Процессы повреждения посторонними предметами и снижение усталостной прочности лопаток компрессоров газотурбинных двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Семенова, Ирина Валерьевна

• Семенова, Ирина Валерьевна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Семенова, Ирина Валерьевна

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМЕ ПРОЧНОСТИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЯХ ПОСТОРОННИМИ ПРЕДМЕТАМИ

1.1. Методология обеспечения усталостной прочности лопаток компрессоров

1.2. Повреждение лопаток компрессора при попадании посторонних предметов.

1.3. Методы и результаты исследований повреждаемости лопаток посторонними предметами.

1.4. Влияние повреждений посторонними предметами на усталостную прочность лопаток.

Выводы по главе.

2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛОПАТОК. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ

2.1. Постановка задачи численного моделирования процесса повреждения лопаток.

2.2. Методика численного моделирования процесса повреждения лопаток

2.3. Результаты расчетного моделирования процесса соударения лопатки с посторонним предметом.

2.4. Влияние скорости постороннего предмета на процесс повреждения лопатки

2.5. Влияние толщины входной тфомки на процесс повреждения лопатки.

Выводы по главе.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛОПАТОК

3.1. Постановка задач экспериментального исследования.

3.2. Описание методики эксперимента, экспериментальной установки и обработки результатов.

3.3. Идентификация и верификация математической модели по результатам предварительных экспериментов.

3.4. Идентификация и верификация математической модели повреждения по результатам экспериментов на натурных лопатках.

Выводы по главе.

4. ВЛИЯНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПОСТОРОННИМИ ПРЕДМЕТАМИ

НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ ЛОПАТОК

4.1. Методика расчета теоретических коэффициентов концентрации напряжений в лопатках с повреждениями.

4.2. Теоретические коэффициенты концентрации напряжений в лопатках с повреждениями.

4.3. Эффективный коэффициент концентрации напряжений в лопатках с повреждениями.

4.4. Методика оценки эффективности мероприятий по повышению стойкости лопаток к повреждениям посторонними предметами.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процессы повреждения посторонними предметами и снижение усталостной прочности лопаток компрессоров газотурбинных двигателей»

Газотурбинные двигатели (ГТД) являются основным типом двигателей в гражданской и военной авиации, используются в судостроении, энергетике, газовой промышленности. Важнейшее требование к двигателям, в особенности авиационным - высокая надежность. I

В проблеме обеспечения надежности ГТД важная роль принадлежит надежности самых массовых деталей - лопаток. Лопатки являются сложными высоконагруженными ответственными деталями, испытывающими в течение длительного времени эксплуатации сложный комплекс воздействий различной природы (статические нагрузки, вибрации, нагрев). Поломки лопаток приводят к серьезным авариям, материальным потерям.

В настоящее время разработаны эффективные методы обеспечения прочности лопаток. В частности, традиционный подход к обеспечению усталостной прочности состоит в расчете или экспериментальном определении собственных частот и форм колебаний лопатки, экспериментальном определении вибронапряжений и предела выносливости. Такой подход проверен многолетней практикой и в целом себя оправдывает.

Тем не менее, поломки лопаток при доводке и эксплуатации двигателей, хотя и редко, случаются. Одна из наиболее распространенных причин — попадание посторонних предметов (111Ш) в проточную часть двигателя. По данным ГОС НИИ ЭР AT до 30.40% досрочных съемов двигателей происходят именно по этой причине [1]. Повреждения на кромках лопаток компрессоров в виде забоин, вмятин и т.д. становятся концентраторами напряжений и понижают вибропрочность лопаток. Возможность существования таких повреждений учитывается при проектировании лишь коэффициентом запаса, не всегда достаточным для компенсации их отрицательного влияния. Несмотря на предпринимаемые меры защиты двигателей от попадания посторонних предметов, появление во время эксплуатации таких дефектов является реальным фактором, влияющим на надежность. В результате снижается безопасность полетов, возникают дополнительные затраты на восстановительные работы, задержку рейсов, выплату компенсаций. Об остроте проблемы свидетельствует, в частности, существование организаций, специально созданных для ее решения. По данным одной из них - FOD Control Corporation - аэрокосмическая промышленность США теряет из-за 111111 ежегодно 4 миллиарда долларов [2].

Стремление сделать кромки лопаток тоньше, чтобы уменьшить потери и повысить топливную экономичность двигателей делает проблему повреждения лопаток посторонними предметами еще более актуальной.

Одним из путей повышения надежности лопаток должно быть обеспечение стойкости к повреждению посторонними предметами, которое должно опираться на понимание закономерностей процессов повреждения, снижения прочности лопаток с учетом специфики их конструкции, технологических и эксплуатационных факторов.

Целью проводимого исследования является разработка методики сравнительного анализа конструктивных и технологических мероприятий, направленных на обеспечение усталостной прочности лопаток с учетом возможных повреждений посторонними предметами, надежности двигателей, безопасности эксплуатации воздушных судов.

Научная новизна выполненного в диссертации исследования состоит в следующем:

L Впервые проведено подтвержденное экспериментом комплексное исследование процесса повреждения лопаток компрессора ГТД посторонними предметами и снижения их усталостной прочности с выходом на методику оценки эффективности конструктивных мероприятий по повышению стойкости лопаток к повреждению посторонними предметами.

2. Впервые разработана и реализована оригинальная экспериментальная методика идентификации математической модели повреждения лопатки при попадании постороннего предмета, основанная на исследовании натурных лопаток с регистрацией параметров кинематики повреждающего предмета, геометрических параметров повреждения, остаточных деформаций; разработано и изготовлено оборудование для проведения экспериментов.

3. Получены количественные оценки влияния кинетической энергии постороннего предмета на механизм, характер и параметры повреждения.

4. Получены количественные оценки влияния геометрических параметров лопатки и повреждения на коэффициенты концентрации напряжений. Предложена подтвержденная широким кругом расчетов на различных типоразмерах лопаток простое соотношение для определения теоретического коэффициента концентрации напряжений в лопатках с забоинами.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Предложена проверенная экспериментально оригинальная методика оценки эффективных коэффициентов концентрации напряжений в лопатках с повреждениями произвольной формы, основанная на проведении минимального объема усталостных испытаний.

2. Разработана инженерная методика сравнительной оценки эффективности мероприятий по повышению стойкости лопаток компрессора к повреждению посторонними предметами.

3. На примере рабочей лопатки 9-й ступени двигателя ПС-90А дана количественная оценка снижения вероятности поломки поврежденной лопатки за счет увеличения толщины входной кромки.

4. Результаты работы используются в ОАО "Авиадвигатель" при проектировании лопаток компрессора и при подготовке специалистов на Аэрокосмическом факультете Пермского государственного технического университета по специальности 160301 "Авиационные двигатели и энергетические установки".

Достоверность обеспечивается использованием апробированных методов исследования, подтверждается хорошим согласованием результатов математического моделирования повреждения лопаток посторонним предме6 том с результатами, полученными автором в ходе экспериментального исследования.

Основные положения и результаты разработанной методики докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: Аэрокосмическая техника и высокие технологии (АКТ) - 2006, АКТ - 2007, АКТ - 2008, АКТ - 2009 (г.Пермь); «Проблемы динамики и прочности в газотурбостроении» (Киев, 2007), ТигЬоЕХРО (Берлин, 2008).

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Семенова, Ирина Валерьевна

Выводы по главе

1. Проведена комплексная оценка снижения усталостной прочности лопаток компрессора вследствие повреждения их посторонними предметами. Исследованы натурные лопатки шести типоразмеров из титановых и железо-никелевого сплавов с повреждениями различного вида и размеров при колебаниях с семью различными собственными формами.

2. Конечно-элементным анализом получены теоретические коэффициенты концентрации напряжений в лопатках с У-образными и полукруглыми забоинами. В зависимости от формы и размеров повреждении, они лежат в пределах 1,8.7,0 — для различных типоразмеров лопаток и форм колебаний.

3. Установлено, что теоретические коэффициенты концентрации напряжений для рассмотренных забоин слабо зависят от размеров (в частности от толщины входной кромки) лопатки и формы колебаний, и определяется главным образом размерами повреждения.

4. Предложено соотношение, позволяющее рассчитывать теоретический коэффициент концентрации напряжений для забоины в зависимости от ее размеров. Для исследованных типоразмеров лопаток и форм забоин погрешность расчета теоретического коэффициента концентрации напряжений не превышает 9%.

5. Получены теоретические коэффициенты концентрации напряжений для повреждений в виде вмятин на входной кромке. В зависимости от размеров вмятины и лопатки их значения лежат в пределах 1,17. 1,83.

6. Предложена методика оценки чувствительности лопаток к концентрации напряжений и эффективных коэффициентов концентрации в лопатках с повреждениями произвольной формы, основанная на минимальном объеме усталостных испытаний.

7. Полученные в настоящем разделе коэффициенты концентрации напряжений и коэффициенты чувствительности лопаток к концентрации напряжений могут бьггь использованы для оценки снижения усталостной прочности лопаток с повреждениями посторонними предметами.

8. Предложена инженерная методика сравнительной оценки эффективности мероприятий по повышению стойкости лопаток компрессора к повреждению посторонними предметами. На примере лопатки 9-й ступени двигателя ПС-90А показано, что увеличение толщины входной кромки лопатки на 30% приводит к уменьшению вероятности поломки поврежденной лопатки в 3,1 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведено подтвержденное экспериментом комплексное исследование процесса повреждения лопаток компрессора ГТД посторонними предметами и снижения их усталостной прочности с выходом на методику оценки эффективности конструктивных мероприятий по повышению стойкости лопаток к повреждению посторонними предметами.

2. Разработана и реализована, подтвержденная собственными экспериментальными данными и данными других авторов, методика математического моделирования процесса повреждения лопаток при повреждении их посторонними предметами, учитывающая динамический характер напряженно-деформированного состояния, контактное взаимодействие лопатки и постороннего предмета, пластическую деформацию и разрушение, реальную геометрию лопатки. Разработанная методика может быть использована для проведения расчетов по сравнительной оценке эффективности мероприятий по повышению стойкости лопаток к повреждению посторонними предметами.

3. Установлено, что существует критическое значение кинетической энергии повреждающего предмета, при которой происходит смена механизма повреждения лопатки: пластическая деформация с образованием вмятины сменяется на разрушение с образованием забоины и потерей массы. При этом эффективный коэффициент концентрации напряжений увеличивается в зависимости от материала в 2,5.6 и более раз.

4. Получены количественные оценки теоретического коэффициента концентрации напряжений от повреждений типа забоин и вмятин для широкого круга геометрических параметров лопаток и повреждений. Установлено, что теоретический коэффициент концентрации для повреждений типа забоин слабо зависит от геометрических параметров лопатки и форм ее колебаний. Предложено простое соотношение для расчета теоретического коэффициента концентрации напряжений в лопатках с забоинами.

5. Предложена методика оценки чувствительности лопаток к концентрации напряжений и эффективных коэффициентов концентрации в лопатках с повреждениями произвольной формы, основанная на минимальном объеме усталостных испытаний.

6. Предложена инженерная методика сравнительной оценки эффективности мероприятий но повышению стойкости лопаток компрессора к повреждению посторонними предметами.

7. Предложенная в диссертационной работе методика использована для количественной оценки эффективности повышения стойкости лопаток компрессора к повреждению посторонними предметами за счет увеличения толщины входной кромки. На примере рабочей лопатки 9-й ступени двигателя ПС-90А показано, что увеличение толщины входной кромки лопатки на 30% приводит к уменьшению вероятности поломки поврежденной лопатки в 3,1 раза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Семенова, Ирина Валерьевна, 2009 год

1. Сирошн Н.Н. Конструкция и эксплуатация, повреждаемость и работоспособность газотурбинных двигателей. (Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок). — М.: РИА "ИМ-Информ", 2002. 442с.: ил.

2. Chaplin G. In 2005 Foreign Object Damage (FOD) Cost Us About $16000000, www.fodnews.com

3. Best Practices for the Mitigation and Control of Foreign Object Damage-Induced High Cycle Fatigue in Gas Turbine Engine Compression System Airfoils. RTO Technical report TR-AVT-094, NATO, 2005.

4. Иноземцев А. А. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: учеб./ А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, B.JI. Сандрацкий. — М.: Машиностроение, 2008. — Т.2 — 368с.: ил.

5. Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. — М.: Машиностроение, 1993. —240с.: ил.

6. Bachtel В. Foreign Object Debris and Damage Prevention, www.boeing.com

7. Горохова Т.Г., Смолин A.A. Анализ причин возникновения повреждении лопаток компрессоров двигателей на самолётах вследствие попадания посторонних предметов // Исследования, испытания и надёжность силовых установок: Тр. Гос.НИИ ГА. Вып. 248. М. 1986.

8. Issues, Information and Actions to Help You Prevent FOD, www.fodnews.com

9. Gravett Ph., Bellows, R. Dunyak Т., Herrmann D. and Hudalc S. Jr. The

10. Foreign Object Damage Project of the PRDA V HCF Materials and Life Methods Program, Proceedings of the 4th National Turbine Engine High Cycle Fatigue Conference, 1999.

11. Анализ причин повреждения ГТД на самолётах ГА посторонними предметами, попадающими в воздушный тракт: Отчёт о НИР/ГосНИИ ЭР AT ГА. N 19222. М. 1980.

12. Кочугин М.Е. Управление летной годностью авиационного ГТД в части попадания посторонних предметов с использованием теории риска. Автореферат диссертации. — Рыбинск, РГАТА, 2007.

13. Гишваров A.C. Анализ эксплуатационных разрушений летательных аппаратов и двигателей: Учеб. Пособие/ А.СЛГишваров; Уфимск. гос. авиац. техн. Ун-т. — Уфа: УГАТУ, 2003. — 289с.

14. Основы технологии создания газотурбинных двигателей для магистральных самолетов./ колл. авторов; под общей редакцией А.Г. Братухина, Ю.Е. Решетникова, A.A. Иноземцева. М.: Авиатехинформ, 1999. — 554с.: ил.

15. Андрейченко И.Л., Гладкий И.Л. Исследование непробиваемости корпусов ГТД методом конечных элементов // Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии 2002", - Пермь: ПГТУ, 2002.

16. Frischbier J. Vogelschlag eine Stoßbelastung in der Auslegung von Flugtriebwerken. - Vogel und Luftverkehr, 27. Jg., Heft 1/2007, Seite 4-21.

17. Научный вклад в создание авиационных двигателей. Книга 1 // Колл. авторов; Под общей научной редакцией В.А. Скибина. — М.: Машиностроение, 2000. — 725с.: ил.

18. Alves М, Micheli G. В., Driemeier L. "High-velocity impact of plates". Mechanics of Solids in Brazil, 2007, p.51-61.

19. Chen X., Hutchinson J.W. Particle impact on metal substrates with application to foreign object damage to aircraft engines. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 50 (2002) 2669 2690.

20. Chen X. Foreign object damage on the leading edge of a thin blade. Mechanics of Materials 37 (2005) 447-457.

21. Peters J.O., Ritchie R.O. Foreign-object damage and high-cycle fatigue of Ti-6A1-4V. Materials Science and Engineering A319-321 (2001) 597-601.

22. Peters J.O., Boyce B.L., Chen X., McNaney J.M., Hutchinson J.W., Ritchie R.O. On the application of the Kitagawa-Takahashi diagram to foreign-object damage and high-cycle fatigue Engineering Fracture Mechanics 69 (2002) 1425-1446.

23. Hudak, S.J., Jr. and Chell, G.G. (1999) A damage Tolerance Approach to FOD Based on the "Worst Case Notch" Concept, in the Proceedings of the 4th National Turbine Engine High Cycle Fatigue Conference, Monterey, CA, February 1999.

24. Hamrick, J.L. Effects of foreign object damage from small hard particles on the high-cycle fatigue live of T1-6A1-4V. Ph.D. Thesis. Air Force Institute of Technology, 1999.

25. Stewart I.F., Williams D.P., Nowell 0. The effect and Assessment of Foreign Object Damage to Aero Engine Blades and Vanes, Proceedings of the 4th National Turbine Engine High Cycle Fatigue Conference, 1999.

26. Nowell D., Duo P., Stewart I.F. Prediction of fatigue performance in gas turbine blades after foreign object damage.- International Journal of Fatigue, 25, 2003, p.963-969.

27. Duo' P., Nowell D., Stewart I.F., "The role of FOD in decreasing the residual fatigue strength, of Ti6Al4V compressor blades", Proceedings of the 8th High Cycle Fatigue Conference, Monterey, CA, 2003.

28. Duo P., Korsunsky A,M. and Nowell D. Residual Stresses induced by Foreign Object Damage on Gas Turbine Blades: an Experimental Approach, 12th1.ternational Conference on Experimental Mechanics, ICEM.12, Politécnico di Barí, Italy Sep 2004.

29. Duo' P., Nowell, D., Schofield J. Assessment of foreign object damage (FOD) to aero engine blades. In: Proceeding of the 9th National Turbine Engine HCF Conference, Pinehurst, NC., 2004.

30. Duó, P., Nowell, D., Schofield, J., Layton, A., and Lawson, M., 'A predictive study of Foreign Object Damage (FOD) to aero engine compressor blades', Proc. 10th National Turbine Engine HCF conference, New Orleans, Lousiana, 8th-l 1th March 2005.

31. Duo' P., Liu J., Dini D., Golshan M., Korsunsky A.M. Evaluation and analysis of residual stresses due to foreign object damage, Mechanics of Materials 39(2007) 199-211.

32. Duo P., Pianka C., Golowin A., Fueller M., Schaefer R. Simulated foreign object damage on blade aerofoils, real damage investigation. Proceedings of ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea and Air June 9-13, 2008, Berlin, Germany, ASME2008-50371.

33. Martinez C.M., Eylon D., Nicholas Т., Thompson S.R., Ruschau J.J., Birkbeck J., Porter WJ. Effects of ballistic impact damage on fatigue crack initiation in TÍ-6A1-4V simulated engine blades. Materials Science and Engineering A325 (2002) 465-477.

34. LS-DYNA Theoretical Manual Livermore Software Technology Corporation - 1999.

35. LS-DYNA Keyword User's Manual — Livermore Software Technology Corporation 2003.

36. Ansys Training Manual. Explicit Dynamics With LS-DYNAy 2000.

37. Dietenberger M., Buyuk M., Kan C-D. Development of a high strain-rate dependent vehicle model. LS-DYNA Anwenderforum, Bamberg, 2005, B-III-Ы0.

38. Fu-Jun Wanga, Li-PingWang, Jian-Gang Cheng, Zhen-HanYao. "Contact force algorithm in explicit transient analysis using finite-element method". Finite Elements in Analysis and Design 43 (2007), p.580 — 587.

39. Cavalieri F. J., Cardona A., Fachinotti V.D., Risso J. A Finite Element Formulation For Nonlinear 3D Contact Problems. — Mecanica Computacional 16 (2007), 1357-1372.

40. Нихамкин М.Ш. JI.B Воронов, И.П Конев Н.В.Плотникова. Влияние различных типов концентраторов на предел выносливости лопаток. Динамика и прочность механических систем: Межвуз. сб. научн. тр./ППИ/Пермь, 1990. С. 13 17.

41. Нихамкин М.Ш., Л.В.Воронов И.П.Конев Влияние объемных остаточных напряжений на усталостную прочность и трещиностойкость лопаток ГТД . Вестник ПГТУ. Аэрокосмическая техника №24. Пермь 2006. С. 5-11.

42. Нихамкин М.Ш., Л.В.Воронов И.П.Конев Влияние эксплуатационных повреждений и объемных остаточных напряжений на усталостную прочность и сопротивление развитию трещин в лопатках компрессоров. Вестник двигателестроения. 2006, № 3. С. 93-98.

43. Гордон Дж. Конструкции, или почему не ломаются вещи. под. ред. Милейко С.Т. - М., Мир, 1980.

44. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей/И.А. Биргер, Б.Ф. Балашов, Р.А. Дульнев и др.; Под ред. И.А. Биргера и Б.Ф. Балашова. — М.: Маш-е, 1981. — 222с.

45. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин., М., Машиностроение, 1979, 702 с.

46. Муйземнек А.Ю. Математическое моделирование процессов удара и взрыва в программе LS-DYNA: учебное пособие / А.Ю. Муйземнек, А.А. Богач. — Пенза: Информационно-издательский центр ПТУ, 2005. — 106 с.

47. Нихамкин МЛН., Семенова И.В. Идентификация математической модели продольного соударения стержней // Тез. докл. IX Всероссийской конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2006". — Пермь: ПГТУ, 2006. С.127.

48. Марочник сталей и сплавов, эл. изд. http://www.splav.kharkov.com

49. Bleck W., Larour P., Bâumer A. High strain rate tensile testing of modern car body steels. Materials forum volume 29, 2005, p.21-28.

50. Zabotkin K., O'Toole В., Trabia M. Identification of the dynamic tensile properties of metals under moderate strain rates. 16th ASCE Engineering Mechanics Conference, University of Washington, Seattle, 2003

51. American Society for Metals Handbook, Mechanical Testing and Evaluation, Vol. 8, ASM International, Ohio, 2000.

52. Скоростное деформирование элементов конструкций/ Воробьев Ю.С., Колодяжный А.В., Севрюков В.И., Янютин Е.Г.; Отв. ред. Голоскоков Е.Г.; АН УССР. Ин-т пробл. машиностроения.- Киев: Наук, думка, 1989.192 с.

53. Cunat P-J. Stainless steel properties for structural automotive applications. Metal Bulletin International Automotive Materials Conference, Cologne, 2000.

54. Дель Г.Д., Новиков H.A. Метод делительных сеток. M.: Машиностроение, 1979. — 144 с.:ил.