Способ ускоренных ресурсных испытаний деталей газовых турбин

 

Изобретение относится к машиностроению. Цель изобретения - повышение производительности путем сокращения времени испытания. Для этого перед проведением ускоренных циклических испытаний двигателя осуществляют нагружение детали или образца материала детали вне газотурбинного двигателя при форсированном по нагрузке режиме малоцикловой усталости и при синфазном изменении температуры T и напряжения σ, выдерживают деталь при эквивалентном режиме и температуреТ<SB POS="POST">макс</SB> в течение времени T<SB POS="POST">в</SB> и определяют максимальное предельное напряжение σ<SB POS="POST">макс</SB> малоцикловой усталости детали для условий форсированного нагружения от нулевого цикла при выбранной долговечности &Tgr;<SB POS="POST">в</SB>, которая меньше ресурса двигателя. Далее проводят циклические испытания детали на малоцикловую усталость с параметрами цикла максимального напряжения σ<SB POS="POST">макс</SB> и при максимальной температуре T<SB POS="POST">макс</SB> с изменением длительности выдержки относительно длительности T<SB POS="POST">в</SB> эквивалентного режима и определяют время T<SB POS="POST">вт</SB> выдержки, при котором ресурс &Tgr;<SB POS="POST">вт</SB> до разрушения материала минимален. Циклическое нагружение детали в составе газотурбинного двигателя осуществляют с длительностью T<SB POS="POST">вт</SB> выдержки на эквивалентном режиме при напряжениях σ<SB POS="POST">макс</SB> и температуре T<SB POS="POST">макс</SB> продолжительностью, определяемой по формуле приведенной в тексте описания изобретения. 4 ил.

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ts<«s 6 01 N 3/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ1-СИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

6 (21) 4405423/25-28 (22) 20,01.88 (46) 15.12.90. Бюл. ¹ 46 (71) Киевский институт инженеров гражданской авиации им. 60-летия СССР (72) А.Н. Ветров, B.È. Молодкин и Ю.А. Нлкитин (53) 620. 178(088.8) (56) Кузнецов Н.Д., Цейтлин B.È. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей, М.: Машиностроение, 1976, с. 165 — ",67. (54) СПОСОБ УСКОРЕННЫХ РЕСУРСНЫХ

ИСПЫТАНИЙ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОВЫХ ТУРБИН (57) Изобретение относится к машиностроеwe. Цель изобретения — повышение производительности путем сокращения времени испытания. Для этого перед проведенлем ускоренных циклических испытаний двигателя осуществляют нагружение детали или образца материала детали вне газотурбинного двигателя при форсированном по нагрузке режиме малоцикловой усталости и при синфазном изменении температуры t u напряжения (т, выдерживают деталь при эквивалентном режиме и температуре Т акс в

Изобретение относится к машиностроению, в частности к исследованию материалов и конструкций на прочность, и может быть использовано при разработке программ ускоренных эквивалентных испытаний газотурбинных двигателей по проверке их эксплуатационного ресурса.

Цель изобретения — повышение производительности путем сокращения времени испытания.

На фиг. 1 изображена схема нагружения образцов, воспроизведенная при испытаниях жаропрочных материалов на малоцикло„„ Щ„„1613у24 А1 теченле времени ть и определяют максимальное предельное напряжение с4, с малоцикловой усталости детали для условий форсированного нагружения отнулевого цикла при выбранной долговечности т, которая меньше ресурса двигателя. Далее проводят циклические испытания детали на малацикловую усталость с параметрами цикла максимального H3llpA>KBwA О дк„- и при максимальной температуре Трам с изо менением длительности выдержки относительн- дллтельности @ эквивалентного режима и определяют время 4„выдержки, при котором ресурс 4 до разрушения материала минимален. Циклическое нагружение детали в составе газотурбинного двигателя осуществляют с длительностью ttm Bûäåðæки на эквивалентном режиме при напряжениях (4акс и температуре Тмэкс з продолжительностью, определяемой по формуле,, приведенной в тексте описания изобретения. 4 ил. вую усталость в неизотермических условиях; на фиг. 2 — результаты испытаний сплава

ЖС6Ф на малоцикловую усталость при термсциклировании по режиму 600 950 С; на фиг. 3 — зависимости предельных напряжений оТ длительности ть выдержки и времени до разрушения; на фиг. 4 — графики вспомогательных функций для математической модели циклической долговечности материала.

Способ с:уществляют следующим образом, Для конкретного газотурбинного двигателя определяют стносительную наработку

1613924

ti на основных стационарных режимах за типовой среднестатистический эксплуатационный цикл работы и в течение времени 7р

50дТ»«=6000850 С 600 950 С 600й1050ОС а также образцы из материалов ЖС6КП, ЭП708ВД, ЭД718ИД при трех режимах терресурса. Для этих режимов рассчитывают температуру Tl и действующие напряжения с в зоне вероятного разрушения выбранной детали газовой турбины. По семейству экспериментальных изотермических кривых длительной прочности материала детали, описываемому функцией t(oi Т() находят значения времени до разрушения материала ri на каждом 1-м режиме эксплуатационного цикла работы газотурбинного двигателя, Нз основе анализа нагруженности и теплового состояния детали газовой турбинь. назначают эквивалентный режим работы газотурбинного двигателя. Обычно в качестве такового принимают режим с максимальными температурой Т »«и напряжениями о»кс, действующими в детали газовой турбины. Для авиационного ràçoтурбинного двигателя это взлетный режим.

Исходя из принципа линейного суммирования повреждений, определяют длительность эквивалентного режима tb, ззменяюще;о эксплуатационный цикл работы газотурбинного двигателя, и сумь арную длительность t3$ этого режима зз ресурс rio следующим формулам:

k ть = tn (tt +Й, — ó); (1) =Р

1, =-т,(п+п — ), (2) =Р где tn — среднестатистическая длительность суммы стационарных режимов эксплуатационного цикла;

k — число указанных режимов; индекс 1 относится к эквивалентному режиму;

Гр — проверяемый ресурс двигателя, Проводят форсированные по нагрузке испытания детали газовой турбины или образцов ее материала на малоцикловую усталость в условиях синфазного изменения температуры и напряжений с выдержкой при температуре Т4„эквивалентного режима длительностью 4. В результате этих испытаний находят максимальное предельное напряжение dMa«малоцикловой усталости для форсированного отнулевого цикла нагружения при долговечности ò9 (база испытаний), ксторую принимают на 1-2 порядка меньше, чем проверяемый ресурс двигателя. Затем путем испытаний детали на малоцикловую усталость с максимальным напряжением o»wc цикла и максимальф ной температурой Т4к, изменяя длительность выдержки и ри отмеченных

5 параметрах относительно величины Я, методом проб и ошибок или каким-либо другим способом определяют длительность

;4выдержки, при которой время до разру10 шения материала детали имеет минимально возможное значение 4, Продолжительность ускоренных циклических испытаний газотурбинного двигателя с длительностью

14 выдержки на эквивалентном режиме при

1,, максимальных напряжениях 0 a«и темпеРЗТУРЕ »кс ОПРЕДЕЛЯЮТ ПО ФОРМУЛЕ

4ubm = ТЗУ(1+ — — — — ), (3) и ... t зг. +Тсб .

20 тВ 4

rpe tp3f и tcQp длительность разгона двигателя до эквивалентного режима и длительность сброса газа;

t-,- — суммарная длительность эквивалентного режима зз проверяемый ресурс двигателя, определяемая по формуле (2).

В случае авиационного газотурбинного двлгзтеля необходимое число эквивалентных циклов для xicKopBHHb1x испытаний это число пооб и риемистости с выдержками на взлетном режиме длительностью 4п, которое находят по формуле

%Ьгп (4)

4п + трзг +. сбр

35 Были проведены испытания образцов жарапрочных материалов на мзлоцикловую усталость при синфззном изменении напряжений и температуры. Эксперимент проводили на еерийной испытательной установке

40 УУЭ-10ТМ, которая была дополнительно оборудована системой циклического нагрева образцов электрическим током и охлаждения сжатым воздухом, Доработанная установка обеспечивает возможность испы45 тания цилиндрических образцов диаметром

5 мм и длиной рабочей части 25-30 мм по схеме циклического неизотермического нагружения, приведенной í" фиг. 1, Испыты, вали образцы из сплава ЖСбФ при Тмин моциклировзния для каждого сплава.

Изменение температуры T(t) и напряжений a(t) производили по трапециевидному циклу с выдержками при максимальных напряжениях и температуре длительностью tB, значения которой принимали следующими для сплава ЖС6Ф: 1ь=О; 1/60С, 1/200; 1/12 ч, 1613924

При каждом значении tb испытывали по 15-18 образцов на 3-5 уровнях максимальных напряжений. Среднюю скорость приложения и снятия напряжений Оопринимали постоянной и равной 90 МПа/с. При этом скоро- 5 сть нагрева и охлаждения образцов в условиях неизменного размаха температур

ЛТ зависела от максимальных напряжений цикла и в исследованном диапазонеомаксвеличина Л Т/t =AT/tax, где t и tox — длител ь- 10 ность полуциклов изменения температуры.

В процессе испытаний регистрировали полное число N циклов до разрушения образцов, Время до разрушения к вычисляли по соотношению: 15 макс

1800 6Э

Результаты испытаний образцов из сплава ЖС6Ф для режима термоциклирования 600 960 С приведены на фиг. 2 в виде 20 экспериментальных точек, отражающих связи между временем до разрушения и максимальными напряжениями

a = сгмакс цикла, На этом же графике приведена кривая длительной прочности сплава 25

ЖС6Ф (кривая 2), соответствующая максимальной температуре Тмакс=950 С цикла.

Расположение точек на фиг. 2 позволяет принять гипотезу о линейной зависимости между Ig r и o 30

Igr =a+ ba, (6) где а, Ь вЂ” коэффициенты, зависящие от длительности выдержки, Как следует из фиг. 2, длительность выдержки оказывает сложное влияние на цик- 35 .лическую долговечность сплава.

Минимальное время до разрушения соот- . ветствует величине tb=1/200 ч. Увеличение до 1/12 ч приводит к повышению r примерно в 2 раза. Согласно логическим соображе- 40 ниям дальнейший рост величины tb должен плавно приближать кривые малоцикловой усталости к кривой длительной прочности,, - для которой tb=r. Снижение длительности ..

ВЫдЕржКИ ПО ОТНОШЕНИЮ К ВЕЛИЧИНЕ tbm таК- 45 же вызывает увеличение циклической долговечности (кривые 3 и 5), что в предельном случае (tb 0) должно плавно привести результаты испытаний к кривой 1.

Экспериментальные факты о наличии 50 длительности выдержки tbr, при которой время до разрушения материалов имеет минимально возможное значение, положены в основу предлагаемого способа ускоренных испытаний путем эквивалентной замены циклов нагружения с произвольной длительностью выдержки циклами с выдержкой tbr. Кроме того, анализ работ и результатов испытаний материалов ЖС6КП, ЭП708ВД, ЭП718ИД показываег, что велиЧИНа tbm НЕСУЩЕСТВЕННО ЗаВИСИт От ВРЕМЕНИ

ДО РаЗРУШЕНИЯ, т.Е. tbm(r) =COnSt, а КРИВЫЕ малоцикловой усталости при различных длительностях выдержки tb< и tm, превыШаЮЩИХ ВЕЛИЧИНУ tbm, В ПОЛУЛОГаРИфМИЧЕских координатах примерно параллельны, т.е. при любой нагрузке

r (ibf }/т (ть2 ) =const . на основе последних фактов получена формула (3).

Приведенные на фиг. 2 кривые долговечности можно представить в виде зависимостей предельных напряжений от длительности выдержки для различных постоянных значений времени до разрушения образцов (фиг, 3), Для компактности графического представления правые ветви (т.е. после штрихпунктирной линии) построены в логарифмическом масштабе, а левые — в нэтурал ьном.

Для аналитического описания приведенных на фиг, 3 кривых используют функцию вида

aMaxc (r, ть ) =Омакс (r) ф(ть т)к к (Ca

Из соотношений (7) и (8) следуют равенства омакс(т . О) =омакс(Г} и

<умакс (r, Г } = Одл (т }, которые отражают граничные условия для функции

O a«(r. tb ) (фИГ. 3).

Согласна фиг. 3 и соотношению (7) для всех значений омакс < (тд„должно выполняться условие ф (tb, r)>1, исходя из которого предельная функция (8) представляется s виде: (9) ф(Ь, r} причем а (г } определяется в соответствии

С тРЕбаааНИЕМ P (tbm)=1, ПОЗВОЛЯЮЩИМ ИСКлючить p(tb) из выражения (9) и получить иэ него формулу:

a(r } = Ig — bm — С, Igr. (10)

1 — ф tbmr ,График функции (10) приведен на фиг. 4, анализ которого позволяет. принять линейную аппроксимацию вида. а(}=С,+С, Igr.. (11)

Численные значения коэффициентов этого уравнения равны С>-6,44; С2=-2,85.

Коэффициент Со функции (9) выбран по условию максимального приближения пра1613924 вой ветви зависимости (10) при г > 1с.к линейной и составляет Co=:3

С учетом соотношения (11) из формулы (9) находят

5„r)fC>+ Со+Cz)lgr) 5 ф Ть,t ig tb -igt (12)

Из полученного выражения (12) следует, что 8(tb) зависит не только от длительности выдержки, но и от долговечности, Однако, как показывают вычисления, последняя зависимость несущественна, поэтому используют для аппроксимации функции (12) при некотором t =const следующее выражение: ф (Ь) = " + G3 ig= + Сд ig — + С5 ig

Ть(л tbm 1ьл. (13) которое соответствует ранее принятому условию фь((()=1. Определяя коэффициенты

Сз-С5 по кривой ф(ть) (фиг. 4), вычисленной с помощью формулы (12) при т =100 ч, полу-, чаем Сз=0,6525," С =О,68877; С5=0.,221815, Аппроксимирующие формулы (11) и (13) полностью определяют функцию (9), что позволяет рассматривать уравнение (7) как чвную математическую модель долговечности материала при исследованном виде малоцикловога нагружения, Приравнивая произОД(iуЮ ОТ фуН КЦИИ t7i|ак\ (i tb ) П О переменной tb нулю, получаем уравнение для onределения расчетной по э .й модели ф Выдержки соо1 ве-;стр,„ (огцей минимуму предельных напряжений и, значит, минимуму цикличес(сой долгоьечно- -5 сти материала

d0M; йль) - — - /3(Ж„) +(itg iom — ц 1((Ъ+ 2С Я вЂ” + 3С5 ig — "- = 0, (14)

ТЬд tbm

ГДЕ ФУНКЦИЯ ф(4л) -"-аДаНа СОСТ(3ОШЕНИЕМ (13).

Решение уравнения (14) итерационным методом на ЗВАЛ показывает, что для дан-, ных, приВеденных HB фиг. 2 и 3. Величина

@л в диапазоне долговечности ig =3 — 5 составляет 42-49 с, HB основании формулы (6) для граничных предельных напряжений модели (7) ". 0 получаем формулы

С4акс{Т) = " ((Я(— Зо), Ьо

Одл (Я адл ) (15)

Ьдл 55 коэффициенты ко .Орых равны ао=4,78369 .

bo=-8,19872 i 0 адл.=4,75; Ьдл.=О 01 °

Подставляя соотношение (9) и (11) и (15)

s формулу(7). получаем квадратное уравнение Относительно igt, решение которого имеет вид: 2А

В + 1В +4АС (16)

rpe A=ho(Co+Ca)-bëë.Ф ((ь)

В = Ьо(С1 - (Со + C2) (адл + Ьдл (7макс))

+ Ьдл Р (ТЬ) (Bo + Ьс П(акс+ ig ТЬ )

С = Ьо С3 (адл + Ьдл %(акс ) + Ьдл P(tb )

X (Bo+ Ьо%(акс) ig tb .

Пример расчета по предлагаемому cnocoby Выполнен на базе программы эквивалентных испытаний авиационного двухконтурного двигателя пассажирского самолета, В таблице,д аны Относительная НВрВ60Т ка двигателя tl на основных эксплуатационных режимах и долговечность рабочей лопатки турбины rj при нагрузках и температурах этих режимов, В течение г роверяемого ресурса двигателя rp =5000 ч наработка на взлетном рея;име составит ц=0,02x5000=100 ч, Расчет

flo формуле (2) показывает, что в эквивалентной программе суммарная наработка двигателя на взлетном режиме должна быть равна t =150 ч, Значит, дополнительная наработка на этом режиме при испытаниях

50 ч заменяет по длительной статической поврежденности раоочих лопаток турбины действие остальных режимов, приведенных в таалице., в течение 4900 ч эксплуатации двигателя.

При длительности эксплуатационного цикла работы двигателя 50 мин наработка

HB взлетном режиме в этом цикле составляет I мин, а в цикле эквивалентных испытаний. согласно расчету по формуле(1) — 4=15 wH. количество эквиВалентных цикловдлительно стью tg равно М,3ь= й; /4=6000, а продолжительность их воспроизведения при испытаниях, если длительности разгона двигателя до взлетного режима tpgr и сброса газа эсэр пРИНЯть по 15 с, составит

Ьиь=Nub(tb+tpsr+to5p)=200 ч, Путем форсированных испытаний образцов материала рабочей лопатки из сплава ЖС6Ф ча малоцикловую усталость с максимальным напряжением цикла о макс =200 МПа и длительностью выдержки

@=-i,5 мин при максимальной температуре лопатки эквивалентного режима

i (акс=950 С расчетом по формуле (16) находят 4 =52,6 ч, При неизотермическом малоцикловом нагружении сбразцов из сплава

ЖС6Ф с параметрами викла (4акс =200

МПа: Т(лакс=950 С МЕТОДОМ Подбора ИЗ ЭКС1613924

10 перимента определяют (путем решения уравнения (14) при т = 4 =52,6 ч) длительность выдержки 4, =45 с, которой соответствует минимальное время до разрушения образцов т „= 39,8 ч, последняя рассчитана по формуле (16) при ь=4п=45 с.

Если ускоренные циклические испытания двигателя проводить с длительностью эквивалентного режима в цикле, равном

4 П=45 с, то малоцикловые повреждения будут накапливаться в рабочих лопатках газовой турбины за время, меньшее, чем при длительности 4=1,5 мин на величину отношения 4п /4, -0,7575. Вычисляя продолжительность ускоренных испытаний по формуле (3), получаем Ь ьа =151,5 ч. Таким образом, время проверки длительной прочности рабочих лопаток газовой турбины сокращаетсч на величину hub Ьць=49,5 ч.

Число циклов ускоренных испытаний определяют по формуле (4) N>bm=7272, Формула изобретения

Способ ускоренных ресурсных испытаний деталей газовых турбин, заключающий ся в том, что нагружают испытуемую деталь в составе газовой турбины на нескольких эксплуатационных режимах, определяют температуру Т и напряжение oi в зоне веро.ятного разрушения испытуемой детали для каждого i-ro режима в течение времени ti наработки за цикл и в течение времени тр, соответствующего ресурсу, определяют время т1 до разрушения материала детали для каждого.)-ro эксплуатационного режима; по максимальным напряжениям (факс и температурам Т><а«в детали определяют длительность Я эквивалентного эксплуатационного режима двигателя и суммарную длительность этого режима s течение всего ресурса и проводят ускоренные циклические испытания газотурбинного двига-. теля на эквивалентном режиме, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения производительности путем сокращения времени испытания, перед проведением ус5 коренных циклических испытаний двигателя осуществляют нагружение детали или образца материала детали вне газотурбинного двигателя при форсированном по нагрузке режиме малоцикловой усталости и

10 при синфазном изменении температуры Т и напряжения о, выдерживают деталь при эквивалентном режиме и температуре Т „„, в течение времени t5 и определяют макси15 мальное предельное напряжение 03акс малоцикловой усталости детали для условий форсированного нагружения от нулевого цикла при.выбранной долговечности tf, которая меньше ресурса двигателя, проводят циклические испытания детали на малоцикловую усталость с параметрами цикла максимального напряжения 4акс и при максимальной темггературе Т а«с изменением

25 длительности выдержки относительно длительности ть эквивалентного режима и определяют время 4а выдержки, при котором ресурс 4а до разрушения материала минимален, а цикличе30 ское нагружениедетали всоставегазотурбинного двигателя осуществляют с длительностью

t4 выдержки на эквивалентном режиме при

l напряжениях(факс и температуре Т акс продолжительностью, определяемой по формуле

,ь,. = — ы (1+- — — ) ° где tpsr — длительность разгона двигателя до эквивалентного режима;

40 мосбр — длительность сброса газа;

tey — суммарная длительность эквивалентного режима в течение проверяемого ресурса двигателя;

4- длительность режима в цикле испытаний.

1613924

mi rr

1613924

1613924 о оаг рак our о,f r,î ю ию t,,÷

Puzd

О ОМГОООФ 0N 01 1,О

Puz. 4

Составитель Г. Лукашевич

Редактор Т. Парфенова Техред M,Моргентал Корректор Т. Патей

Заказ 3888 Тираж 499 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 !

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101