МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕЩИН В ДИСКАХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ТРЕХМЕРНОЙ ПОСТАНОВКЕ

Ратчиев А.М.

ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь

В последнее время наряду с традиционно принятыми методами прогноза ресурса основных деталей авиационных двигателей все чаще проводится анализ их долговечности методами механики разрушения. Вопрос прогнозирования кинетики развития трещин в дисках турбин и компрессоров с учетом возможной дефектности материала является актуальным, поскольку его решение, вместе с данными о поведении материала в области малоцикловой усталости, может во-первых, увеличить надежность их эксплуатации, а во-вторых, дать возможность перейти к эксплуатации дисков по состоянию. В этом случае, назначая периодичность проведения инспекций деталей при заданной чувствительности метода контроля можно значительно увеличить срок их эксплуатации, что дает значительный экономический эффект.

Оценку поведения трещин в деталях двигателей, как правило, проводят следующим образом. Подбирается для конкретного случая расчетная схема трещины (например, из справочника). Обычно это угловая или полуэллиптическая трещина в полубесконечной пластине или пластине конечных размеров под действием различных вариаций номинальных нагрузок, действующих в месте развития трещин. Иногда пытаются учесть наличие имеющегося концентратора напряжений или особенности геометрии детали (в рамках выбранных расчетных моделей). Расчеты действующих напряжении или их размахов в окрестностях прогнозируемой трещины проводят методом конечных элементов в двухмерной или трехмерной постановке в ANSYS или ему подобном пакете. Далее, по полученным значениям напряжений, согласно принятой расчетной схеме производится расчет коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) и непосредственно прогноз развития трещины на основании имеющихся кинетических диаграмм усталостного разрушения (КДУР) материала, построенных по данным испытаний образцов.

Однако основные особенности развития трещин в дисках авиационных двигателей связаны с тем, чго диски, особенно в местах концентраций напряжений, работают в условиях сложнонапряженного состояния. Используя “стандартные” расчетные модели трещин зачастую невозможно учесть все особенности напряженно-деформированного состояния (НДС) в окрестностях усталостной трещины, и, тем более, учесть перераспределение напряжений по мере продвижения ее фронта в тело диска, а также влияние различных граничных условий и сложность геометрии детали. Кроме того, в дисках есть зоны, подобрать к которым приемлемую расчетную схему не представляется возможным.

Прогноз кинетики роста трещины непосредственно зависит от точности вычисления КИН.

Выходом в таких случаях является непосредственный расчет конструкции с трещиной. В данной работе представлена методика моделирования трехмерных трещин в пакете конечно-элементного анализа ANSYS и прогноза их развития. Расчеты НДС проводились натрехмерных субмоделях шлицев ступицы дисков компрессора высокого давления (КВД) двигателя Д-30 с трещинами в упругой постановке. Выбор размеров субмодели проводился из условий отсутствия влияния близости граничных условий на НДС в районе фронта трещины. Граничные условия для расчета НДС трехмерных субмоделей определялись из результатов расчетов диска, работающего в условиях термомеханического нагружения в составе ротора КВД характерного для режима “взлет” Было проведено несколько расчетов субмоделей с разной геометрией трещины, размеры и направление которой назначались по результатам металлографических исследований трещин в этих дисках. По полученным в ходе расчетов значениям КИН были определены скорости развития трещины (СРТ) соответствующего размера с помощью КДУР. Интегрированием линейно-интерполяционной функции соответствующей скорости развития трещины по глубине и по длине можно получить прогноз кинетики развития трещины. При отсутствии металлографических данных о геометрии трещины можно изначально задать произвольную геометрию (например полукруг), а для последующего этапа расчетов параметры трещины определять исходя из анализа КИН и СРТ в различных точках фронта трещины, полученных в предыдущем расчете. Как видно из рисунка наиболее приемлемый прогноз развития трещины получен по методике учитывающей КИН рассчитанные в ANSYS натрехмерныхмоделяхстрещиной.

___по расчетам КИН в ANSYS

_ - по расчетам КИН по формулам О - данные из эксплуатации

Рисунок - прогноз развития трещины.

УЧЕТ ВЛИЯНИЯ РАЗМЕРОВ НАЧАЛЬНОГО ДЕФЕКТА НА СКОРОСТЬ РАЗВИТИЯ ТРЕЩИН В ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЯХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Ратчиев А.М., Андрейченко ИМ., Вассерман Н.Н., Кашин В.Н. ОАО "Авиадвигатель", ТИТУ

Получаемая на основании испытаний образцов S-образная кинетическая диаграмма усталостного роста (КДУР) трещин характеризует состояние макротрещин при относительно невысоких уровнях нагрузки. В концентраторах напряжений реальных конструкций, работающих при высоких уровнях нагружения, таких, например, как диски турбин авиационных двигателей, трещины развиваются в условиях сложного напряженно-деформированного состояния (НДС) и развитие малых трещин в этих условиях до определенных размеров не подчиняется законам традиционной линейной механики разрушения. Кинетическая диаграмма для таких трещин имеет несколько другой вид {см. рис. 1) и может быть получена только при проведении специальных испытаний.

В последние годы разрабатывается методика прогнозирования ресурса, основанная на концепции допустимых повреждений, когда в материале конструкции изначально предполагается наличие дефектов, от которых идет развитие трещин. При этом возникает задача определения требований к методам контроля деталей до и во время эксплуатации. Отсюда следует, что весь период эксплуатации необходимо разделить, по крайней мере, на два этапа. Первый этап включает в себя часть назначенного ресурса изделия до образования выявляемой трещины, в течении которого в месте зарождения трещины реализуется механизм малоцикловой усталости материала. При обнаружении трещины деталь либо снимается с эксплуатации, либо переводится во второй этап эксплуатации, “по состоянию”, с обоснованной периодичностью инспекций технического состояния детали. Отметим, что прогнозирование скорости развития трещины с определенной степенью точности можно начинать от размеров “инженерной” трещины то есть трещины, развитие которой гарантированно описывается законами линейной механики разрушения. В работах некоторых зарубежных авторов такими трещинами называют трещины, размеры которых составляют = 0,38 мм по глубине и « 0,8 мм по длине. Исходя из этого определяются минимальные требования к разрешающей способности средств контроля, которые должны гарантированно обнаруживающих инженерную трещину.

Решение вопроса об эксплуатации конструкции “по состоянию” должно проводится комплексно и учитывать как особенности свойств материала, определяемых при испытании образцов (характеристики малоцикловой усталости, циклической трещиностойкости, статические характеристики и т. д.), так и особенности НДС конструкции при эксплуатации (статистические данные из эксплуатации и испытаний на разгонных стендах, расчетные данные и др.).

В качестве зависимости, пригодной для установления величины назначенного ресурса и периодичности инспекций, может служить диаграмма, построенная в координатах “величина дефекта - число циклов до разрушения” При этом диаграмма для каждого объекта или материала в целом должна строится с учетом особенностей развития трещин в этом объекте (в том числе и малых трещин), таких как распределение напряжений, градиенты температур, пороговых и критических значений коэффициентов интенсивности напряжений, влияния граничных условий и т.д. в каждом конкретном случае.

На рис. 2 приведена такая зависимость для турбинного диска авиационного двигателя (без учета особенностей развития малых трещин). Например, в материале этого диска возможно наличие дефекта величиной до 0.3 мм. Тогда его ресурс до разрушения составит около 10000 циклов. При коэффициенте запаса, равном 3, периодичность инспекций составит 3300 циклов. За это время трещина может подрасти до 0.6 мм. Этот размер дефекта определяет требования к разрешающей способности средств контроля.

da/dN

ОЦЕНКА ЖИВУЧЕСТИ ДИСКОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ГТД)

СУЧЕТОМ ДЕФЕКТНОСТИ МАТЕРИАЛА

Ратчиев А.М., Вассерман Н.Н., Кашин В.Н. ОАО "Авиадвигатель", ПГТУ

Внастоящее время для изготовления дисков турбин ГТД используются гранульные никелевые сплавы, которые имеют высокие прочностные характеристики. Однако при производстве заготовок в материале имеют место дефекты металлургического характера в виде металлических, неметаллических и окисных включений которые нарушают сплошность материала. Эти дефекты, в зависимости от места расположения в диске могут послужить очагом зарождения трещины и привести к преждевременному исчерпанию ресурса детали. Вопрос об оценки живучести конструкции исходя из случайного попадания возможных дефектов материала в зоны концентрации напряжений дисков ГТД, возник вследствие обнаружения таких дефектов и трещин образовавшихся от них на разных стадиях изготовления, испытаний и эксплуатации некоторых реальных конструкций.

Для обеспечения безопасности эксплуатации, надежности и ресурса дисков большое значение имеет контроль качества их изготовления, включая неразрушающий контроль на отсутствие дефектов и проверку механических свойств материала. В настоящее время, согласно действующим в серийном производстве техническим условиям, заготовки гранульных дисков проверяются ультразвуковым контролем (УЗК), а при изготовлении и ремонте проверяются люминесцентным методом (ЛЮМ) контроля. Идеология контроля построена на обнаружении поверхностных дефектов ЛЮМ контролем, а внутренних дефектов УЗК. Опыт эксплуатации гранульных дисков на ГТД показывает, что существующий метод УЗК заготовок не позволяет гарантированно выявлять в них разного рода включения (Си, А1, и др.), что указывает на необходимость совершенствования методов неразрушающего контроля дисков. С целью формирования требований к разрешающей способности методов контроля качества заготовок материала дисков и уточнения ресурса гранульных дисков разработана методика анализа кинетики развития усталостных трещин от дефектов различных размеров в наиболее нагруженных зонах дисков.

Представленная методика включает в себя упругий расчет напряженно-деформированного состояния дисков методом конечных элементов в условиях термомеханического нагружения в полете. Определение наиболее нагруженных зон, вида и направления развития трещин при попадании в эти зоны дефектов. Предполагается, что начальный размер трещины равен максимально допустимому размеру дефекта (несколько значений). При расчетах коэффициентов интенсивности напряжений учитывается изменение поля напряжений в плоскости развития усталостной трещины. Поле напряжений описывается полиномом третьей степени. При прогнозе кинетики и формы развития трещин используются подходы линейной механики разрушения с применением метода Рунге-Кутта, исходя из условий равенства коэффициентов интенсивности напряжений по всему фронту трещины. Коэффициенты уравнения Периса определяются по экспериментальным данным испытаний образцов на циклическую трещиностойкость при различных температурах. Значения этих коэффициентов для промежуточных температур рассчитываются путем линейной интерполяции.

В результате определяются значения долговечности материала в наиболее опасных зонах дисков от различных начальных размеров допустимых дефектов. В существующих нормах прочности основных деталей авиационных двигателей принят коэффициент запаса по циклам, равный трем. Исходя из этого, при помощи семейства кривых роста усталостных трещин от дефектов различной величины, можно назначить либо минимальный межинспекционный период наиболее нагруженных мест изделия с помощью применяемых в данный момент средств контроля, либо в зависимости от необходимой минимальной наработки установить требования к точности неразрушающих методов контроля.

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ (НДС) ЛОКАЛЬНЫХ ЗОН ДИСКОВ В УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ

Ратчиев А.М., Карпман И.В., Кашин В.Н. ОАО "Авиадвигатель", ПГТУ

Используемая в настоящее время методика управления ресурсом авиационных двигателей в рамках второй стратегии предполагает установление ресурсов роторных деталей на основании результатов эквивалентно-циклических испытаний их на стендах вне двигателя. Однако встречаются случаи, когда возможности испытательного стенда не обеспечивают условия нагружения отдельных элементов испытуемого рабочего колеса, адекватные условиям нагружения в реальном двигателе, вследствие чего напряженно-деформированное состояние этих отдельных участков при испытании искажается. Это обстоятельство особенно важно в случаях, когда подобные участки содержат зоны концентрации напряжений, долговечность которых определяет ресурс деталей.

В качестве примера такого участка может быть представлен замковый паз в ободе диска турбины низкого давления, являющийся концентратором окружных напряжений, в донышке которого при работе двигателя могут образоваться усталостные трещины. Особенностью условий'нагружения в области донышка паза обода диска турбины низкого давления (ТНД) в полетном цикле двигателя является то, что в начальный период взлетного режима в диске возникает нестационарное тепловое состояние вследствие опережающего нагрева обода и образуется большой перепад температур по радиусу диска, вследствие чего в ободе и в донышке паза возникают значительные сжимающие напряжения. После завершения взлетного режима, в условиях установившегося стационарного теплового состояния, температура по радиусу диска выравнивается и сжимающие напряжения в донышке паза существенно уменьшаются. На реверсе происходит небольшое растяжение, которое накладывается на остаточные растягивающие напряжения, что в сумме дает напряжения растяжения порядка предела текучести. Таким образом, при дальнейшем циклировании, в донышках пазов дисков ТНД реализуется практически симметричный режим нагружения (см. рис. У).

Описанный вариант условий нагружения диска ТНД в условиях разгонного стенда не может быть полностью реализован, из-за невозможности мгновенного нагрева обода, вследствие чего на максимальном режиме испытательного цикла не воспроизводится аналогичный реальному размах напряжений, циклическое повторение которого приводит к образованию трещин.

В данной работе представлен комплексный подход к определению циклической долговечности донышка замковых пазов дисков ТНД. Работа была разбита на несколько этапов (см. рис. 2). Первый этап - определении НДС дисков методом конечных элементов в трехмерной постановке в пакете ANSYS для условий полета и для испытательного цикла на разгонном стенде с определением коэффициента соответствия и прогнозированием циклической долговечности по уравнению Менсона. Следующий этап

испытание ротора ТНД на разгонном стенде. Третий этап включал в себя прогноз циклической долговечности дисков на основе анализа кривых малоцикловой усталости (МЦУ), полученных при испытании стандартных образцов. И последний этап, этап определения циклической долговечности диска на основании температурных испытаний натурных образцов, вырезанных из обода диска. При испытании этих образцов кинетика НДС в донышке паза имитировалась жестким консольным изгибом образца в заданном режиме знакопеременного нагружения, характерного для условий работы двигателя.

В результате анализа каждого этапа работы был определен безопасный ресурс диска ТНД.