сплава ЖС6УВИ с недопустимым изменением материала приведена на рисунке 1.

х 10000 х 10000

Рисунок 1 - Стандартная (а) и недопустимая (б) структуры материала лопаток

При ремонте двигателя лопатки турбины проходят контроль качества материала на соответствие заданным эталонам с точки зрения структуры, а именно морфологии у'-фазы. Существующая методика контроля структуры сплава на соответствия требованиям эталона имеет следующие недостатки.

1. Метод контроля является разрушающим, т.к. структура материала изучается на шлифе, приготовленном в одном из сечений пера одной или двух лопаток, и по результатам дается заключение о годности или бракуется весь комплект.

2. Метод контроля является субъективным, т. е. нет единого показателя структурного состояния материала с точки зрения металлографических характеристик.

Поэтому не вызывает сомнение, что для объективной оценки состояния материала лопаток требуется введение некого чувствительного показателя, по которому можно с большой степенью вероятности определить существующее состояние материала.

Из анализа существующих методов, критериев контроля и повреждаемости, литературных и производственных данных показано, что научный и практический интерес представляет исследование модуля Юнга, который исполь-

зуются при теоретических и экспериментальных исследованиях и входят во все расчеты на прочность, жесткость и термостойкость элементов конструкции. Исследование возможности использования модуля Юнга, в качестве диагностического признака структурной повреждаемости для лопаток турбин, представляет научный и практический интерес.

Сформулированы основная цель и задачи исследования.

Во второй главе представлен расчетный анализ теплонапряженного состояния модели рабочей лопатки 1-й ступени турбины двигателей серии Д-30, выполненный с помощью метода конечных элементов, реализованного в пакете прикладных программ А^УБ, что позволило провести моделирование возникновения и возможного развития структурного повреждения в соответствии с тепловым состоянием рабочей лопатки. Показана необходимость учета объема материала детали, подверженного структурному повреждению.

Установлено, что зона теплового повреждения, сопровождающаяся изменением структуры материала, расположена со стороны входной кромки на расстоянии ~ 20 - 30 мм от кромки пера лопатки; глубина зоны с измененной структурой составляет от 1 мм и на всю толщину входной кромки; объем материала с недопустимой структурой составляет от 3 до 5 % объема несущего сечения, если отсутствует значительный заброс температуры, когда изменения структуры распространяются в призамковую часть лопатки; протяженность зоны измененной структуры составляет около 25 - 30 мм.

Проведено расчетное моделирование влияния изменения объема материала с измененной структурой Уизм в соответствии со стадиями развития структурного повреждения на возможное теплонапряженное состояние рабочей лопатки турбины, а также на изменение частот собственных колебаний модели рабочей лопатки по первым двум формам ^ и {г■ Изменение структуры, моделировалось путем искусственного параллельного смещения температурной зависимости модуля Юнга материала ЖС6УВИ на графике в сторону повышения и понижения. На рисунке 2 представлена модель возможных вариантов повре-

а) - У„ж /Ум,= 5 %, б) - V.» /V» «„ = 20 %, в) - Ув,„ /V, „, = 40 %; г) - V™ /V, «„ = 60 %; д) - /V,«, = 100 %)

Рисунок 2 - Модель вариантов возможного изменения структуры материала

ждения материала рабочей лопатки, характеризующихся изменением микроструктуры в соответствии с ранее проведенным анализом теплового состояния рабочей лопатки. Темным цветом условно показана зона с измененной структурой, соответствующая определенному значением модуля Юнга и ее объем Уизм отнесенная к объему материала несущего сечения Унсеч. За несущее сечение принимался объем пера лопатки без замковой части.

Из анализа полученных расчетных данных следует, что при изменении температурной кривой модуля Юнга по всему объему материала лопатки от Емин до Ема|(С происходит увеличение частот собственных колебаний и максимальных радиальных напряжений по перу в модели лопатки (см. рисунок 3).

400 f Гц «10 •-Л- ГГц о 5500 « "и

// / 1 в sito — S7 13,6

300 250 Г г1-1

442$ i /Л

„ - гп ^ / 4000 3500 3000 3613 1

И \4V! 1

t" № 11 3075 ■дт-

200 1S0 -и т» I 2500 2000 Ш Ж

Репино i i 1

Емин Еолтим Ешкс 80 140 200 260 Е ГП» 120

Рисунок 3 - Распределение максимальных радиальных напряжений по перу со стороны спинки и корыта и частот собственных колебаний f] и f2 при изменении модуля Юнга от Емин до EMaiiC по всему объему материала в модели рабочей лопатки турбины

При увеличении объема материала с измененной структурой от 5 до 20 %, при Емин уровень радиальных напряжений резко падает от -260 МПа до -217 МПа со стороны корыта и от -272 МПа до -229 МПа со стороны спинки. Аналогично, при Ема1((; уровень радиальных напряжений резко возрастает от -260 МПа до -320 МПа со стороны корыта и от ~272 МПа до -351 МПа со стороны спинки. Уровень максимальных радиальных напряжений и их концентрация зависят от расположения и объема материала с измененной структурой.

Анализ поведения частот собственных колебаний рабочей лопатки по первым двум формам колебаний f | и f2 в зависимости от изменения модуля Юнга, проведенный при температуре 20 "С и жестким закреплением замка лопатки с произвольным изменением модуля Юнга от Еми„ =100 ГПа до Емакс = 300 ГПа показывает, что при увеличении объема материала с измененной структурой, характеризуемой модулем Юнга ЕМ1Ш, происходит снижение частот собственных колебаний лопатки и при 100 % объема достигает значений 2323,9 Гц по первой форме f] и 3764,2 Гц по второй форме f2. При увеличении объема материала с измененной структурой, характеризуемой модулем Юнга Емакс, происходит увеличение частот собственных колебаний лопатки и при 100 % объема достигает значений 3560,4 Гц по первой форме и 6027,2 Гц по второй форме. Модуль

Юнга Еотим микроструктуры оставшейся без изменения принимался равным 200 ГПа. Динамику изменения частот собственных колебаний по первой и второй формам при изменении модуля Юнга по всему объему материала можно характеризовать уравнениями

/,= 217,4 -4Ё, /2= 361,4 -4Ё

ifte Е - модуль Юнга материала;

217,4 и 361,4 - коэффициенты формы для используемой модели.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию модуля Юнга жаропрочного сплава ЖС6УВИ, из которого изготавливаются лопатки ■турбины, после заданных режимов термической обработки и термоциклического воздействия, формирующих то или иное состояние у'-фазы, являющейся показателем качества сплава для лопаток турбины.

Экспериментальное исследование модуля Юнга сплава ЖС6УВИ в зависимости от микроструктуры материала рабочей лопатки турбины, подразделялось на 3 этапа.

Первый этап включал в себя измерение модуля Юнга поверхностного слоя плоских образцов при испытании их методом соударения.

Второй этап заключался в измерении модуля Юнга цилиндрических образцов при испытании их на растяжение.

Третий этап заключался в измерении модуля Юнга цилиндрических образцов при испытании их на растяжение после термоциклического воздействия.

Методика экспериментального исследования образцов включала в себя предварительную термическую обработку по режимам серийной обработки лопаток турбины двигателей серии Д-30 (см. таблицу 1).

Таблица -1 Режим термообработки образцов

Количество образцов, шт. Оборудование Режим термообработки

20 плоских 70 цилиндрических Вакуумная печь FHV-90GHS 1. Закалка (гомогенизация): а) предварительная выдержка при Т = 950 - 960 °С в течение 30 мин (вакуум 1-Ю'3 мм.рт.ст.); б) увеличение температуры до 1210 ± 10 °С с последующей выдержкой 4 ч (вакуум МО'3 мм.рт.ст.); в) охлаждение в среде аргона. Скорость охлаждения до Т = 700 °С 50 - 90 °С/мин не менее. 2. Выборочный контроль микроструктуры нескольких плоских образцов. 3. Испытание цилиндрических образцов, • на длительную прочность (стШо) и механические свойства при Т = 20 °С (о8.5).

Для сравнения качества термообработки новых лопаток и экспериментальных образцов, последние подвергались металлографическому исследованию, анализу химического состава и исследованию длительной прочности и механических характеристик. Микроструктура образцов затем сравнивалась со структурой новых лопаток. Далее образцы последовательно нагревали при температуре Т = 1100, 1150, 1180, 1200 °С и времени выдержки т = 0,5; 5; 10; 20 ч при постоянной скорости нагрева и охлаждения. Режимы термической обработки были подобраны таким образом, чтобы получить различную степень растворимости у'-фазы, являющейся показателем качества сплава для лопаток турбины. После каждого цикла нагрева проводился замер модуля Юнга плоских образцов методом соударения на экспериментальной установке, разработанной в РГАТА (рисунок 4) и цилиндрических (по диаграмме растяжения) на установке Z100/TL5A (рисунок 5). После каждого режима нагрева проводили исследование микроструктуры сплава.

Рисунок 4 - Внешний вид Рисунок 5 - Внешний вид установки

экспериментальной уста- Z100/TL5А

новки

Термоциклическое нагружение образцов проводили на установке для термоусталостных испытаний с регулируемой жесткостью защемления путем нагрева образцов проходящим током до максимальной температуры цикла Ттах с последующим охлаждением в воздушном потоке (под вентилятором) до минимальной температуры цикла Tmm. Для корректного определения значения модуля Юнга образцов после термоциклических испытаний, методика постановки эксперимента была построена таким образом, чтобы исключить деформацию рабочей части образца и одновременно обеспечить режимы испытаний максимально приближенные к эксплуатационным. Выбор параметров термоцикла основывался на результатах термометрирования рабочих лопаток первой ступени турбины на двигателе Д-30КУ. Таким образом были заданы минимальная Tmm = 550 °С и максимальная Ттах = 1050 °С температура цикла. Размах цикла нагру-жения AT составляет 500 °С. Нагружение проводилось по пилообразному циклу

без выдержки при максимальной и минимальной температуре цикла. Время нагрева и охлаждения применительно к эксперименту были одинаковыми и со-

Рисунок б - Внешний вид установки для термоусталостных испытаний с регулируемой жесткостью защемления

Проведенными экспериментальными исследованиями установлено, что нагрев образцов при температуре Т = 1100 °С и времени выдержки т = 0,5; 5; 10; 20 ч не приводит к заметному изменению модуля Юнга материала при всех видах испытаний, что объясняется отсутствием заметных структурных изменений в сплаве. Однако при повышении температуры нагрева до 1200 °С и времени выдержки т = 0,5...20 ч происходит снижение модуля Юнга сплава ЖСбУВИ при всех видах испытаний. Так при испытании на разрыв цилиндрических образцов после термоциклического воздействия падение модуля Юнга составляет порядка 20...25 % от исходного значения. В ходе экспериментов отмечено, также аномальное повышение модуля Юнга при отдельных видах нагревов, не позволяющее однозначно установить причину этого явления с позиции рассматриваемых структур. Однако на величину модуля Юнга могут оказывать влияние факторы, связанные с формированием упорядоченной дислокационной структуры; влиянием распределения и количества фаз (т. к. сплав ЖСбУВИ является многофазным), которые могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на величину модуля.

Для обработки полученных экспериментальных данных и построения регрессионных моделей анализа совместного влияния параметров термической обработки, на изменения модуля Юнга образцов из сплава ЖСбУВИ автором применен многофакторный регрессионный анализ, реализованный в программном продукте БТАТОПКА. На основании проведенного многофакторного регрессионного анализа получили уравнения эмпирической линии регрессии вида

Е = а-тх -Ту, (1)

где Е - модуль Юнга материала, ГПа; г - время выдержки, ч; Т - температура нагрева, °С.

а,х,у - величины, зависящие от свойств материала, для различных экспериментальных методов измерения, как для метода соударения при испытании плоских образцов, так и при испытании на разрыв цилиндрических образцов. Уравнение (1) для случая испытания плоских образцов методом соударения имеет вид

Е = 0,004669 • г0,082 • Г1'46, R = 0,81 (2)

Для случая испытания цилиндрических образцов на растяжение

£ = 319,111 • г~°'069 • т~°'03*9, R = 0,86 (3)

Для случая испытания цилиндрических образцов на растяжение после предварительного термоциклического воздействия

Е = 12836794 • г"0,037 ■ Г"1'57, R = 0,97" (4)

Анализ представленных аналитических уравнений (2), (3) и (4) показал, что существует зависимость между значением модуля Юнга сплава ЖС6УВИ и заданными режимами термической обработки (т = 0,5...20 ч; Т = 1100.. 1200 °С), которые определяют структуру сплава, а именно состояние у'-фазы. Используя полученные уравнения (2), (3) и (4) были рассчитаны значения модуля Юнга для сплава ЖС6УВИ при заданных условиях термической обработки и проведено их сравнение с экспериментальными замерами. Установлено, что наибольшую точность имеет уравнение (4), полученное для случая испытаний цилиндрических образцов на разрыв после термоциклической обработки. Сходимость результатов уравнения (4) составляет порядка 90 %. Наименьшей точностью обладает уравнение (2) для случая замера модуля Юнга методом соударения. Сходимость результатов уравнения (2) составляет порядка 70 %.

В процессе работы было получено более ста фрагментов микроструктур образцов из сплава ЖС6УВИ после различных видов термической обработки, заключавшейся в нагреве образцов с варьированием температуры и времени выдержки, при постоянной скорости нагрева и охлаждения.

Установлено, что кратковременные (ЗОминут) и более длительные выдержки (5, 10, 20 ч) сплава при температуре Т = 1100 °С после термической обработки по стандартному режиму значительных изменений в структуру сплава не вносит.

Повышение температуры нагрева до 1150 °С вызывает более заметные изменения в структуре материала. Происходит частичная коагуляция у'-фазы и сливание ее отдельных частиц, в результате чего она приобретает форму от квадратов до вытянутых прямоугольников. После термоциклической обработки при выдержке 20 ч коагуляция у'-фазы сопровождается ее частичным растворением в твердом растворе. При увеличении времени выдержки от 30 минут до 20 ч происходит укрупнение и сливание отдельных частиц у'-фазы между собой.

Наиболее значительные изменения в структуре сплава происходят при температуре нагрева 1180 - 1200 °С даже при длительности выдержки 30 минут. Происходит коагуляция у'-фазы с ее частичным растворением. Анализ микроструктуры показал, что наряду с изменением морфологии у'-фазы отмечено присутствие фаз игольчатого типа. ' "

Анализ микроструктур сплава после термоциклирования и сравнения их с эталонами показал, что они наиболее близки к эксплуатационным, полученным после металлографического контроля лопаток на перегрев. Недопустимая структура сплава отмечена при минимальном значении модуля Юнга сплава.

Проведенное экспериментальное исследование подтвердило возможность использования модуля Юнга в качестве диагностического признака при структурной повреждаемости материала лопаток.

В четвертой главе проведен расчетный анализ изменения частот собственных колебаний лопатки турбины по первым двум формам fi и f2 в зависимости от модуля Юнга материала и объема измененной структуры полученного экспериментальным методом изложенным в главе 2 и 3.

Установлено, что при, минимальном значении модуля Юнга Емин по всему объему материала лопатки, частоты собственных колебаний лопатки снижаются приблизительно от 300 до 500 Гц. На рисунке 7 показана диаграмма изменения частот f] и f2 собственных колебаний рабочей лопатки турбины, в зависимости от модуля Юнга сплава ЖС6УВИ и соответствующее этим частотам состояние микроструктуры.

Рисунок 7 - Расчетная зависимость частот собственных колебаний по первым двум формам и при изменении модуля Юнга материала по всему объему пера рабочей лопатки турбины (V = 100%) На основании полученных данных, предложен уточненный метод контроля структуры материала лопаток турбин, в основе которого лежит положение о взаимной зависимости между структурой материала, а именно морфоло-

гией у'-фазы, сформированной в процессе эксплуатации или заданной термической обработки и модулем Юнга. Непосредственное измерение модуля Юнга представляет значительные трудности в связи с отсутствием надежного метода замера и малого участка структурного повреждения, поэтому в качестве кос-

5600 1 Гц 4800 4400

4000 3800 3200

2800

0 20 40 60 80 Э.% 120

Рисунок 8 - Расчетная зависимость частот собственных колебаний

по первым двум формам ^ и {г с учетом площади измененной структуры, характеризуемой модулем Юнга Е = 161,8 ГПа, соответствующего недопустимому состоянию сплава

венного показателя предложено использовать частоту собственных колебаний лопатки связанную с модулем Юнга материала, который в свою очередь является структурно чувствительным параметром для жаропрочного сплава ЖС6УВИ. На рисунке 8 представлена графическая зависимость между частотами ^ и Гг с учетом объема структурного повреждения при минимальном значении Емин = 161 ГПа. При минимальнм объеме материала с измененной структуры равной около 5 % расчетные частоты собственных колебаний ^ и ^ снижаются не более чем на 50 Гц, что затрудняет объективную оценку состояния материала лопатки, т. к. эта величина находится вблизи погрешности измерения при переустановке лопатки в приспособлении. Поэтому границей применимости данного метода для лопаток турбин будет являться 40 % структурное повреждение материала лопатки, при котором падение частоты превысит погрешность измерения.

Известно, что при комплектовании рабочего колеса лопатками, последние подбираются с учетом их статического момента и частоты колебаний по первой форме Г], которая записывается в паспорт лопатки при ее изготовлении. Таким образом, контролируя изменение частоты колебаний и сравнивая ее с паспортным значением, можно говорить об изменениях происходящих в структуре материала лопатки при каждом ремонте с учетом сказанного выше.

На начальном этапе опробования следует сочетать результаты металлографического анализа и изменения частотной характеристики, т. к. необходим

набор значительного статистического материала для проведения дальнейших исследований.

Сравнение расчетных данных с экспериментальными исследованиями влияния эксплуатационных нагревов на изменение частоты собственный колебаний рабочей лопатки турбины, и сравнение полученных результат с полученными в диссертационной работе показали их достоверность, что говорит о корректности применяемых в данной работе методах и средствах Исследований, близости выбранных режимов термической обработки к эксплуатационным. Основные выводы работы совпадают с результатами экспериментальных исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В процессе работы были получены основные результаты.

1. Анализ работ показал актуальность исследований, проведенных автором и направленных на исследование влияния структурного повреждения материала лопаток ГТД на модуль Юнга и возможность его использования в качестве диагностического признака.

2. Проведенным расчетным моделированием установлено влияние объема структурного повреждения на напряженно-деформированное и вибрационное состояние модели рабочей лопатки турбины. Изменение структуры моделировалось путем произвольного смещения температурной зависимости модуля Юнга материала в сторону уменьшения и увеличения.

3. На основании проведенных экспериментальных исследований получены аналитические зависимости, связывающие значение модуля Юнга материала с режимами термической обработки - временем выдержки и температурой нагрева при различных видах измерения модуля: методом соударения, при кратковременном разрыве и поле термоциклического воздействия.

4. Экспериментально и теоретически показана возможность использования модуля Юнга материала ЖС6УВИ, в качестве диагностического признака при оценке структурной повреждаемости.

5. На основании использования методов численного моделирования, средств инженерного анализа и экспериментальных исследований предложена уточненная методика контроля структурного состояния материала ЖС6УВИ лопаток турбин после эксплуатации, основанную на взаимосвязи частоты собственных колебаний лопатки и модуля Юнга.

6. Путем подстановки экспериментально полученных значений модуля Юнга при моделировании измененной структуры, недопустимой для дальнейшей эксплуатации, получены расчетные значения падения частот собственных колебаний по первым двум формам, при сравнении которых с паспортным значением для лопатки турбины можно делать выводы о качестве ее материала.

Основные положения диссертации отражены в работах.

1. Заваркин, В.Н. Анализ повреждаемости узлов авиационных двигателей при эксплуатации их по техническому состоянию [Текст] / В. Н. Заваркин, В.

/>//>/ ^ 2005^4 д '« ' 42014

Ф. Безъязычный, С. В. Сарычев // Производственные технологии и качество продукции: тезисы докладов IV Международной научно-технической конференции. - Владимир, ВлГУ, 2001. - С. 109 - 115.

2. Заваркин, В. Н. Возможные подходы к оценке долговечности лопаток [Текст] / В. Н. Заваркин // Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков: тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции: В 3-х ч. - Рыбинск, РГАТА, 2002. - 4.3. - С.49 - 50.

3. Заваркин, В. Н. Исследование возможности прогнозирования повреждаемости материала лопаток ГТД по параметрам поверхностного слоя [Текст] / В. Н. Заваркин, В. Ф. Безъязычный // Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве: тезисы докладов Российской научно технической конференции. - Рыбинск, РГАТА, 2002. - С.264 - 265.

4. Заваркин, В. Н. О возможности прогнозирования повреждаемости материала лопаток ГТД по параметрам поверхностного слоя [Текст] / В. Н. Заваркин // X всероссийские (с международным участием) туполевские чтения студентов: тезисы докладов. - Казань, КГТУ Туполева, 2002. - С. 83 - 84

5. Заваркин, В. Н. Совершенствование метода контроля состояния материала лопаток турбин посредством использования модуля Юнга [Текст] / В. Н. Заваркин // XXIX конференции молодых ученых и студентов: тезисы докладов. - Рыбинск, РГАТА, - 2005 - С. 284

6. Заваркин, В. Н. Влияние структуры поверхностного слоя сплава ЖС6УВИ на модуль Юнга [Текст] / В. Н. Заваркин, В. Ф. Безъязычный // Заготовительное производство в машиностроении. - 2004. - № 12, С. 40-43.

Зав. РИО М.А. Салкова Подписано в печать 29.04.2005 г. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100. Заказ 84.

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П.А. Соловьева (РГАТА) I < | / _ ,

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

- ) i ..

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТА •*< /

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53 | д Щ/} 2005 ^