Способ ускоренных ресурсных испытаний деталей газовых турбин Советский патент 1990 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к исследованию материалов и конструкций на прочность, и может быть использовано яри 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 спытани- ях жаропрочных материалов на малоцикловую усталость в неизотермических условиях; на фиг. 2 - результаты испытаний сплава ЖС6Ф на малоцикловую усталость при тер- моциклировании по режиму 600 950°С; на фиг. 3 - зависимости предельных напряжений от длительности tb выдержки и времени г до разрушения: на фиг. 4 - графики вспомогательных функций для математической модели циклической долговечности материала.

Способ осуществляют следующим образом.

Для конкретного газотурбинного двигателя определяют относительную наработку

Сл)

ю

го

ti на основных стационарных режимах за типовой среднестатистический эксплуатационный цикл работы и в течение времени Г ресурса. Для этих режимов рассчитывают температуру Ti и действующие напряжения oj в зоне вероятного разрушения выбранной детали газовой турбины. По семейству экспериментальных изотермических кривых длительной прочности материала детали, описываемому функцией r(oi,Tt) , находят значения времени до разрушения материала г на каждом 1-м режиме эксплуатационного цикла работы газотурбинного двигателя.

На основе анализа нагруженности и теплового состояния детали газовой турби- Hbf назначают эквивалентный режим работы газотурбинного двигателя. Обычно в качестве такового принимают режмм с максимальными температурой Тмакс и напряжениями ,акс . действующими в детали газовой турбины. Для авиационного газотурбинного двигателя это взлетный режим. Исходя из принципа линейного суммирования повреждений, определяют длительность эквивалентного режима tl, заменяющего эксплуатационный цикл работы газотурбинного двигателя, м суммарную длительность ts этого режима за ресурс по следующим формулам:

tt tn(ti-fr||;|); Тэ -rp(.tl+ri||).

т

(2)

где tn - среднестатистическая длительность суммы стационарных режимов эксплуатационного цикла;

k - число указанных режимов;

индекс 1 относится к эквивалентному режиму;

Тр - проверяемый ресурс двигателя,

Проводят форсированные по нагрузке испытания детали газовой г/рбины или образцов ее материала на малоцикловую усталость в условиях синфазного изменения температуры и напряжений с выдержкой

при температуре Тмакс эквивалентного режима длительностью t|. В результате этих испытаний находят максимальное предельное напряжение малоцикловой усталости для форсированного отнулевого цикла нагружения при долговечности zf (база испытаний), которую принимают на 1-2 порядка меньше, чем проверяемый ресурс двигателя. Затем путем испытаний детали на малоцикловую усталость с максималь

HbiiM напряжением цикла и максимальной температурой Тмакс, изменяя длительность выдержки при отмеченных параметрах относительно величины tE, методом проб и ошибок или каким-либо другим способом определяют длительность tвmвыдepжки, при которой время до разрушения материала детали имеет минимально возможное значение т1т , Продолжительность ускоренных циклических испытаний газотурбинного двигателя с длительностью tpm выдержки на зкв1 валентном режиме при максимальных напряжениях Омакс и температуре Тмакс определяют по формуле:

к 1. - - -и # 1 L P3f. + tc6p. fr,

hubm - -г- Сэ-е ( 1 + ) , {3}

20

10

где Трзг, и tc6p - длительность разгона двигателя до эквивалентного режима и длительность сброса газа;

t-dS: суммарная длительность эквива- лентного режима за проверяемый ресурс двигателя, определяемая по формуле (2).

В случае авиационного газотурбинного двигателя необходимое число эквивалентных циклов для ускоренных испытаний - это число проб приемистости с выдержками на

взлетном режиме длительностью , которое находят по формуле

hubm

30

Nubrn

(4)

35

40

tffm -Ь tpar -i-.tc6p

Были проведены испытания образцов жаропрочных материзлоз на малоцикловую усталость при синфазном изменений напряжений и температуры. Эксперимент проводили на серийной испытательной установке УМЭ-10ТМ, которая была дополнительно оборудована системой циклического нагрева образцов электрическим током и охлаждения сжатым воздухом. Доработанная установка обеспечивает возможность испы45 танмя цилиндрических образцов диаметром

5 мм и длиной рабочей части 25-30 мм по

схеме циклического неизотермического нагружения, приведенной на фиг. 1, Испыты, еали образцы из сплава ЖС6Ф при Тмин

50 Тмакс 6003850°С; 600 950°С: 600Й1050°С, а также образцы из материалов ЖСбКП, ЭП708ВД, ЭД718ИД при трех режимах тер-v моциклирования для каждого сплава.

Изменение температуры T(t) и напряже55 ПИЙ a(i} производили по трапециевидному циклу с выдержками при максимальных н,- прйжениях и температуре длительностью te, значения которой принимали следующими для сплава ЖС6Ф; 1/600; 1/200; 1/12 ч.

При каждом значении ть испытывали по 15-18 образцов на 3-5 уровнях максимальных напряжений. Среднюю скорость приложения и снятия напряжений 0сг принимали постоянной и равной 90 МПа/с. При этом скорость нагрева и охлаждения образцов в условиях неизменного размаха температур АТ зависела от максимальных напряжений цикла и в исследованном диапазонестмакеве- личина Д T/tM AT/tox, где tH и tox - длительность полуциклов изменения температуры. В процессе испытаний регистрировали полное число N циклов до разрушения образцов. Время до разрушения г вычисляли по соотношению:

() Р)

Результаты испытаний образцов из сплава ЖС6Ф для режима термоциклирова- ния 600 е960°С приведены на фиг. 2 в виде экспериментальных точек, отражающих связи между временем до разрушения и максимальныминапряжениями

0 О макс цикла. На этом же графике приведена кривая длительной прочности сплава ЖС6Ф (кривая 2), соответствующая максимальной температуре Тмакс 950°С цикла. Расположение точек на фиг. 2 позволяет принять гипотезу о линейной зависимости между Ig г и от

1дт а+ЬЧ7,(6)

где а, b - коэффициенты, зависящие от длительности выдержки.

Как следует из фиг. 2, длительность выдержки оказывает сложное влияние на цик- лическую долговечность сплава. Минимальное время до разрушения соот- ветствует величине tb 1/200 ч. Увеличение до 1/12 ч приводит к повышению г примерно в 2 раза. Согласно логическим соображениям дальнейший рост величины tb должен плавно приближать кривые малоцикловой усталости к кривой длительной прочности, для которой . Сни кение длительности выдержки по отношению к величине tbm также вызывает увеличение циклической долговечности (кривые 3 и 5), что в предельном случае () должно плавно привести результаты испытаний к кривой 1.

Экспериментальные факты о наличии 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 длиельностью выдержки циклами с выдержкой tbr. Кроме того, анализ работ и езультатов испытаний материалов ЖСбКП,

5

ЭП708ВД, ЭП718ИД показываег, что величина tbm несуидественно зависит от времени до разрушения, т.е. tbm(r) «const, а кривые малоцикловой усталости при различных

5 длительностях выдержки tbi и tb2 , превышающих величину tbm, в полулогарифмических координатах примерно параллельны, т.е.прилюбойнагрузке

т( tbi )A(tb2 ) -const. На основе послед10 них фактов получена формула (3).

Приведенные на фиг. 2 кривые долговечности можно представить в виде зависимостей предельных напряжений от длительности выдержки для различных по15 стоянных 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 на0 туральном.

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

Омакс ( Г, tb ) ОЙакс ( 7.) - (tb, Г )t « oSaKC ( Г ) - 0-дл ( Г ) ,(7)

где оЙакс - максимальное предельное напряжение отнулевого цикла нагружения при fffin - предел длительной статической 0 прочности материала пои Т Тмакс;

( Ь-) {Гп иГ°ГИ

Из соотношений (7) и (8) следуют

g равенства стмаксСг. О ) оаакс(г) и

Стмакс ( 7, Т) Одл (Г ) , котЪрые отражают

граничные условия для функции

Омакс ( . tb ) (фиг. 3).

Согласно фиг. 3 и соотношению (7) для Q. всех значений Ор должно выполняться условие 1р (tb, ф1, исходя из которого предельная функция (8) представляется в виде:/X

и-(ъ... ), : 5 C;3{gr-ba(r)-l-/S(tb)(lgtb-lgry

причем «(г)определяется в соответствии с требованием/S(tbm)1, позволяющим исключить /5(tb) из выражения (9) и получить из него формулу:

0 (г( . ) , р ,f.f..

- 1 V (tbmr)

График функции (10) приведен на фиг. 4. анализ которого позволяет принять линейную аппроксимацию вида: 5 «(r)Ci-bC2-lgro .(11)

Численные значения коэффициентов этого уравнения равны ,44,- ,85.

Коэффициент Со функции (9) выбран по условию максимального приближения правой ветви зависимости (10) при г 1г к линейной и составляет ,

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

,g/., ч - 1 --(tb, r)ICt Ч- (Со ч- С2) ig 1р())

(12)

Из полученного выражения (12) следует, 4TOj5(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 r const следующее выражение:

/ (tb) 1-}-GJ 1д.| + С4 Sg. Ч-С5 ig.

ibmtbmibm

(13)

которое соответствует ранее принятому условию Д1ьт)1. Определяя коэффициенты Сз-Сб по кривой /5(1ь)(фиг. 4), вычисленной с помощью формулы (12) при ч, полу- чдем ,6525; ,68877; ,221815.

Аппроксимирующие формулы (11) и (13) полностью определяют функцию (9), что позволяет рассматривать уравнение (7) как явную математическую модель долговечности материала при исследованном виде малоциклового нагружения. Приравнивая произ- аодггую от функции OivjaKc (т, tb ) по переменной tb нулю, получаем уравнение ДЛ5 определения расчетной по эт-ой модели

длительности tmn зыдержкУ, соответствующей минимуму предельных напряжений и, значит, минимуму циклической долговечности материала

(tg.) f- . - дг)(Сз -ь -f-2C4lgf2:.-{-3C5lg2j2 --0,(14)

iDFniDm

где функция S(tem) задана соотношением (13).

Решение уравнения (14) итерационным методом на ЭВМ показывает, что для данных, приведенных на фиг. 2 и 3. величина

tSrn в диапазоне долговечности Ig г 3-6 составляет 42-49 с.

На основании формулы (6) для граничных предельных напряжений модели (7) получаем формулы

(т)7(1дг--ао);

DO

Д (

Ьдо

(15)

коэффициенты которых равнь} ,78369; ,19872 адл.4,75; Ьдл.-0,01.

Подставляя соотношение (9) и (11) и (15) в формулу (7), получаем квадратное уравнение относительно Igr , решение которого

имеет вид:

0

5

0

5

0

5

5

0

д г - 2А

(16)

где (Со+С2)-Ьдл./ (tb);-

В - (Со + С2)(адл + Ьдл (7макс) +

+ Ьдл уЗ (tb) (ао + bo сгмакс + ig tb );

С bo -Cl ( адл + Ьдг (Тнакс ) + Ьдл( tb )Х X ( ас + bo СГмакс ) Ig tb .

Приг лер расчета по предлагаемому способу выполнен на базе программы эквивалентных испытаний авиационного двухконтурного двигателя пассажирского самолета.

В таблице даны относительная наработка двигателя ti на основных эксплуатационных режимах и долговечность рабочей лопатки турбины г при нагрузках и температурах этих режимов,

В течение проверяемого ресурса двигателя Гр 5000 ч наработка на взлетном режиме составит ,02x5000 100 ч. Расчет по формуле (2) показывает, что в эквивалентной программе суммарная наработка двигателя на взлетном режиме должна быть равна t32: 150 ч, Значит, дополнительная наработка на этом режиме при испытаниях 50 ч заменяет по длительной статической поврежденности рабочих лопаток турбины действие остальных режимов, приведенных в таблице, Е течение 4900 ч эксплуатации двигателя.

При длительности эксплуатационного цикла работы двигателя 50 мин наработка на взлетном режиме в этом цикле составляет 1 мин, а в цикле эквивалентных испытаний, согласно расчету пoфopмyлe(1)-ti 15мин. Кол чество эквивалентных циклов длительностью t| равно , а продолжи- тельность их воспроизведения при испытаниях, если длительности разгона двигателя до взлетного режима рзг.и сброса газа tc5p принять по 15 с, составит (tb+tp3r+tc6p)200 ч.

Путем форсированных испытаний образцов материала рабочей лопатки из сплава ЖСбФ на малоцикловую усталость с максимальным напряжением цикла

oSaKc 200 МПа и длительностью выдержки ,5 мин при максимальной температуре лопатки эквивалентного режима Тмакс 950 С расчетом по формуле (16) находят lif 52,6 ч. При неизотермйческом малоцикловом нагру:кении образцов из сплава ЖСбФ с параметрами цикла оЙзкс 200 МПа; Тмакс 950°С методом подбора из эксперимента определяют (путем решения теля на эквивалентном режиме, отличаю- уравнения (14) при т г| 52,6 ч) длите ль- Щ и и с я тем, что, с целью повышения ность выдержки t 45 с, которой соответ- производительности путем сокращения ствует минимальное время до разрушения с испытания, перед проведением ус- J, н омушсги и 5 коренных циклических испытаний двигатеобразцовг т-39,8 ч, последняя рассчитана ля осуществляют нагружение детали или по формуле (16) при с.образца материала детали вне газотурбинЕсли ускоренные циклические испыта- ° ° Двигателя при форсированном по на- ния двигателя проводить с длительностью грузке режиме малоцикловой усталости и эквивалентного режима а цикле, равном .. О при синфазном изменении температуры Т и с, то малоцикловые повреждения бу- напряжения а, выдерживают деталь при эк- дут накапливаться в рабочих Лопатках газо- вивалентном режиме и температуре Тмакс в ВОЙ турбины за время, меньшее, чем при течение времени t| и определяют макси- длительности ,5 мин на величину отно- 15 мальное предельное напряжение оЙакс ма- шения твт/tfrn О.ТбТб. Вычисляя продол- лоцикловой усталости детали для условий жительность ускоренных испытаний по форсированного нагружения от нулевого формуле (3), получаем ,5 ч. Таким цикла при.выбранной долговечности ко- образом, время проверки длительной проч- торая меньше ресурса двигателя, проводят нос.и рабочих лопаток газовой турбины со- 20 циклические испытания детали на мэлоцик- кращается на величину hub-hubm 49,5 ч. ловую усталость с параметрами цикла мак- Число циклов ускоренных испытаний опре- деляют по формуле (4) . симального напряжения ойакс и при

максима;:ьной температуре с изменением

Формулаизобретения25 Длительности выдержки относительно длитель Способ ускоренных ресурсных испыта- ности tg эквивалентного режима и определяют НИИ деталей газовых турбин, заключающий-лж

ся в том, что нагружают испытуемую деталь выдержки, при котором ресурс & до в составе газовой турбины на нескольких Разрушения материала минимален, а цикличе- эксплуатационных режимах, определяют 30 скоенагружениедетализсоставегазотурбинно- температуруТ| и напряжение СГ| в зоне веро- Двигателя осуществляют с длительностью .ятиого разрушения испытуемой детали для выдержки на эквивалентном режиме при каждого 1-го режима в течение времени t( напряженияхо кс и температуреТ «кс продол- наработки за цикл и в течение времени Гр , жительностью, определяемой по формуле соответствующего ресурсу, определяют t

время п до разрушения материала деталиhubm - tas. ( 1 + ч- tc6p

для каждого i-ro эксплуата ционного режи-, - tg;tE

ма, „о максимальным напряжениям св.„ „ д зГв;„Г„1Гр°ежи 2: ° . температурам Тмакс в детали определяют 40 tc6p - длительность сброса газа; длительность tl эквивалентного эксплуата- суммарная длительность эквивационного режима двигателя и суммарную лентного режима в течение проверяемого длительность tag этого режима в течение .ресурса двигателя;

всего ресурса и проводят ускоренные цик-. , t| - длительность режима в цикле испы- лические испытания газотурбинного двига- таний.

так

О

Фие.1

НП9

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_макс в течение времени T_в и определяют максимальное предельное напряжение σ_макс малоцикловой усталости детали для условий форсированного нагружения от нулевого цикла при выбранной долговечности Τ_в, которая меньше ресурса двигателя. Далее проводят циклические испытания детали на малоцикловую усталость с параметрами цикла максимального напряжения σ_макс и при максимальной температуре T_макс с изменением длительности выдержки относительно длительности T_в эквивалентного режима и определяют время T_вт выдержки, при котором ресурс Τ_вт до разрушения материала минимален. Циклическое нагружение детали в составе газотурбинного двигателя осуществляют с длительностью T_вт выдержки на эквивалентном режиме при напряжениях σ_макс и температуре T_макс продолжительностью, определяемой по формуле приведенной в тексте описания изобретения. 4 ил.

О 0.002 о,ок 0.01 0,1 1,0 ю т 1д,ч

Pue.J