ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Повреждаемость дисков турбин из "Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций " При сопоставлении длительности всего периода роста трещины для всех исследованных дефлекторов показано, что повышение чувствительности контроля, когда трещина может быть обнаружена на ранней стадии ее развития вблизи очага разрушения, приводит к необходимости существенного увеличения времени между соседними осмотрами (см. рис. 10.4г). Максимальная продолжительность роста трещины составила около 300 полетов ВС, а минимальная продолжительность — около 170 полетов. При введении в эксплуатацию ультразвукового контроля, который может обеспечить обнаружение усталостной трещины на начальной стадии ее развития у очага в зоне непосредственного контакта деталей по замковому соединению, можно было рекомендовать увеличение периода времени между двумя соседними осмотрами до 150-200 ч (80-100 полетов). В этом случае сохранялась идея возможного, однократного пропуска трещины при контроле с сохранением высокой вероятности ее выявления при следующем контроле без разрушения дефлектора. [c.541] При периодичности контроля вихретоковым методом через 150-170 полетов (около 300 ч), с учетом данных о контроле дефлектора в эксплуатации (п. 5 в табл. 10.1), вероятность пропуска трещины в детали весьма высока. Вместе с тем даже при периодичности в 150 полетов (около 300 ч) трещина надежно может быть выявлена, если применять ультразвуковой метод контроля, при котором начальные трещины у основания пушечного замка достоверно фиксируются. Поэтому для полного предотвращения разрушений дефлекторов в эксплуатации их контроль может быть реализован через 80-90 полетов с высокой эффективностью только ультразвуковым методом, когда даже при пропуске трещины, подходящей к поверхности, есть возможность ее выявить при следующем контроле без разрушения дефлектора. [c.541] Повышение требований к параметрам и стремление к снижению веса авиационных ГТД обусловили усиление термической и механической напряженности их деталей, в том числе и дисков турбин. Особенности применяемых на некоторых типах ГТД конструкций дисков турбин (наличие центрального отверстия, расположение крепежных отверстий в напряженной зоне ступицы) приводят к тому, что материал дисков — ЭИ698ВД в зонах концентрации напряжений у отверстий работает в упругопластической области. При этом температурный режим диска в зоне крепежных отверстий является относительно умеренным. В связи с этим для таких дисков влияние процесса ползучести в наиболее напряженных зонах невелико, а основным фактором, определяющим долговечность дисков, являются процессы малоцикловой усталости материала в районе крепежных отверстхп . [c.541] В области малоцикловой усталости большая часть долговечности дета.ти приходится на ее работу с трещиной (см. главу 1). Поэтому повышение температурно-силовой напряженности дисков ГТД, возможное появление дефектов материала на стадиях изготовления и ремонта двигателя приводят к эксплуатации дисков по принципу их безопасного повреждения. [c.541] Развитие усталостных трещин в эксплуатации имело место в дисках III ступени турбины двигателя НК-8-2у на самолетах Ту-154Б в зонах высокой концентрации нагрузки по отверстиям крепления дисков к валу двигателя. Расчеты методом конечных элементов показали наличие сложного напряженного состояния в тех местах диска, в которых обычными традиционными методами расчета оценивали напряженное состояние как линейное [1, 2]. При применении решения на основе обобщенного представления о плосконапряженном состоянии в ряде сечений не учитывается наличие касательных напряжений и неполностью учитывается объемно-наиряженное состояние дисков в ободной части, в том числе и в местах лабиринтных уплотнений. Тем более погрешности в оценке реального напряженного состояния возникают в местах концентрации нагрузок у отверстий под болты, соединяющие диск с валом турбины. Как показала практика эксплуатации таких дисков, именно у крепежных отверстий возникают усталостные трещины, которые в последующем распространяются в направлении ступичной части диска к валу. Реализуемое напряженное состояние материала диска по сечениям отличалось от расчетного, поскольку максимальная интенсивность напряженного состояния по расчету соответствовала сечению, расположенному перпендикулярно к плоскости роста трещины [2]. [c.542] В эксплуатации имели место разрушения дисков III ступени турбины на двух двигателях НК-8-2у, условные номера Р-1 и Р-2. Разрушение обоих дисков происходило аналогичным образом на исполнительном старте в момент пробега самолета по полосе. Это давало основание полагать, что оба разрушения дисков турбины одноименной ступени имели место по одной и той же причине. [c.542] Помимо того, в процессе ремонта двигателей при разной наработке были выявлены в отверстиях под болты множественные усталостные трещины при разной наработке дисков в эксплуатации. Поэтому для анализа закономерности зарождения и распространения трещин в эксплуатации были отобраны диски с разной наработкой и разным количеством трещиг по отверстиям, а также два диска после обнаружения в них трещин были подвергнуты стендовым испытаниям. Сведения об исследованных дисках представлены в табл. 10.2. [c.542] Разрушение в эксплуатации диска Р-1 произошло по трем радиальным сечениям, проходящим через отверстия под болты крепления диска к валу двигателя под углом 120 ° друг к другу (рис. 10.5), а в диске Р-2 с угловыми размерами 150, 120 и 90 . Совмещение изломов по дискам свидетельствовало, что разрушение каждого диска началось с образования трещины в одном радиальном сечении. После распространения трещины в первоначальном сечении диски претерпели пластическую деформацию, сопровождавшуюся раскрытием трещины на величину около 35 мм, а затем произошло окончательное разрушение диска по двум другим радиальным сечениям. [c.542] Характеристики материала дисков, изготовленных из жаропрочного сплава ЭИ698, были определены по результатам испытания стандартных образцов. Образцы были изготовлены из разрушенных в эксплуатации дисков и испытаны на кратковременный разрыв и удар при температуре 20 С, на длительную прочность при температуре 750 С и напряжении 420 МПа (гладкие образцы). [c.542] Соответствие механических характеристик материала требованиям чертежа указывало на то, что развитие трещин малоцикловой усталости обусловлено исчерпанием работоспособности дисков в условиях высокого уровня напряженности. В связи с этим возникла проблема использования долговечности дисков при гарантированном отсутствии возможности их разрушения в результате развития трещин малоцикловой усталости, т. е. проблема эксплуатации двигателей с безопасным повреждением дисков. Эта проблема была успешно решена в результате проведения комплекса исследований, включавшего в себя количественную фрактографическую оценку длительности роста усталостных трешин. [c.543] Визуальный анализ раскрытых изломов дисков по трещинам показал, что они зарождались на поверхности одного или нескольких крепежных отверстий в ступице со стороны центрального отверстия и развивались в радиальном направлении к центральному отверстию (рис. 10.6). После прорастания трещины на всю толщину перемычки между крепежным и центральным отверстиями дальнейшее развитие трещин происходило в направлении обода диска с опасностью его разрушения по радиальному сечению. На участке перемычки, расположенной между отверстиями под болт крепления дисков к валу турбины и центральным отверстием дисков, изломы окислены на большей части до золотисто-серого цвета, а их строение на всей поверхности характеризуется внутризерен-ным ростом трещины, типичным для усталостного разрушения жаропрочных сплавов. У поверхности отверстия под болт, вблизи переднего торца ступицы, у каждого диска имеется зона наиболее интенсивного окисления поверхности, указывающая на длительный период развития трещины, а также свидетельствующая о том, что начальный этан разрушения связан с развитием в диске несквозной поверхностной трещины полуэллиптической формы (см. рис. 10.6 ). [c.543] Разрушение обоих дисков по двум другим сечениям имело смешанный характер по границам зерен и внутризеренно со следами макропласти-ческой деформации сплава по границам излома во всех сечениях разрушения, что характерно для кратковременного статического разрушения жаро-проч1тых сплавов. [c.545] Важным обстоятельством явилось выявление в каждом из сечений у обоих дисков участка вскрывшейся усталостной трещины. Он был расположен у отверстия под болт аналогично участкам, расположенным в сечениях первоначально длительно развивавшихся трещин. Это свидетельствовало о множественном характере появления усталостных трещин в отверстиях под болты у обоих разрушившихся дисков. Поверхности изломов на этих начальных участках также окислены до золотисто-серого цвета, характер развития трещин внутризеренный, а граница полуэллиптической формы с зоной долома четкая, что характерно для ситуации, когда предельное состояние с развившейся трещиной было достигнуто при резком возрастании нагрузки в момент окончательного разрушения диска. Размеры основных усталостных трещин в дисках Р-1 и Р-2 были соответственно по поверхности 2с = 6,5 мм и 2с = 1,2 мм, а в глубину а = 3,0 мм и а = 0,3 мм. [c.545] В процессе распространения трещин был сформирован рельеф излома из четырех зон последовательной смены доминирующих механизмов разрушения. [c.545] При расчете дисков на долговечность исходят из влияния длительного пребывания диска под нагрузкой в течение цикла запуска и остановки двигателя на поведение материала. В области малоцикловой усталости при выдержке материала под нагрузкой термоактивационный процесс пластической деформации и разрушения содействует повышению вероятности завершения медленно текущих процессов повреждения границ зерен и субзерен, связанных с развитием межзеренного скольжения и перемещением потока вакансий. При этом может происходить переход к смешанному внутри-и межзеренному или доминирующему межзерен-ному разрушению (см. главу 8). [c.545] Выявленная морфология рельефа с усталостными бороздками свидетельствует о том, что при относительно умеренной температурной напряженности дисков механизм межзеренного разрушения подавлен внутризеренными процессами разрушения и скольжения. Внутризеренное скольжение вызывает интенсивное растрескивание материала и препятствует реализации механизма формирования усталостных бороздок, что отражается в сочетании элементов рельефа ввиду усталостных бороздок и растрескиваний излома. [c.545] В зоне II последующего роста трещины (см. рис. 10.76 , в) доминируют только фасетки излома со ступеньками от процесса интенсивного внутри-зеренного скольжения и едва выраженными j ia T-ками ямочного рельефа. Причем глубина ямок очень мала. Дискретный переход ко второй стадии роста трещины связан с подавлением механизма формирования усталостных бороздок и доминированием внутри- и межзеренного скольжения. Это еще одно свидетельство быстрого по времени протекания процессов внутризеренного скольжения, которые не приводят к доминированию межзеренного повреждения материала. [c.545] Движение трещины от отверстия под болты в сторону отверстия под вал двигателя происходит в поле центробежных сил, которые определяют длительную статическую выдержку материала иод нагрузкой. Поскольку длина трещины возрастает, а процесс подрастания трещины при чистом скольжении связан с высокой скоростью роста трещины и происходит быстро при постоянном уровне внешней нагрузки, есть основания полагать, что трещина движется в условиях слабо возрастающего по величине коэффициента интенсивности напряжения. Именно это определяет значительную протяженность зоны II, в которой подрастание трещины происходит в закритической области с высокой скоростью (десятки и сотни микрон за один полет). Выявленное поведение материала, с развивающейся усталостной трещиной по направлению от крепежного отверстия под болт к валу двигателя, согласуется с результатами расчета на прочность дисков [2]. [c.547] Зона IV представляет собой зону окончательного разрушения дисков в момент долома. Она имеет ямочный рельеф, прилегающий к границам зерен, характерный для кратковременного разрушения сплава под действием температурно-сило-вых условий при достижении вязкости разрушения материала. [c.547] Подробно рассмотренные результаты исследования разрушенных дисков были использованы для сопоставления закономерностей роста трещин в дисках на основании данных о выявлении трещин в ремонте (см. табл. 10.2). Все обнаруженные трещины были вскрыты, и выявленные таким образом изломы были подвергнуты фрактофафическому анализу. [c.548] Вернуться к основной статье