Многоцикловая усталость материалов и деталей газотурбинных двигателей
Приведен исторический обзор развития научного направления “‘Конструкционная прочность” в ЦИАМ за последние 30 лет в связи со 100-летием со дня рождения основателя этого направления в СССР академика С. В. Серенсена и 75-летием основания ЦИАМ. Рассматриваются основные результаты, полученные коллект...
Збережено в:
| Дата: | 2005 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2005
|
| Назва видання: | Проблемы прочности |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47687 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Многоцикловая усталость материалов и деталей газотурбинных двигателей / А.Н. Петухов // Проблемы прочности. — 2005. — № 3. — С. 5-21. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-47687 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-476872013-07-25T15:50:03Z Многоцикловая усталость материалов и деталей газотурбинных двигателей Петухов, А.Н. Научно-технический раздел Приведен исторический обзор развития научного направления “‘Конструкционная прочность” в ЦИАМ за последние 30 лет в связи со 100-летием со дня рождения основателя этого направления в СССР академика С. В. Серенсена и 75-летием основания ЦИАМ. Рассматриваются основные результаты, полученные коллективом сектора “‘Сопротивление усталости материалов ГТД” этого института. Наведено історичний огляд розвитку наукового напрямку “Конструкційна міцність” в ЦІАМ за останні 30 років у зв’язку зі 100-річчям від дня народження засновника цього напрямку в СРСР академіка С. В. Серенсена і 75-річчям заснування ЦІАМ. Розглядаються основні результати, що отримані колективом сектору “Опір утомі матеріалів ГТД” цього інституту. This historical survey of “Structural Strength” scientific school development in the TsIAM Institute is dedicated to 100th anniversary of the school founder S. V. Serensen and 75th anniversary of the Institute. The most outstanding results obtained by the department of gas-turbine engine materials in the last 30 years are discussed. 2005 Article Многоцикловая усталость материалов и деталей газотурбинных двигателей / А.Н. Петухов // Проблемы прочности. — 2005. — № 3. — С. 5-21. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47687 539.4 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Петухов, А.Н. Многоцикловая усталость материалов и деталей газотурбинных двигателей Проблемы прочности |
| description |
Приведен исторический обзор развития научного направления “‘Конструкционная прочность”
в ЦИАМ за последние 30 лет в связи со 100-летием со дня рождения основателя этого
направления в СССР академика С. В. Серенсена и 75-летием основания ЦИАМ. Рассматриваются
основные результаты, полученные коллективом сектора “‘Сопротивление усталости
материалов ГТД” этого института. |
| format |
Article |
| author |
Петухов, А.Н. |
| author_facet |
Петухов, А.Н. |
| author_sort |
Петухов, А.Н. |
| title |
Многоцикловая усталость материалов и деталей газотурбинных двигателей |
| title_short |
Многоцикловая усталость материалов и деталей газотурбинных двигателей |
| title_full |
Многоцикловая усталость материалов и деталей газотурбинных двигателей |
| title_fullStr |
Многоцикловая усталость материалов и деталей газотурбинных двигателей |
| title_full_unstemmed |
Многоцикловая усталость материалов и деталей газотурбинных двигателей |
| title_sort |
многоцикловая усталость материалов и деталей газотурбинных двигателей |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| publishDate |
2005 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47687 |
| citation_txt |
Многоцикловая усталость материалов и деталей газотурбинных
двигателей / А.Н. Петухов // Проблемы прочности. — 2005. — № 3. — С. 5-21. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. |
| series |
Проблемы прочности |
| work_keys_str_mv |
AT petuhovan mnogociklovaâustalostʹmaterialovidetalejgazoturbinnyhdvigatelej |
| first_indexed |
2025-07-04T07:39:50Z |
| last_indexed |
2025-07-04T07:39:50Z |
| _version_ |
1836701230785626112 |
| fulltext |
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ
РАЗДЕЛ
УДК 539.4
К 75-летию основания ГНЦ ФГУП “Центральный институт авиационного моторо
строения им. П. И. Баранова”
К 100-летию со дня рождения основателя научного направления “‘Конструкцион
ная прочность ” академика АН Украины Сергея Владимировича Серенсена
Многоцикловая усталость материалов и деталей газотурбинных
двигателей
А. Н. Петухов
ГНЦ ФГУП ЦИАМ им. П. И. Баранова, Москва, Россия
Приведен исторический обзор развития научного направления “‘Конструкционная прочность”
в ЦИАМ за последние 30 лет в связи со 100-летием со дня рождения основателя этого
направления в СССР академика С. В. Серенсена и 75-летием основания ЦИАМ. Рассмат
риваются основные результаты, полученные коллективом сектора “‘Сопротивление уста
лости материалов ГТД” этого института.
Ключевые слова : конструкционная прочность, сопротивление усталости,
газотурбинные двигатели.
В 1941 г. в ЦИАМ в лаборатории “Динамика и прочность двигателей” (с
конца 40-х гг. она стала называться “Динамика и прочность ГТД”) по ини
циативе академика АН УССР С. В. Серенсена был создан отдел “Конст
рукционная прочность”, который он возглавлял по октябрь 1967 г.
На базе этого отдела сформировалась основанная С. В. Серенсеном
научная школа в области конструкционной прочности материалов и деталей
авиационных двигателей, фундаментальные экспериментально-исследова
тельские работы которой получили широкое признание в нашей стране и за
рубежом.
На первом этапе важными направлениями научных исследований руко
водимого им отдела являлись:
многоцикловая усталость (МнЦУ) конструкционных материалов для
деталей ГТД, включая натурные детали, и элементов конструкций в широ
ком диапазоне температур при различных асимметриях цикла с учетом
конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов;
длительная прочность и ползучесть перспективных конструкционных
материалов для заданных рабочих температур и долговечности;
циклическая долговечность при воздействии повышенных постоянных
и циклически изменяющихся температур (термическая усталость).
© А. Н. ПЕТУХОВ, 2005
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3 5
А. Н. Петухов
После перехода С. В. Серенсена на постоянную работу в Институт
машиноведения АН СССР отдел возглавил Б. Ф. Балашов.
В 1968 г. в отделе “Конструкционная прочность ГТД” были выделены
три научных направления, организационно оформленные в сектора.
1. “Сопротивление усталости материалов и деталей ГТД”, руководитель
Б. Ф. Балашов, с 1972 г. - А. Н. Петухов.
2. “Длительная прочность и ползучесть материалов”, руководитель
Р. Н. Сизова, с 1996 г. - Н. П. Вильтер.
3. “Термопрочность”, руководитель Р. А. Дульнев, с 1987 г. - Н. Г.
Бычков.
В 1974 г. на основании приказа министра авиационной промышлен
ности в отделе создан сектор “Прогрессивные технологические процессы”,
руководитель Р. И. Ткаченко.
В 1982 г. создается сектор “Технологические остаточные напряжения”,
руководитель А. Н. Архипов.
В предлагаемой работе рассматриваются основные результаты, полу
ченные коллективом сектора “Сопротивление усталости материалов и дета
лей ГТД” примерно за последние 30 лет
Основные направления исследований сопротивления многоцикло
вой усталости конструкционных материалов и деталей ГТД. Заложенное
академиком С. В. Серенсеном в области многоцикловой усталости научное
направление предполагало:
экспериментальное получение кривых многоцикловой усталости на
стандартных образцах в широком диапазоне температур для материалов,
применяемых в ГТД;
исследование чувствительности материалов к концентрации напряже
ний, асимметрии цикла нагружения при различных видах напряженно-де
формированного состояния (растяжение-сжатие, изгиб с вращением, круче
ние, изгиб с кручением, растяжение с изгибом);
исследования сопротивления многоцикловой усталости деталей ГТД
или их моделей, в условиях максимально приближенных к эксплуатаци
онным;
исследование влияния эксплуатационных факторов (коррозия, фреттинг
и др. повреждения) на сопротивление многоцикловой усталости;
поиск и оценка, с точки зрения сопротивления многоцикловой уста
лости, оптимальных конструктивных и технологических решений для дета
лей ГТД;
разработку новых методов испытания на усталость.
Тесное содружество с ОКБ и заводами при решении практических
задач, связанных с определением причин появления дефектов (разрушений)
при доводке и эксплуатации, и активное участие в разработке мероприятий
по их устранению существенно расширили исследовательские работы сектора
“Сопротивление усталости материалов и деталей ГТД”. В результате появи
лись фундаментальные исследования в области конструкционной прочности,
обобщение экспериментальных данных о пределах выносливости конструк
ционных материалов и натурных деталей, что позволило более достоверно
прогнозировать несущую способность деталей, оценивать запасы прочности
6 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3
Многоцикловая усталость материалов
деталей по переменным напряжениям, решать актуальные проблемы проч
ности и надежности отечественных ГТД на этапах проектирования, доводки
и эксплуатации [1-14].
Исследования характеристик сопротивления многоцикловой уста
лости конструкционных материалов, применяемых в ГТД. Обнаружены
основные особенности применяемых в ГТД конструкционных материалов:
высокая чувствительность к концентрации напряжений, асимметрии цикла
нагружения, технологической наследственности, определяемой свойствами
поверхностного слоя (шероховатость, структурная неоднородность, остаточ
ные напряжения и т.д.), состоянием общей структуры, текстуры, размерами
зерен, а также высокая чувствительность к эксплуатационным факторам (де
градация материала от силового и теплового воздействия окружающей сре
ды и проявления отрицательной технологической наследственности) и т.д.
Для основных конструкционных материалов получены очень высокие
значения коэффициентов чувствительности да , близкие к единице. Это
свидетельствует о том, что в области концентрации напряжений в деталях из
титановых сплавов и сталей мартенситного класса практически реализуются
теоретические значения коэффициентов концентрации напряжений а а .
Чувствительность к концентрации напряжений незначительно зависит от
температуры испытаний, в условиях асимметричного цикла нагружения она
снижается, для нержавеющих сталей - с повышением температуры отпуска.
Минимальной чувствительностью к концентрации напряжений при по
вышенных температурах (да = 0,3...0,45) обладают литейные сплавы и спла
вы, полученные методом гранульной металлургии [1-4].
Особенность конструкционных материалов проявляется также в повы
шенной чувствительности к технологической наследственности, которая
наиболее выражена при формировании свойств поверхностного слоя при
обработке деталей ГТД. Известно, что формообразование деталей при меха
нической обработке сопровождается пластической деформацией и тепловым
воздействием на поверхностный слой. Пластическая деформация на глубине
и на поверхности неоднородна, сопровождается структурными изменения
ми, вызванными как силовым, так и термическим воздействием на металл
[4, 10, 11]. Поэтому большое внимание уделялось изучению влияния на
сопротивление усталости конструкционных материалов различных парамет
ров поверхностного слоя: физические (величина зерна, размеры фаз, блоков,
плотность дислокаций, концентрация вакансий, накопленная энергия крис
таллической решетки); химические (состав фаз, концентрация элементов в
объеме сплава и в фазе и т.д.); деформационные (степень деформации и ее
глубина, остаточные напряжения); геометрические (шероховатость поверх
ности). Впервые были получены зависимости пределов выносливости от
величины и знака остаточных напряжений (для титановых и никелевых
сплавов при Т исп = (20 ...650)°С), вид которых совпадает с предельными
диаграммами усталости.
Исследования сопротивления коррозионной усталости стандартных
образцов и лопаток из нержавеющих сталей мартенситного и аустенитного
классов показали, что на коррозионную стойкость материала и вид корро
зионного повреждения существенное влияние кроме окружающей среды и
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3 7
А. Н. Петухов
степени легирования сталей оказывают их структурное состояние, степень
пластической деформации поверхностного слоя, величина и знак остаточ
ных напряжений и др. Время до возникновения коррозионных трещин
зависит от температуры отпуска стали, ориентирования волокна и локаль
ной структурной однородности (рис. 1). Наименее чувствительной к корро
зии оказалась аустенитная сталь ЭП718 [4].
Рис. 1. Зависимость а0 2 и времени t до образования коррозионной трещины под напря
жением при а = 0,8а0 2 в образцах с продольными и поперечными волокнами от темпера
туры отауота: О - 0 ^ ,2 = /(7,™); х - ̂= / (7 ^ ) .
В связи с усталостными разрушениями малоподвижных соединений
(замковые соединения лопаток компрессоров, валы в зонах прессовых поса
док, хиртовские и шлицевые соединения, болтовые соединения дисков ком
прессоров и др.) была поставлена задача исследования механизма процессов
фреттинг-коррозии и фреттинг-усталости [4, 15-17]. Показано, что исполь
зуемые в этом случае методы исследования и традиционные методы при
исследовании процессов износа малоэффективны.
Процесс фреттинг-коррозии рассматривался как объединяющий физико
химические процессы и механику контактного взаимодействия твердых тел.
Установлено, что вследствие разрушения поверхности контакта под дейст
вием эксплуатационных циклических нагрузок в микро- и макрообъемах,
соизмеримых с реальными микронеровностями, создаются условия для
возникновения и развития макротрещин, играющих роль концентраторов
напряжений. Впервые для типичных конструкционных материалов были
получены зависимости предела фреттинг-усталости от амплитуды отно
сительных перемещений в области контакта и величины давления.
8 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3
Многоцикловая усталость материалов
Показано, что не для всех материалов при фреттинге соблюдается
принцип суперпозиции повреждений (рис. 2). Обнаружена неоднозначная
зависимость предела фреттинг-усталости от числа циклов нагружения,
свидетельствующая о наличии при фреттинг-коррозии процессов повреж
дения и “самозалечивания” материала за счет абразивного действия про
дуктов износа, образующихся в зоне контакта. Результаты проведенных
исследований позволили предложить механизм усталостного разрушения
замковых соединений лопаток ГТД и других детелей, образующих мало
подвижные или прессовые соединения, и на основе этого дополнить конст
руктивные и технологические меры по повышению прочности. Для наи
более распространенных конструкционных материалов получены значения
эффективных коэффициентов концентрации напряжений К фр, что позволи
ло еще на этапе проектирования учитывать влияние на усталость фрет-
тинга в малоподвижных и прессовых соединениях [4, 13, 14].
п фр
0.75
0,5
0.25
0.125
м,-
I ! (Ч1 м) .. " 3
м-■•"ч
N
-—/..
..г
•+!!.
1
3 ь
0
гфр
50 100 150 200 250 МПа
а
а
0.75
0,5
0,25
° '1250 50 100 150 200 250 р, МПа
Рис. 2. Зависимость относительной величины предела фреттинг-усталости пфр от давления р
в контакте для пары сталь-сталь (ЭИ961), отпуск при 580°С (1-3) и пары сплав-сплав (ВТ8)
(4-6); 1, 4 - образцы, предварительно поврежденные фреттинг-коррозией; 2, 5 - образцы в
исходном состоянии; 3, 6 - детали, испытанные на фреттинг-усталость.
Решение проблемы эксплуатации двигателей по техническому состоя
нию потребовало изучения кинетики развития усталостных трещин в
деталях от эксплуатационных нагрузок. Эту задачу можно было решить
путем исследования характеристик трещиностойкости типичных конструк
ционных материалов (алюминиевые сплавы, нержавеющие стали, титановые
и никелевые сплавы), применяемых в отечественных ГТД. Данные были
получены при испытаниях компактных образцов на трещиностойкость,
стандартных образцов на длительную прочность, мало- и многоцикловую
0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3 9
А. Н. Петухов
усталость, а также натурных лопаток компрессоров и турбин. Показано, что
в пластически деформированном слое скорость развития трещин уста
лости возрастает (рис. 3). Существенного отличия в скорости развития
трещин малоцикловой усталости в двухфазных титановых сплавах не обна
ружено [18].
Рис. 3. Рост трещины в лопатках компрессора из стали ЭИ961 (Оу = 100 МПа) - 1 и сплавов
ВТ8 (оу = 40 МПа) - 2 и ЭИ437Б (5-5) в зависимости от числа циклов нагружения и
состояния поверхности детали.
Проводились исследования сопротивления усталости материалов при
сложнонапряженном состоянии применительно к материалам дисков ком
прессоров, валов. Для учета усталостной поврежденности материала по
силовому фактору применяется линейное суммирование относительной
долговечности [19, 20].
Исследования сопротивления усталости натурных лопаток и дисков
ГТД. Для основных деталей ГТД при эксплуатации характерны: высокая
нагруженность и существенная неоднородность напряженного и деформи
рованного состояния; ограниченная возможность прогнозирования эксплуа
тационных нагрузок; сложность учета влияния большого числа эксплуата
ционных факторов на детали; различная повреждаемость материала на
разных стадиях ресурса; снижение сопротивления усталости - результат
одновременного действия конструктивных, технологических, эксплуатаци
онных и т.п. факторов. Выбор оптимальных мероприятий, направленных на
повышение несущей способности основных деталей, часто является резуль
татом компромисса между различными видами разрушений: между длитель
ной статической прочностью и многоцикловой усталостью, повышением
демпфирующих характеристик и фреттинг-усталостью, увеличением износо
стойкости и снижением сопротивления усталости и т.д.).
10 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3
Многоцикловая усталость материалов
Обобщение данных испытаний лопаток компрессоров и турбин позво
лило установить статистические закономерности влияния технологической
наследственности, конструктивного и масштабного факторов на форми
рование несущей способности профильных частей лопаток Г ТД и получить
зависимости, которые рекомендовано использовать при создании новых
конструкций [2, 4, 13, 21]. На основании статистического анализа резуль
татов испытаний на усталость лопаток компрессоров показано, что при
формировании несущей способности профильных частей лопаток решаю
щими являются не только конструктивный и масштабный факторы, но и
технологии изготовления [1, 4, 21, 22].
Продолжение и развитие начатых С. В. Серенсеном и Б. Ф. Балашовым
в середине 50-х годов работ по исследованию прочности замковых соеди
нений лопаток ГТД позволили впервые на основе оригинальных экспери
ментальных исследований условий деформирования на площадке контакта
хвостовика получить зависимости динамической нагруженности замковых
соединений типа “ласточкин хвост ” от величины угла клина хвостовика с
учетом конструктивных особенностей сопряжения хвостовика с диском и
уровня действующих на лопатку центробежных нагрузок (рис. 4). Для
елочных замковых соединений лопаток получены зависимости распределе
ния деформаций по зубьям хвостовика относительно деформаций в корне
вом сечении лопатки, а также параметрические зависимости (рис. 5),
учитывающие конструктивные особенности замковых соединений лопаток
Г ТД и позволяющие прогнозировать их пределы выносливости [4, 22, 23].
Подготовлены рекомендации, направленные на повышение пределов вы
носливости замковых соединений лопаток компрессоров и турбин.
<Рж
0,75
0,50
— х _
2 3
а
Рис. 4. Влияние на относительную напряженность хвостовика соотношения Ноти = Нх̂ /Нпр
между изгибной жесткостью хвостовика Нхв и профильной частью лопатки Н пр (а), угла
наклона контактной грани хвостовика а (б) и относительной величины статической состав
ляюЩей (̂ ст)отн (в).
в
Испытания на усталость образцов и лопаток компрессоров из титано
вых сплавов, а также металлографические исследования позволили уста
новить причины снижения сопротивления усталости, вызванные общей и
0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, N2 3 11
А. Н. Петухов
локальной структурной неоднородностью материала. Показано, что су
щественное влияние на снижение оказывают не только режимы механи
ческой обработки, но и условия термопластической деформации на этапе
получения заготовки в процессах высокотемпературной термической обра
ботки (ВТМО) и термомеханической обработки (ТМО). Оптимальные тем
пературные режимы этих обработок зависят от температуры полиморфного
превращения сплава [1, 2, 4].
р° отн
0,4
0,2
0 1 2 3 4 5 мм 0 1 2 мм 0 1 2 мм
а б в
Рис. 5. Распределение относительной величины деформаций на контактных гранях зуба
елочного хвостовика относительно корневой части лопатки: а, б, в - соответственно первый,
второй и третий зуб.
Для лопаток компрессоров рекомендовались дополнительные термообра
ботки, эффективность которых оказалась существенно (на 30% и более)
выше, чем традиционных методов поверхностного упрочнения. В дальней
шем установлены температурные диапазоны эффективности применения
последнего [24]. На основании этих исследований были разработаны реко
мендации по повышению несущей способности дисков и лопаток компрес
сора.
Систематические комплексные исследования позволили обнаружить ти
пичные закономерности влияния технологической наследственности, струк
турного состояния материала и поверхностного слоя (остаточные напря
жения, наклеп и т.д.) на несущую способность основных деталей ГТД. В
результате сформулированы требования для выбора оптимальных парамет
ров поверхностного упрочнения и эксплуатационных температур для основ
ных деталей ГТД, разработаны методическое руководство, отраслевой стан
дарт по периодическому контролю и регламентации уровня технологичес
ких остаточных напряжений в деталях ГТД. Применительно к деталям
сложной формы (хвостовики лопаток, межпазовые выступы дисков тур
бин, охлаждаемые лопатки и т.п.) была разработана методика опреде
ления поверхностных остаточных напряжений для дисков и лопаток.
Создание высокотемпературных турбин потребовало применения охлаж
даемых рабочих лопаток, получаемых методом вакуумного литья по выплав
ляемым моделям. Внедрение лопаток было связано с усталостным разруше
нием, так как их предел выносливости составлял около 100 МПа.
Комплексные исследования позволили выявить закономерности влия
ния на сопротивление усталости лопаток турбин технологических и конст
руктивных факторов: величина вакуума; условия заливки металла в форму и
12 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3
Многоцикловая усталость материалов
кристаллизации расплава; микро- и макроструктуры; литейные дефекты;
размеры макрозерен и способы их измельчения; механическая обработка; за
щитные покрытия; масштабный фактор; температуры эксплуатации и др.
Разработанные на основании исследований [4, 21] рекомендации позволили
устранить дефекты и существенно повысить пределы выносливости охлаж
даемых лопаток турбин.
Повышение рабочих температур потребовало применения лопаток, отли
тых с заданной кристаллической ориентацией. Впервые лопатки, отлитые
методом высокоскоростной направленной кристаллизации (ВСНК), были
внедрены после положительных усталостных испытаний в ЦИАМ. При
этом возникли новые проблемы, связанные с конструкционной прочностью
лопаток турбин, из-за значительной анизотропии свойств материала, прояв
ляющейся при умеренных температурах, и деградации свойств материала
вследствие технологической наследственности и влияния эксплуатационных
нагрузок. Эти проблемы в настоящее время решаются.
Разработанное в середине 60-х годов руководство по испытаниям на
усталость лопаток ГТД ограничивалось только периодическими усталост
ными испытаниями. После существенной доработки оно в виде ОСТ [25]
внедрено как методика испытаний на усталость лопаток ГТД и использу
ется при прочностной доводке двигателей, регламентируя различные виды
испытаний на усталость:
для получения исходной кривой усталости;
для сравнительных ускоренных испытаний;
для периодических контрольных испытаний и др.
Испытания на усталость получили широкое распространение при вы
боре оптимальных конструктивных и технологических вариантов основных
деталей узлов ГТД и других изделий машиностроения, стали частью про
изводства лопаток ГТД - как контроль стабильности технологического про
цесса. ОСТ по методам испытаний на усталость получил признание в
разных отраслях промышленности, НИИ, вузах и др.
Использование традиционных методов оценки сопротивления усталос
ти и запасов прочности по переменным напряжениям деталей сложной
формы, например дисков компрессоров и турбин, зачастую не позволяет
объяснить причины разрушений, так как расчетные запасы прочности не
редко превышают значения К у =10. Возникла необходимость разработки
таких методов, которые не требуют проведения испытаний большого числа
дорогостоящих дисков, но позволяют воспроизвести в зоне концентрации
напряжений необходимое напряженно-деформированное состояние (НДС)
при сохранении условий обработки натурной детали. Был также разработан
способ испытаний на усталость в условиях асимметричного изгиба натур
ных дисков с воспроизведением НДС в заданных зонах (обод, ступица или
полотно), что позволило определить пределы выносливости дисков двига
телей НК8-4, НК8-2У, ТВ3-117, Д30-КУ и др.
В результате таких работ были внедрены новые методы оценки сопро
тивления усталости деталей сложной формы и испытаний натурных
деталей и их элементов, в первую очередь ободных частей дисков ГТД,
валов [2-4, 13, 14, 20, 25, 26].
0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3 13
А. Н. Петухов
По данным испытаний на усталость ободных частей дисков компрес
соров и турбин было установлено, что пределы выносливости натурных
дисков значительно отличаются от таковых стандартных образцов. Кроме
того, определено влияние конструктивных и технологических факторов, а
также эксплуатационной наработки на сопротивление усталости, уточ
нены запасы прочности для дисков, оптимизированы периоды и технологи
ческие операции ремонта, обосновано увеличение ресурса двигателей.
Испытания дисков были дополнены испытаниями элементов обода
диска на малоцикловую усталость (МЦУ) при изгибе с целью определения
ресурса в циклах в зонах концентрации напряжений. Результаты испытаний
на МЦУ в сочетании с исследованиями свойств поверхностного слоя позво
лили выявить влияние эксплуатационной повреждаемости на циклическую
долговечность дисков, определить оптимальные режимы и сроки восста
новительного ремонта.
Исследование причин эксплуатационной повреждаемости лопаток
ГТД. При осмотре досрочно снимавшихся из эксплуатации двигателей (бо
лее 30%) обнаружены поврежденные лопатки компрессора из-за попадания
в газовоздушный тракт посторонних предметов или коррозии, что потре
бовало разработки нормирующих документов на допустимые (безопасные)
для эксплуатации повреждения. Были проведены исследования с целью вы
явления основных закономерностей влияния эксплуатационных поврежде
ний (забоины) на сопротивление усталости лопаток. Показано, что степень
снижения сопротивления усталости лопаток зависит от относительной глуби
ны забоины, радиуса кромки, вида термической и термопластической обра
ботки материала. Наличие начальной трещины в области повреждения су
щественно (в три-четыре раза) снижает предел выносливости детали (рис. 6).
-тт забК П
4
3
2
5' 1 ^ заб )отн
Рис. 6. Зависимость К а̂б от относительной глубины забоины 0 за6)отн для лопаток из
титановых сплавов (1-3) (1 - лопатки, обработанные ВТМО; 2 - лопатки отожженные; 3 -
лопатки с начальной усталостной трещиной) и стали (4).
Исходя из результатов исследований были созданы нормативные доку
менты [27-29], регламентировавшие:
методику нанесения повреждений лопаток в лабораторных условиях;
подтверждение эффективности выполненного ремонта лопаток на дви
гателе путем проведения резонансных или эксплуатационных циклических
испытаний;
14 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3
Многоцикловая усталость материалов
нормирование в эксплуатации размеров допустимых повреждений,
оценка ресурса лопаток компрессора, в том числе поврежденных коррозией;
требования к разработчикам ГТД по обеспечению в процессе эксплуа
тации контроля состояния лопаток компрессоров и турбин;
обеспечение возможности ремонта деталей в роторе в процессе эксплуа
тации.
Увеличение ресурса ГТД обострило проблему повреждаемости лопаток
турбин, которые наряду со статическими, циклическими и вибрационными
нагрузками подвержены переменным термическим воздействиям. Поэтому
возникла проблема исследования механизма повреждаемости материала
лопаток и разработки метода прогнозирования их остаточной долговеч
ности. Показано, что повреждения лопаток в области действия максималь
ных температур сопровождаются структурными изменениями в поверхност
ном слое (диффузия легирующих элементов, уширение границ зерен, обра
зование микропор, перерастающих в микротрещины, коагуляция и раство
рение упрочняющей у 1-фазы) [30].
Установлено, что снижение предела выносливости лопаток, поврежден
ных коррозией, может составлять К кор ^ 3. Показана эффективность приме
нения с целью повышения коррозионной стойкости материала лопаток раз
личных защитных покрытий (гальванические, полимерные, диффузионные)
при нормальной и повышенных температурах, при наличии эксплуатацион
ных повреждений (забоины), а также поверхностных упрочняющих обра
боток и стабилизирующих термических обработок. На основе проведенных
исследований даны рекомендации по повышению эксплуатационной надеж
ности двигателей Р27-300, Р29-300, АЛ21 и др., турбоэксгаустеров типа
“Ангара”.
Развитие новых направлений и методик исследования несущей
способности материалов и деталей ГТД. Получили дальнейшее развитие
статистические методы анализа результатов испытаний на усталость и оцен
ки сопротивления усталости при расчетах на прочность деталей, подвер
женных воздействию переменных во времени напряжений [1, 2].
Применение вычислительной техники позволило открыть новое направ
ление, связанное с моделированием усталостных испытаний [5, 9] с помо
щью марковских процессов, в ходе которого определялись параметры рас
пределения для разных объемов выборки. Полученные результаты исполь
зовались для обоснования объема испытаний для заданных вероятностей
разрушения при периодических испытаниях на усталость.
Стремление приблизить условия испытаний к эксплуатационным, где
на деталь одновременно действуют статические, циклические и вибрацион
ные нагрузки, потребовало модернизации испытательного оборудования и
разработки новых методик испытаний. На основании полученных резуль
татов исследований предложена методика оценки прочности материалов
при комбинированном нагружении [4, 12].
Разрушение в эксплуатации силовых болтовых соединений потребовало
разработки методики испытаний, приближенной к эксплуатационным усло
виям нагружения с имитацией неравномерностей, связанных с силовыми и
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3 15
А. Н. Петухов
термическими факторами. Были проведены испытания болтов на много- и
малоцикловую усталость при нормальной и повышенных температурах
применительно к валу винта АВ24 и пакетам дисков КВД (двигатели АЛ31,
РД33) и ТВД (двигатели НК25, НК32). По результатам испытаний разрабо
таны конструктивные и технологические рекомендации, направленные на
повышение несущей способности и надежности силовых болтовых соеди
нений.
Внедрение в практику эксплуатации ГТД по техническому состоянию
основных деталей (ЭТС) потребовало вместо фиксированного ресурса иссле
довать кинетику развития повреждений (трещин) для обоснования пери
одичности контроля и допустимых размеров технологических и эксплуата
ционных дефектов.
Выполненные исследования позволили создать банк данных, в том числе
и на статистической основе, по характеристикам сопротивления уста
лости при нормальной и повышенных температурах основных конструк
ционных материалов, применяемых в ГТД. Кроме того, в отличие от
известных зарубежных, в него вошел значительный объем результатов
испытаний натурных деталей и элементов конструкций.
Как показали случаи усталостных разрушений, например, дисков ком
прессоров и турбин, с помощью существующих методов оценки сопро
тивления усталости и запасов прочности по переменным напряжениям
деталей сложной формы нельзя установить причины разрушения деталей,
так как расчетные запасы прочности для них нередко превышали значения
К у = 10. Это потребовало, с одной стороны, более глубоко исследовать НДС
дисков в области разрушения, в том числе экспериментально исследовать
зоны концентрации напряжений на крупногабаритных металлических моде
лях, с другой - разработать методики испытаний на усталость (рис. 7).
Результатом таких работ явилось внедрение новых методов испытаний на
усталость деталей сложной формы и их элементов, в первую очередь обод-
ных частей дисков ГТД, которые нашли широкую поддержку и распростра
нение в промышленности, а также оценка их несущей способности [4, 12,
25].
Исходя из данных исследований были разработаны и внедрены следу
ющие методы испытаний:
на мало- и многоцикловую усталость при заданной асимметрии цикла
дисков и их элементов, а также других натурных деталей ГТД;
на усталость лопаток дисков типа “блиск”;
на мало- и многоцикловую усталость натурных лопаток ТНА ЖРД, в
том числе “блиск” ТНА с покрывным диском, лопаток турбин и др.;
на фреттинг-усталость конструкционных материалов и элементов мало
подвижных соединений.
Исследования натурных деталей и их элементов всегда сопровождались
предварительным подробным расчетно-экспериментальным изучением их
НДС, а при испытаниях на усталость должны выполняться следующие
требования:
1) воспроизводимое в опасной зоне детали НДС должно быть макси
мально приближено к эксплуатационным;
16 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3
Многоцикловая усталость материалов ...
2) тип разрушения в опасной зоне детали должен соответствовать тому,
который наблюдается при эксплуатации;
3) технология изготовления моделей должна соответствовать техноло
гии изготовления натурной детали.
Рис. 7. Схемы испытания элементов ободной части диска турбины на симметричный изгиб (а)
и на изгиб с изгибом (б), а также образец для испытания на симметричный изгиб с
растяжением (в).
Исследования на много- и малоцикловую усталость полотен и ободных
частей дисков компрессоров турбин позволили разработать конструктивные
и технологические рекомендации по повышению надежности и ресурса
двигателей серии АИ, НК, АЛ, Д30 и др.
Большой вклад сотрудники сектора внесли в создание и освоение
отраслевой базы прочности. Для исследования конструкционной прочности
были спроектированы специальные испытательные установки, которые в
процессе их освоения усовершенствовались, что не только значительно
расширило их экспериментальные возможности, но и позволило ставить и
решать принципиально новые научно-исследовательские проблемы.
Экспериментальный комплекс для исследования конструкционной проч
ности включает.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3 17
б
в
А. Н. Петухов
Установки типа МВИ-6000 для испытания на усталость стандартных
образцов на изгиб с вращением (максимальная частота вращения 100 Гц) в
широком диапазоне температур (до 1000°С) при программном изменении
нагрузки.
Установки типа УРС-10/30000 для испытания на усталость материалов
в условиях растяжения-сжатия при заданной асимметрии цикла нагружения
в широком диапазоне температур (до 900°С).
Модернизация этих установок дала возможность дополнительно прово
дить испытания на малоцикловую усталость и реализовать бигармоническое
нагружение (сочетание низкочастотного малоциклового нагружения с высоко
частотным многоцикловым) в широком диапазоне частот и температур ( / =
= 0,5...500 Гц и Т = 1500°С на воздухе) как образцов, так и деталей (натур
ные лопатки, ободные части дисков и др. при асимметричном цикле нагру
жения).
Электродинамические вибростенды типа УВЭ-10/5000, ВЭДС-400,
ВЭДС-200, ВЭДС-10 с толкающим усилием на столе от 100 до 15000 Н и
диапазоном частотного возбуждения 100...3000 Гц, оснащенные специаль
но разработанными нагревательными устройствами (печи сопротивления,
обеспечивающие нагрев до 1500°С в воздушной среде, и индукторы).
Воздушный вибростенд типа КуАИ для испытаний на усталость натур
ных лопаток при нормальной температуре в диапазоне частот 1000...20000 Гц.
Гидравлические пульсаторы типа 10-Ри, Еи-20 и Еи-100 с предельной
нагрузкой от 100000 до 1000000 Н для испытаний на много- и малоцикло
вую усталость материалов и натурных деталей.
Электрогидравлическая система типа МТБ-100 для испытаний на мало
цикловую усталость конструкционных материалов и элементов конструк
ций, снабженная матобеспечением для системы управления программами
испытаний, для обработки результатов в ходе эксперимента, включая по
строение диаграмм деформирования, и позволяющая проводить исследования
как при “мягком”, так и при “жестком” цикле нагружения.
Специальные нагревательные устройства: оптические отражательные
печи (до 1200°С) и печь с хромит-лантановыми нагревателями (до 1600°С на
воздухе).
На этом экспериментальном комплексе выполнен ряд основополага
ющих исследований в области конструкционной прочности, разработаны и
внедрены новые методы испытаний на мало- и многоцикловую усталость
при заданной асимметрии цикла нагружения конструкционных материалов
и натурных деталей ГТД (элементы дисков, валы и др.).
Основные результаты исследований были включены в разделы и прило
жения “Норм прочности ГТД”, в руководства для конструкторов, обобще
ны в виде методик в ГОСТах, ОСТах и методических руководствах по
методам испытаний и оценке прочности деталей ГТД, а оригинальность
ряда предложенных способов испытаний подтверждена многими авторски
ми свидетельствами.
В 1982 г. за разработку и внедрение высокотемпературных испытатель
ных машин на этом экспериментальном комплексе Б. Ф. Балашов и А. Н. Пе
тухов были удостоены Государственной премии Совета Министров СССР.
18 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, N 3
Многоцикловая усталость материалов
Научное направление “Исследование конструкционной прочности мате
риалов и сопротивления усталости натурных деталей двигателей” возгла
вили профессор Б. Ф. Балашов и член-корреспондент А. Н. Петухов.
Руководителями отдельных направлений были Л. А. Козлов, Т. П. Заха
рова, А. Н. Архипов, В. П. Харьков. Среди активных участников работ сле
дует отметить А. М. Вахромеева, И. В. Пучкова, Б. В. Володенко, Ю. Д. Крас
никова, А. Ф. Орлова, А. Н. Стадникова, А. Е. Тихомирову, Н. Ф. Тютереву,
З. Х. Юровского, В. В. Великанову, Г. И. Зубицкую, М. В. Зубкову, Л. Н. Крас
никову, В. А. Малышеву, М. М. Мамкина, А. М. Николаева, И. В. Ульянова.
В секторе “Сопротивление усталости деталей ГТД” защищено две
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук и пять
диссертаций - кандидата технических наук, написано шесть монографий.
Р е з ю м е
Наведено історичний огляд розвитку наукового напрямку “Конструкційна
міцність” в ЦІАМ за останні 30 років у зв’язку зі 100-річчям від дня
народження засновника цього напрямку в СРСР академіка С. В. Серенсена і
75-річчям заснування ЦІАМ. Розглядаються основні результати, що отри
мані колективом сектору “Опір утомі матеріалів ГТД” цього інституту.
1. Балашов Б. Ф , Петухов А. П., Володенко Б. В. Конструкционная
прочность титановых сплавов // Тр. ЦИАМ. - 1972. - № 545. - 24 с.
2. Конструкционная прочность материалов и деталей ГТД. Руководство
для конструкторов // Там же. - 1979. - № 835. - 520 с.
3. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных дви
гателей / Под ред. И. А. Биргера и Б. Ф. Балашова. - М.: Машино
строение, 1981. - 221 с.
4. Петухов А. Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. - М.: Машино
строение, 1993. - 240 с.
5. Козлов Л. А., Балашов Б. Ф. Вероятностная оценка сопротивления
усталости и действующих напряжений в деталях машин в связи с
расчетом на прочность при многоцикловом нагружении // Пробл. проч
ности. - 1983. - № 5. - С. 59 - 64.
6. Ресурсное проектирование авиационных ГТД. Руководство для конст
рукторов. Вып. 1. Общие принципы ресурсного проектирования и мо
дели долговечности материалов и деталей авиационных ГТД // Тр.
ЦИАМ. - 1990. - № 1253. - 208 с.
7. Расчеты и испытания на прочность. Методы оценки сопротивления
усталости в условиях фреттинг-коррозии. Методические указания.
МР217-86. - М.: Госстандарт, 1986. - 19 с.
8. Петухов А. Н. Прогнозирование сопротивления усталости деталей ГТД
с учетом технологических, конструктивных и эксплуатационных фак
торов / ЦИАМ. - Препр. - М., 1994. - 41 с.
ІББМ 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2005, № 3 19
А. Н. Петухов
9. Харьков В. П. Вероятностно-статистическая оценка запасов прочности
// Проблемы прочности и динамики в авиадвигателестроении. - 1989. -
Вып. 4. - С. 152 - 167.
10. Петухов А. Н. О некоторых закономерностях влияния параметров по
верхностного слоя на сопротивление усталости высокопрочных конст
рукционных материалов // Механическая усталость металлов: Тр. XI
Междунар. кол. В 2 т. - Киев, 1992. - С. 247 - 252.
11. Петухов А. Н. О необходимости регламентирования свойств поверх
ностного слоя при проектировании деталей ГТД с учетом усталости //
Техника воздушного флота. - 1995. - 69, № 1-2 (612-613). - С. 74 - 77.
12. Захарова Т. П. Модели усталостного разрушения при сложном нагру
жении // Механическая усталость: Тр. VI Междунар. кол. - Киев, Наук.
думка, 1983. - С. 74 - 81.
13. Петухов А. Н. Усталость елочных хвостовиков лопаток турбин. - М.:
ЦИАМ, 1986. - 12 с.
14. Петухов А. Н. Усталость замковых соединений лопаток компрессоров //
Тр. ЦИАМ. - 1987. - № 1213. - 36 с.
15. Петухов А. Н. Методические особенности исследования процесса фрет-
тинг-коррозии в связи с усталостью материалов // Завод. лаб. - 1974. -
№ 10. - С. 1246 - 1250.
16. Петухов А. Н. Несущая способность деталей при фреттинг-коррозии //
Испытания авиационных двигателей (Межвуз. сб. № 8). - Уфа, 1980. -
С. 28 - 34.
17. Петухов А. Н. Прогнозирование характеристик сопротивления уста
лости конструкционных материалов с учетом влияния эксплуатаци
онных повреждений фреттингом // Механическая усталость металлов:
Материалы VI Междунар. кол. - Киев: Наук. думка, 1983. - С. 381 -
386.
18. Быков Ю. Г., Петухов А. Н., Черкасова С. А. Циклическая трещино-
стойкость титановых сплавов ВТ3-1 и ВТ25 // Физ.-хим. механика
материалов. - 1990. - № 3. - С. 49 - 53.
19. Вахромеев А. М., Петухов А. Н. Исследование титанового сплава ВТ3-1
при двухосном напряженном состоянии // Прочность материалов и
конструкций при сложном напряженном состоянии. - Киев: Наук. думка,
1986. - С. 61 - 64.
20. Вахромеев А. М., Петухов А. Н. Сопротивление усталости титанового
сплава ВТ3-1 в условиях совместного действия изгиба, кручения и асим
метрии цикла нагружения // Проблемы прочности и динамики в авиа
двигателестроении. - 1989. - Вып. 4. - С. 253 - 262.
21. Балашов Б. Ф., Петухов А. Н., Архипов А. Н., Володенко Б. В. Рас
сеивание результатов усталостных испытаний литых лопаток газовых
турбин в связи с конструктивно-технологическими факторами // Пробл.
прочности. - 1976. - № 6. - С. 1 8 - 2 1 .
20 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3
Многоцикловая усталость материалов
22. Балашов Б. Ф., Харьков В. П., Юровский 3. X. Статистический анализ
характеристик усталости лопаток турбомашин // Там же. - 1984. - № 10.
- С. 15 - 19.
23. ОСТ 100870-77. Лопатки ГТД. Методы испытаний на усталость. -
Введен 01. 06. 77.
24. А. с. № 411154. Способ термической обработки изделий из титановых
сплавов / Б. Ф. Балашов, А. Н. Петухов, А. Н. Архипов. - Опубл. 23. 02.
74. Бюл. № 2.
25. ОСТ 101 049-83. Роторы ГТД. Методы испытаний элементов роторов на
усталость. - Введен 01. 01. 85.
26. ОСТ 1 02569-85. Двигатели газотурбинные. Методы расчета пределов
выносливости деталей. - Введен 01. 01. 87.
27. ОСТ 10034-85. Лопатки газотурбинных двигателей. Нормирование по
вреждений лопаток компрессора от попадания посторонних предметов.
- Введен 01. 07. 85.
28. ОСТ 100447-82. Двигатели газотурбинные. Использование лопаток в
течение ограниченного ресурса. - Введен 01. 01. 83.
29. ОСТ 102506-84. Лопатки компрессоров газотурбинных двигателей.
Использование лопаток, поврежденных коррозией. - Введен 01. 01. 85.
30. Захарова Т. П., Пименова Г. П., Красникова Л. Н. Остаточная долго
вечность неохлаждаемых лопаток турбин большого ресурса // Проблемы
прочности и динамики в авиадвигателестроении. - 1982. - № 996. -
С. 205 - 212.
Поступила 04. 04. 2005
0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 3 21
|