3.2.2.Влияние на усталость лопаток масштабного фактора

Длина лопаток современных компрессоров может превышать 500 мм, их размеры изменяются в пределах одного компрессора в 5...12 раз (внутри одного каскада в 2...4 раза).

Для исследования возможных причин снижения из лопатки длиной 900 мм с хордой 500 мм в продольном и поперечном направ­лениях из прикомлевой, средней зоны и верхней трети профильной части изготавливались стандартные образцы с диаметром рабочей части 7,5 мм. Испытания на усталость показали, что отличие в для продольных образцов из прикомлевой зоны, поперечных из средней зоны и продольных из приторцевой зоны не превышало 5 % и соответствовало ТУ на сплав. Из этого можно заключить, что исходные свойства материала, полученные в поковке крупногабарит­ной лопатки, были высокими, а определяющим фактором в сниже­нии сопротивления усталости лопаток являлась механическая обра­ботка профильной части. Кроме того, оценка влияния масштабного фактора на сопротивление усталости была сделана на основе стати­стического анализа пределов выносливости лопаток компрессора каскадов среднего и высокого давления, изготовленных соответст­венно из сплавов ВТЗ-1 и ВТ8. Высота профильной части лопаток КСД I ступени составляла 110 мм, VI ступени — 43мм

Для КВД соответственно = 1,9. Технология изготовления лопаток всех ступеней в пределах одного каскада была идентична.

Анализ для лопаток КСД, которые в меньшей мере различа­лись по геометрическим параметрам, показал, что по величине среднего квадратического отклонения лопатки всех ступеней однородны. Вместе с тем, попарное сравнение лопаток КСД указы­вает лишь на однородность лопаток I и II, II и IV, III и IV ступеней по средним значениям , но не всей совокупности. Близки к однородным были III и V, W и V ступени. Указанные особенности в данном случае связаны с некоторыми различиями в технологичес­ком процессе и, в первую очередь, со способом получения заготовок, так как равенство значений S_lgN при неравенстве указывает на однородность свойств поверхностного слоя, получаемых при обра­ботке профиля лопатки. Таким образом, зависит, в первую очередь, не от геометрических параметров, а от технологии изготов­ления и, в частности, от способа получения заготовки, формирующе­го структурное состояние и основные механические характеристики титанового сплава и стали (см. табл.4.3, 4.5). Применяемый способ штамповки определяется конструкцией лопатки (ее размерами, наличием антивибрационной полки и т. п.) и возможностями прессо­вого оборудования.

3.2.3.Особенности кривых усталости лопаток компрессора

Стальные лопатки. Анализ результатов испытаний на усталость стальных лопаток компрессоров показывает, что кри­вые усталости в координате lgσ — lgN обычно представляются двумя прямыми с точкой перегиба N₀ — 5(10 ... 10 ) циклов; левым участком кривой с показателем - 12 ... 15 и правым — с ж₂ £ 25.

Типичные кривые усталости лопаток из коррозионно-стойких сталей мартенситного класса 13Х11Н2В2МФ, 15Х12Н2МВФАБ и аустенитной стали ХН45МВТЮБР представлены на рис. 4.1.

Отсутствие точки перегиба кривой и минимальные значения т <. 12 свидетельствуют о нестабильности технологического процес­са. С повышением температуры испытаний до 500'С сталей мартен­ситного класса предел выносливости снижается (см. рис. 4.1, кривая •4), но характер кривой усталости не меняется. Кривая усталости стали ХН45МВТЮБР (значение т увеличивается с 10 до 20) стано­вится менее крутой, а предел выносливости несколько возрастает (см. рис. 4.1, кривая 2), эффект поверхностного упрочнения сохраня­ется до Т_э - 650 *С. При испытаниях на усталость лопаток компрес­сора отмечается достаточно высокое рассеяние параметра долговеч­ности S_lgN - 0,20 ... 0,733 (табл. 4.6) при значениях S_]gN = 0,461 для всей совокупности исследованных лопаток и S\_{g a}__l = 0,043. С уменьшением амплитуды напряжений наблюдается тенденция к росту значений S_lg. что может быть объяснено повышением чувствительности усталостных свойств материала лопаток к неста­бильности технологического процесса (см. рис.3.1.2).

Рис. 3.1.2. Распределение IgN для стальных лопаток компрессора для различных амплитуд напряжений

а) лопатка НА, сталь 15Х12Н2МВФАБ; 1 - 700 МПа; 2 - 580 МПа;б) лопатка КВД, сталь ХН45МВТЮБР: 1 - 700 МПа; 2 - 680 МПа; 3 - 650 МПа; 4 - 600МПа

Рис. 3.1.3. Кривые усталос­ти образцов из сплава ВТЗ-1 после различных видов механической обра­ботки:

1— точение, R_a = 2,5 ... 5 мкм; 2 — точение, шли­фовка, R_a = 1,25 мкм; 3 — п.2 + полировка; R_a =0,63 мкм; 4 — п.З — R_a =0,16 ... 0,32 мкм; 4'— п.4, но при точении режимы не соблюдались; 5 — п.2 + + гидрогалтовка, R_a = 0,32 мкм

Рис. 3.2.4. Кривые усталости лопаток из титановых сплавов:

1 - ВТ8 (III ступень КНД); 2 - ВТ8 (IV ступень); 3 - ВТЗ-1 (V ступень двиг. А); 4 - ВТЗ-1 (V ступень двиг. Б)

Титановые лопатки. Данные о пределах выносливости лопаток из титановых сплавов близких типоразмеров представлены в табл. 3.2.5. Общим для кривых усталости лопаток первых ступеней компрессоров КНД различных двигателей является отсутствие точек

перегиба до базы N — 10⁸ циклов и достаточно близкие значения показателей наклона кривых усталости т ~ 10. Аналогичный харак­тер кривых усталости отмечается у стандарных образцов с невысо­ким качеством поверхностного слоя (рис. 3.1.3).

Результаты, представленные на рис. 3.2.4., подтверждают, что предел выносливости лопаток определяется не размерами лопатки, а совершенством технологического процесса. С повышением предела выносливости, как правило, уменьшается наклон кривой усталости, значение т достигает 20.

Для лопаток из титановых сплавов распределения lg N и lg а обычно подчиняются логарифмически нормальному закону, но с уменьшением амплитуды напряжений более четко проявляется "расслоение" распределений долговечностей, что свидетельствует о неоднородности выборки, вызванной нестабильностью техноло­гического процесса. В целом же параметры рассеяния результатов испытаний на усталость титановых лопаток близки к аналогичным параметрам стальных лопаток:

= 0,324...0,531;

;

=0,045.