Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Турбомашины и турбоустановки

Диссертационная работа:

Капралов, Владимир Михайлович. Методология экспериментальной оценки накопления повреждений многоцикловой усталости, вибропрочности и пределов выносливости лопаток турбомашин : диссертация ... доктора технических наук : 05.04.12 / Капралов Владимир Михайлович; [Место защиты: С.-Петерб. гос. политехн. ун-т].- Санкт-Петербург, 2010.- 268 с.: ил. РГБ ОД, 71 11-5/241

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность проведения исследований. Отечественная система поддержания работоспособности турбинных двигателей требует детальной разработки способов повышения и оценки степени безопасности эксплуатации. Анализ современного состояния надежности и работоспособности энергетических и транспортных ГТУ свидетельствует о том, что, несмотря на большой объем работ по совершенствованию этой техники в эксплуатации, наблюдаются следующие типичные опасные происшествия:

Ухудшение состояния проточной части двигателя, приводящее к газодинамической неустойчивости компрессора.

Повреждения лопаток компрессора и турбины.

Трещины и разрушения лопаток (в основном усталостного типа) компрессоров и турбин, валов, дисков и т. д..

Отказы систем управления двигателем.

Увеличение безопасности эксплуатации, повышение прочности, эксплуатационной долговечности, ресурса и надежности узлов авиационных газотурбинных силовых установок (ГТУ), а также точности их априорных оценок – весьма актуальная задача в жизненном цикле турбинных двигателей. Оценки запасов прочности, полученных при стендовых испытаниях машин, недостаточно.

Из представленного перечня видна актуальность темы диссертационной работы - концепция экспериментального обеспечения безопасной эксплуатации, прочности и ресурса газотурбинных установок.

Следует учесть и тот факт, что для вновь поступающих в эксплуатацию транспортных турбомашин остро стоит задача достижения срока службы двигателей до проектного их срока службы.

Эксплуатационная надежность транспортного средства, оснащенного ГТУ, во многом определяется прочностью, долговечностью лопаток турбокомпрессоров. При эксплуатации лопатки турбокомпрессоров подвержены действию значительных случайных переменных и постоянных нагрузок в условиях повышенных температур и агрессивной среды. Количество лопаток в одном двигателе велико, поломка хотя бы одной лопатки может привести к выходу из строя двигателя.

Лопатки турбокомпрессоров изготавливаются из материалов, обладающих высокими механическими свойствами, а также повышенной сопротивляемостью коррозионному и эрозионному разрушению.

Прочность лопаток оценивается расчетно-экспериментальными методами. Характеристики усталости материалов лопаток турбомашин хорошо изучены на цилиндрических образцах при регулярных переменных напряжениях. Сопротивляемость усталости лопаток с учетом конструктивных и эксплуатационных факторов была изучена явно недостаточно. Практически отсутствовали данные об усталости лопаток турбомашин при эксплуатационных случайных напряжениях.

Работоспособность лопаток оценивалась, обычно, по величине запаса прочности по максимальным главным напряжениям, полученным при стендовых испытаниях двигателя.

Данных о структуре эксплуатационной напряженности лопаток турбомашин тоже не было. Вследствие этого процессы накопления усталостных повреждений в эксплуатационных условиях, определяющих безопасность эксплуатации и ресурс, практически не исследовались.

Следует отметить также, что опытных данных, пригодных для вероятностно-статистической оценки прочности и надежности деталей из хромистых, хромоникелевых сталей, титановых и никелевых сплавов, описанных в технической литературе явно недостаточно.

Задачи исследования. Целью работы являлась разработка концепции экспериментального обеспечения безопасной эксплуатации, прочности и ресурса газотурбинных установок.

В задачи работы входило:

Комплексное исследование надежности и вероятности разрушения деталей ГТУ путем изучения вибрационной напряженности и характеристик сопротивления усталости в статистическом аспекте.

Разработка методов оценки циклической долговечности и ресурса на базе экспериментальных данных.

Совершенствование и уточнение методов расчетно-экспериментальной оценки прочности деталей машин для снижения их массы, определения и обоснованного установления ресурса ГТУ

Получение опытных данных о параметрах кривой (функций) распределения пределов усталости моделей, образцов и натурных лопаток турбин и компрессоров, а также данных тензометрирования, представляющих собой спектры напряжений и гистограммы распределений переменных напряжений лопаток в различных условиях их эксплуатации, пригодных для оценок надежности и ресурса деталей.

Исследование особенностей спектра и демпфирования колебаний реальных лопаток в эксплуатационных условиях при резонансных и нерезонансных (узкополосных) колебаниях.

Изучение закономерностей накопления усталостных повреждений с применением методов теории вероятностей, математической статистики и случайных процессов для прочностных расчетов, позволяющее существенно уточнить расчеты прочности и ресурса ГТУ, с учетом некоторые важных конструкционных особенностей ГТУ и эксплуатационных факторов.

Разработка метода оценки уровней эквивалентных циклических напряжений, по повреждающей способности, соответствующих гистограммам случайных нагрузок на базе усталостного эксперимента.

Разработка и применение методики ускоренной оценки степени снижения усталости поврежденных в эксплуатации лопаток осевого компрессора.

Разработка и экспериментальное подтверждение концепции накопления усталостных повреждений и долговечности лопаток по переменным напряжениям с учетом эксплуатационных условий.

Методы исследований. В работе накопление статистических данных об усталости образцов материалов, натурных лопаток и их вибрационных напряжениях в рабочих условиях проводилось следующими приемами:

Натурные испытания лопаток турбомашин при резонансных циклических напряжениях.

Испытания на усталость лопаток при узкополосных случайных, приближенных к реальным эксплуатационным нагрузкам.

Накопление данных о вибрационных напряжениях лопаток при работе двигателя в стендовых условиях.

Изучение методом тензометрирования влияния эксплуатационных условий на вибрационную напряженность лопаток авиационных газотурбинных силовых установок.

Изучение влияния эксплуатационных повреждений лопаток осевого компрессора на их сопротивление усталости.

Одна из главных составляющих анализа эксплуатационной безопасности, прочности, надежности и долговечности являются усталостные испытания лопаток турбомашин или их элементов. Эти испытания проводятся на специальных установках (вибростендах).

Созданы установки для усталостных испытаний лопаток при случайных узкополосных колебаниях, и для испытаний на усталость замковых соединений (лопатка-диск) при высоких частотах нагружения, Проведены и использованы результаты испытаний большого числа рабочих лопаток и образцов различных размеров. Лопатки изготавливались различными технологическими методами. Для определения усталости по вероятностно- статистической схеме в одном испытании расходовались не менее 60 лопаток. Испытания проводились при циклическом и случайном видах нагружения.

Исследование усталости производилось на испытательных машинах резонансного типа с обратной связью (при случайных нагрузках) и периодическим контролем условий проведения эксперимента, что исключало возможные существенные отклонения режимов от заданных.

Существенное повышение эксплуатационной долговечности деталей осевых компрессоров, а, следовательно, безопасности, надежности и ресурса машины в целом, достигается правильным применением методов поверхностного пластического деформирования (ППД). Проблема применения упрочняющей обработки к малоразмерным лопаткам (деталям сложной формы с тонкими кромками), которые изготавливаются из титана и прочных антикоррозионных сталей, весьма актуальна. Важной частью проблемы является правильный выбор режима упрочнения лопаток на установках, обеспечивающих смягченный жидкой средой удар дробинок об обрабатываемую поверхность.

Важная составляющая анализа эксплуатационной безопасности, прочности, надежности и долговечности – это данные о вибрационной напряженности деталей авиационной силовой установки на различных режимах. В работе проведены объемные эксперименты по тензометрированию деталей транспортных ГТУ на различных режимах при разных условиях. Изучена вибрационная напряженность направляющих и рабочих лопаток, рабочих лопаток турбины турбовальных и двухконтурного (четвертого поколения) авиационных ГТД.

Определение вибрационных напряжений производилось методом тензометрирования. Измерялись переменные напряжения при колебаниях лопаток по основному тону и пластинчатым формам высоких собственных частот. Диапазон частот исследования до 35000 герц.

Целью анализа были:

Спектральный анализ переменных напряжений в лопатках

Построение гистограмм уровней переменных напряжений

Кепстральный анализ

Динамический процесс напряженности лопаток турбин и компрессоров современных транспортных ГТУ представляет собой сумму гармонических составляющих и случайных колебаний разной интенсивности.

Спектральный анализ проводился при помощи ЦЭВМ и аналоговым методом.

Гистограммы уровней переменных напряжений строились в зависимости от вида процесса, с применением какого-либо из методов учета амплитуд колебаний. Наиболее часто использовался метод «размахов, превышающих некоторое значение».

В работе представлены также материалы исследования влияния эксплуатационных факторов на вибрационную напряженность лопаток транспортных ГТУ. Материалы получены при тензометрировании лопаток на испытательном стенде с имитацией внешних эксплуатационных условий:

Давления воздуха на входе в компрессор (Р)

Степени пульсации давления на входе в компрессор (DР/Р)

Температура воздуха на входе в компрессор (Т).

Важной проблемой при любом измерении следует считать точность оценок физических величин. В данном случае значений переменных напряжений (деформаций).

Наиболее значимой и наименее определенной является погрешность, вносимая первичным чувствительным элементом и тензометрическим усилителем в измерительной цепи. В технической литературе почти не существует данных о точности измерения величин переменных механических напряжений. Точность измерения переменных напряжений в лопатках и других деталях автором оценивалась экспериментально с применением вероятностно-статистических методов.

Научная новизна. Наиболее существенными новыми научными результатами, содержащимися в диссертационной работе, являются следующие:

Разработана и предложена концепция безопасности эксплуатации, надежности и ресурса по накоплению усталостных повреждений лопаток авиационных двигателей последних поколений, учитывающая наработку летательного аппарата на разных режимах. Подход основан на гипотезе параллельного накопления усталостного повреждения при колебаниях лопатки на разных режимах ГТУ при колебаниях по различным формам колебаний в наиболее напряженных частях лопатки при конкретной форме колебаний (до 35000герц).

Разработан метод и проведены усталостные испытания рабочих лопаток турбины на частоте, близкой к частоте основного тона (первая изгибная форма) лопаток при случайных узкополосных колебаниях. Эксперимент проведен с устойчивой обратной связью в течение всего опыта и регистрацией начала разрушения по малому изменению собственной частоты колебаний.

На основе разработанного метода и проведенных опытов установлено, что распределение чисел циклов до усталостного разрушения лопаток при случайных нагрузках подчиняется логарифмически – нормальному закону распределения.

Разработана теоретически и обоснована экспериментально формула оценки величин регулярных нагружений, эквивалентных по повреждающему действию эксплуатационному режиму нагружения лопаток и методика определения их параметров. Метод основан на использовании результатов обработки гистограмм эксплуатационного режима нагружения.

Установлена возможность применения обобщенных параметров упрочнения для определения оптимальных режимов виброгалтовки лопаток осевого компрессора на установках, использующих гидравлическую прослойку для смягчения удара шарика об обрабатываемую поверхность. Величина передела усталости лопаток повышена на 10-30%.

Исследована структура переменной напряженности лопаток авиационных двигателей с высоким значением pк. Наряду с гармониками, связанными с неравномерностью газового потока, выявлен сравнительно высокий уровень переменных напряжений случайного характера в широком диапазоне частот вызванный высокой турбулентностью газовоздушного потока. Построены гистограммы переменных напряжений лопаток на различных режимах работы двигателя.

Предложена поправка линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений и определены ее параметры применительно к материалам лопаток турбомашин.

Разработан алгоритм учета влияния эксплуатационных условий на характер и уровень переменных напряжений в лопатках компрессора и турбины.

Разработан и обоснован метод оценки степени снижения усталости поврежденных лопаток осевого компрессора с эксплуатационными забоинами различного типа. Метод основан на использовании ускоренного способа определения пределов выносливости.

Практическая ценность. Практическая ценность работы состоит в следующем:

Перечисленные мероприятия и средства повышения безопасности эксплуатации, прочности и ресурса лопаток компрессоров и турбин ГТУ внедрены в практику ОАО «Завод им. В.Я. Климова» в 1970-2005годах.

Разработан метод оценки регулярных нагружений в деталях, эквивалентных по своему повреждающему действию эксплуатационному режиму переменных нагружений в полетном цикле.

Автором показана возможность использования обобщенных параметров упрочнения, разработанных для сухой дробеметной обработки, при определении оптимальных режимов упрочнения на установках с гидравлическим ударом. Величины обобщенных параметров упрочнения при использовании различных способов могут сравниваться между собой с учетом относительного количества жидкости в рабочей смеси. Усталостная прочность лопаток осевых компрессоров, изготавливаемых холодным вальцеванием, существенно повышена после применения упрочняющей обработки, включающей виброупрочнение стальными шариками. Установлено, что разработанная методика упрочняющей обработки повысила предел усталости профилированных частей рабочих лопаток осевого компрессора на »27%.

Разработана методика испытаний лопаток на частоте близкой к частоте основного тона лопаток при случайных узкополосных нагружениях.

Разработан метод оценки степени снижения усталости поврежденных эксплуатационными забоинами различного типа лопаток осевого компрессора.

Исследовано влияние внешних эксплуатационных условий на структуру и уровень переменных напряжений в лопатках компрессора и турбины авиационной силовой ГТУ.

Предложен подход к оценке безопасности, надежности и долговечности лопаток (каких?), основанный на гипотезе параллельного накопления усталостного повреждения при колебаниях лопатки на разных режимах при колебаниях по различным формам колебаний.

Материалы работы изложены в методиках, инструкциях, технических отчетах с участием автора ОАО «Завод им. В.Я. Климова» в 1970-2005годах.

Основные результаты работы докладывались на 17 симпозиумах, конференциях и семинарах.

По теме диссертации автором опубликовано 44 научные работы.

Диссертация состоит из введения, шести разделов и заключения, списка использованной литературы.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net