Способ ускоренных ресурсных испытаний деталей газовых турбин

-, г ЬСТВУ ОМ кс с мд овий евого Далее ли на рами пературе Т и выдержки ь эквивал время 1 вы сс изтн оситного ер жима и ределяа ресурс 4 ален, Ци таве газо 6 при котоооьриала минидетали в со до разрушени ическое нагр рбинного дв ьностью 4 в ежиме при на ение ателя ержат с длит лентном осу ществл ки на зкви ряжевалентн ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Киевский институт инженеров гражданской авиации им. 60-летия СССР(56) Кузнецов Н.ДЦейтлин В,И. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей, М.: Машиностроение, 1976, с. 165 - ",67.(54) СПОСОБ УСКОРЕННЫХ РЕСУРСНЫХИСПЫТАНИЙ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОВЫХ ТУРБИН(57) Изобретение относится к машиностроению. Цель изобретения - повышение производительности путем сокращения временииспытания. Для этого перед проведениемускоренных циклических испытаний двигателя осуществляют нагружение детали илиобразца материала детали вне газотурбинного двигателя при форсированном по нагрузке режиме малоцикловой усталости ипри синфазном изменении температуры т инапряжения а, выдерживают деталь при экжиме и температуре Такс 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 малоцикломени ть и определяют м едельное напряжение о 3 а усталости детали для ус ф р р нного нагружения отнул цикла при выбранной долговечности ть торая меньше оесурса двигателя. проводят циклические испытания дета малоцикловую усталость с парамет цикла максимального напряжения 03 акс и при максимальной тем менением длительност тельно длительности ниях Офмакс и температуре Т продолжительностью, определяемой формуле приведенной в тексте аписа изобретения. 4 ил. вую усталость в неизотермических условиях; на фиг. 2 - результаты испытаний сплава ЖС 6 Ф на малоцикловую усталость при термсциклировании по режиму 600 Ф 950 С; на фиг. 3 - зависимости предельных напряжений от длительности ть выдержки и времени ю 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 наработкут на основных стационарных режимах затиповой среднестатистический эксплуатационный цикл работы и в течение времени гр 50 дТмакс=6000850 С; 6 ОО В 950 С: 60021050 С,а также образцы из материалов ЖС 6 КП, ЭП 708 ВД, ЭД 718 ИД при трех режимах терресурса. Для этих режимов рассчитывают температуру Т и действующие напряжения с в зоне вероятного разрушения выбранной детали газовой турбинц. По семейству экспериментальных изотермических кривых длительной прочности матесиала детали, описываемому функцией хя, Т) находят значения времени до разрушения материала т на каждом 1-м режиме эксглуатационного цикла работц газотурбинного двигателя,Нз основе анализа нагруженности и теплового состояния детали газовой турбины назначают эквивалентный режим работы газотурбинного двигателя. Обычно в качестве такового принимают режим с максимальными температурой Тмакс и напряжениями ОФакс, действующими в детали газовой турбины, Для авиационного газотурбинного двигателя это взлетный режим. Исходя из принципа линейного суммирования повреждений, определяют длительность эквивалентного режима Й, заменяющего эксплуатационный цикл работы ГззотурбиннсГО двиГзтеля, и суммарную длительность Ь этого режима зз ресурс по следующи формулам;ть = ЬХ 1 + Й- .1)=Ргде тп - среднестатистическая длительность суммы стационарнцх режимов эксплуатационного цикла;1 - число указаннцх режимов;индекс 1 относится к эквивалентному режиму;тр - проверяемый ресурс двигателя, Проводят форсированные по нагрузке испытания детали газовой турбины или образцов ее материала на малацикловую усталость в условиях синфазногс изменения температуры и напряжений с выдержкой при температуре Таэквивалентнсгс режима длительностью тб. В результате этих испытаний нахОдят максимальное предельное напряжение оскс малоцикловой усталости для форсированного отнулевого цикла нагружения при долговечности тФ (база испытаний), которую принимают на 1-2 порядка меньше, чем проверяемый ресурс двигателя. Затем путем испытаний детали на малоцикловую усталость с максимзльным напряжением смаке цикла и максимальфнай температурой Тмакгп изменяя длительность выдержки при отмеченных 5 параметрах относительна величины Я, методом проб и ошибок или каким-либо другим способом определяют длительность тпвцдержки, при которой время до разрущения материала детали имеет минимально возможное значение гбгп, Продолжительность ускоренных циклических испцтаний газотурбинного двигателя с длительностью 4 гп выдержки на эквивалентном режиме при 1 максимальных напряжениях оакп и температуре Т,кс определяют па формуле;цЬгп =тай1+ ----- Е-), (3)и т зг. +Тсб .20тФ 4ГДЕ Траг И тсбр дЛИтЕЛЬНОСтЬ раЗГОНа дВИГателя до эквивалентного режима и длительность сброса газа;та- суммарная длительность эквивалентного режима за проверяемый ресурс 25 двигателя, определяемая па формуле (2).В случае авиационного газотурбинногодвигателя необходимое число эквивалентных циклов для ускоренных испытаний это числа посб приемистости с выдержками на ВЗЛЕТНОМ РЕжиМЕ ДЛИтЕЛЬНОСтЬЮ Тбгп, Катарое находят по формулеМоЬгп И)1 Вп + траг +.1 сбр35 Были проведены испытания образцовжзрспрачных материалов на мзлоциклавую усталость при синфазном изменений напряжений и температуры, Эксперимент проводили на еерийной испытательной установке 40 УУЭОТМ, которая была дополнительнооборудована системой циклического нагрева образцов электрическим током и охлаждения сжатым воздухом, Доработанная установка обеспечивает вазможность испы тания цилиндрических образцов диаметром5 мм и длиной рабочей части 25-30 мм по схеме циклического неизотермического нагружения, приведенной на фиг, 1, Испыты, вали образцы из сплава ЖС 6 Ф при Тминмоциклиравзния для каждого сплава.Изменение температуры Т(т) и напряжений сг(с) производили по трапециевидному циклу с выдержками при максимальных напряжениях и температуре длительностью та, значения которой принимали следующими для сплава ЖС 6 Ф. ь=О; 1/60 С, 1/200, 1/12 ч, 1613924При каждом значении 1 ь 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 сть нагрева и охлаждения образцов в условиях неизменного размаха температур ЬТ зависела от максимальных напряжений цикла и в исследованном диапазонеОвеЛИЧИНа Ь Т/1 м=ЛТ/1 о, ГдЕ Ь И 1 о - дЛИтЕЛЬ ность полуциклов изменения температуры.В процессе испытаний регистрировали полное число й циклов до разрушения образцов, Время до разрушения т вычисляли по соотношению: 15Омакс1800 ВЭРезультаты испытаний образцов из сплава ЖСбф для режима термоциклирования 600960 С приведены на фиг, 2 в виде 20 экспериментальных точек, отражающих связи между временем до разрушения и максимальными напряжениями О = Омакс цИКЛа, На ЭТОМ жЕ ГрафИКЕ ПРИВЕ- дена кривая длительной прочности сплава 25 ЖС 6 Ф (кривая 2), соответствующая максимальной температуре Тмакс=950 С цикла. Расположение точек на фиг. 2 позволяет принять гипотезу о линейной зависимости между 19 ти О 301 цг=а+ЬО, (6) где а,Ь - коэффициенты, зависящие ат длительности выдержки,Как следует из фиг. 2, длительность выдержки оказывает сложное влияние на цик .лическую долговечность сплава. 1 Минимальное время до разрушения соот- ветствует величине 1 ь=1/200 ч, Увеличение до 1/12 ч приводит к повышению т примерно в 2 раза. Согласно логическим соображе ниям дальнейший рост величины 1 ь должен плавно приближать кривые малоциклавой усталости к кривой длительной прочности, для которой 1 ь=т. Снижение длительности. выдержки поотношению к величине 1 ьщтак же вызывает увеличение циклической долговечности (кривые 3 и 5), что в предельном случае (1 ь 0) должно плавно привести результаты испытаний к кривой 1.Экспериментальные факты о наличии 50 ДЛИтЕЛЬНОСтИ ВЫДЕРЖКИ 1 Ьт, ПРИ КатОРОй 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 1 ьг, Кроме того, анализ работ и результатов испытаний материалов ЖСбКП, 1 ь, т ) соответствииляющим иски получить иэ причем а(г) определяется вс требованием Р(1 ьп)=1, позвлючить Р(1 ь) из выражения (9)него формулу: рг. (10),График функции (10) приведен на фиг. 4, анализ которого позволяет принять линейную аппроксимацию вида.а ( ю ) = С 1 + С 2 19 т (11) Численные значения коэффициентов этого уравнения равны С 1"6,44; С 2=-2,85.Коэффициент Со функции (9) выбран по условию максимального приближения праЭП 708 ВД, ЭП 718 ИД паказываег, что величина 1 ьп несущественна зависит от времени да разрушения, т.е. 1 ьп(г) =сопз 1, а кривые малациклавой усталости при различных длительностях выдержки 1 ь 1 и 1 ь 2, превышающих величину 1 ьпв полулогарифмических координатах примерно параллельны, т.е, при любой нагрузке 1( 1 ь )/т (1 ь 2 ) = сопз 1 . На основе послед-. них 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 штрихпунктирнай линии) построены в логарифмическам масштабе, а левые - в натуральном.Для аналитического описания приведенных на фиг, 3 кривых используют функцию видаОмакс (Т, 1 Ь ) =Омакс (Г,) ф(1 Ь, 1 )(Омякс ( т) - Одл (т) ), (7) где оомакс - максимальное предельное напряжениее атнулеваго цикла нагружения при В=О; Ода - ПрвдЕЛ дЛИтЕЛЬНОй СтатИЧЕСКОй прочности материала пои Т=Тмакс,Из соотношений (7) и (8) следуютраВЕНСтеа Омакс(Т, О) =Омакс(1) Омакс (7, Г) =Одл (т), КОФЭрЫЕ атрджаЮТ граничные условия для функции Омакс ( г, 1 ь ) (фиг. 3).Согласна фиг. 3 и соотношению (7) для ВСЕХ ЗНаЧЕНИй ОмаксОдл дОЛжНО ВЫПОЛНятЬ- ся условие ф (1 ь, т)1, исходя из которого предельная функция (8) представляется в виде:"О вой ветви зависимости (10) при г1 г.к линейной и составляет Со=:3,С учетом соотношения (11) из Формулы(12)Из полученного выражения (12) следует, что,В(ть) 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 т =сопзт следующее выражение: ф (Ь) = 1 + Сэ 1 Я - + Сд 1 Я= + Сб 1 Я ТЬв ТЬп сЬл .(13) которое соответствует ранее принятому условию фьга)=1. Определяя коэффициенты Сз-Сб по кривой р(ть) (фиг. 4), вычисленной с помощью формулы (12) при т =100 ч, получаем Сз=О,6525," С 1=0,68877; СБ=О.,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 произ- ВОДНУЮ ОТ ФУН КЦИИ Пмакс ( , 1 Ь ) ПО переменной ть нулю, получаем уравнение для определения расчетной по этой моделиИТЕЛЬОСТИ фл ЗЫДЕРжКИ СООТВа ГСТРО- шей минимуму предельных напряжений и, значит, минимуму циклической долгоьечности материала с 1 сгмакс ЙЛь) . е - /3 фщ) + (уф 1 щ - цдкат щ, + 3 С 1 20 й 3 0 (14) ТЬа ТЬгл где Функция дф;) задана соотношением (13).Решение уравнения 14) итерационным методом на ЭВМ показывает, что для данных, приведенных на фиг. 2 и 3. величина 1 ьгл в диапазоне долговечности 1 Я 7=3 - 5 составляет 42-49 с,На основании Формулы (6) для граничных предельных напряжений модели (7) получаем формулы1 Омакс ( Т= - (1 ЯТ -" Зо ),Ьо Одл ( Я дл )(15)Ьдл коэффициенты ко;орых равны а 0=4,78369. Ь 0=-8,19872 10; адл,=4 75: Ьдл.=О 01Подставляя соотношение (9) и (11) и (1 5)в Формулу(7), получаем квадратное уравне 10 150 25 ъ 0 35 л Ф" 4 г: ние Относительно пят, решение которогоимеет вид: 2 АВ + /В +4 АС(16) Гдв А=Ь 0(С 0+С 2)-Ьдл.Ф (1 Ь)В = Ьо(С 1- (Со+ С 2) (адл + Ьдл 7 макс + Ьдл,д (ТЬ) (а 0+ Ь 0 пмакс + 1 Я Ть );С = ЬоС 1(адл+ Ьдг%лакс)+ Ьдл 8(1 Ь) Х ( ао + Ьо Омакс ) 1 Я ЬПример расчета по предлагаемому способу выполнен на базе программы эквивалентных испытаний авиационного двухконтурного двигателя пассажирского самолета,В таблице даны Относительная наработка двигателя Ъ на основных эксплуатационных режимах и долговечность рабочей лопатки турбины Т 1 при нагрузках и температурах этих режимов,В течение г роверяемого ресурса двигателя тр =5000 ч наработка на взлетном рех;име составит т 1=0,02 х 5000=100 ч, Расчет по формуле (2) показывает, что в эквивалентной программе суммарная наработка двигателя на взлетном режиме должна быть РаВНа та 1 г =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 на взлетном режиме в этом цикле составляет 1 мин, а в цикле эквивалентных испытаний. согласно расчету по Формуле(1) - 4=15 мин. количество эквивалентных цикловдлительно стью ть равно Мь=тй: /4=6000, а продолжительность их воспроизведения при исг 1 ытаниях, если длительности разгона ДвигателЯ До взлетного Режима абраг,и сбРоса Газа тсбр ОРинйть по 15 с, составит Ьаь=йаь(ть+1 рзг+Тсбр)=200 ч,Путем форсированных испытаний образцов материала рабочей лопатки из сплава ЖС 6 Ф ча малоцикловую усталость с максимальным напряжением цикла Офмакс =200 МПа и длительностью выдержки ТЬ=1,5 мин при максимальной температуре алопатки эквивалентного режима 1 макс=950 С расчетОм ПО Формуле (16) находят тб =52,6 ч, При неизотермическом малоцикловом нагружении сбразцов из сплава ЖС 6 ф с параметрами викла Офмакс=200 МПа: Тчакс=950 С метОдОм подбора из экс 1613924 10перимента определяют (путем решения уравнения (14) при т = 4 =52,6 ч) длительность выдержки 1 п =45 с, которой соответствует минимальное время до разрушения образцов тВ, = 39,8 ч, последняя рассчитана по формуле (16) при ть=тьп)=45 с.Если ускоренные циклические испытания двигателя проводить с длительностью эквивалентного режима в цикле, равном Дп)=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 4 /т,7575. Вычисляя продолжительность ускоренных испытаний по формуле (3), получаем Ьоьв=151,5 ч. Таким образом, время проверки длительной прочности рабочих лопаток газовой турбины сокращаетсч на величину Ьь-пульп=49,5 ч. Число циклов ускоренных испытаний определяют по формуле (4) Мьв=7272,Формула изобретения Способ ускоренных ресурсных испытаний деталей газовых турбин, заключающийся в том, что нагружают испытуемую деталь в составе газовой турбины на нескольких эксплуатационных режимах, определяют температуру Т и напряжение с в зоне веро,ятного разрушения испытуемой детали для каждого 1-го режима в течение времени 1 наработки за цикл и в течение времени тр, соответствующего ресурсу, определяют время т до разрушения материала детали для каждого.)-го эксплуатационного режима; по максимальным напряжениям оакс и температурам Тнакс в детали определяют длительность Я эквивалентного эксплуатационного режима двигателя и суммарную длительность тэ этого режима в течение всего ресурса и проводят ускоренные циклические испытания газотурбинного двига-. теля на эквивалентном режиме, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения производительности путем сокращения времени испытания, перед проведением ус 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 инапряжения о, выдеоживают деталь при эквивалентном режиме и температуре Тэмакс в течение времени тБ и определяют макси мальное предельное напряжение о 3 акс малоцикловой усталости детали для условий форсированного нагружения от нулевого цикла при,выбранной долговечности г 9, которая меньше ресурса двигателя, проводят циклические испытания детали на малоцикловую усталость с параметрами цикла максимального напряжения 4 акс и при максимальной темггературе Ткс с изменением 25 длительности выдержки относительно длительности ть эквивалентного режима и определяют время 4 п выдержки, при котором ресурсов до разрушения материала минимален, а цикличе ское нагружениедетали всоставегазотурбинного двигателя осуществляют с длительностью 4 выдержки на эквивалентном режиме принапряженияхоэмакс и температуре Тюакс продолжительностью, определяемой по формулеь,ып = -ы (1 - -д- - ф ),где тазг - длительность разгона двигателя до эквивалентного режима;40 сбр - длительность сброса газа;1 э - суммарная длительность эквивалентного режима в течение проверяемого ресурса двигателя;4- длительность режима в цикле испытаний.О ОМГОООФ 0 7 1,О ДЬг. 4Составитель Г. ЛукашевичТехред М,Моргентал Корректор Т. Патей Редактор Т. Парфено аказ 3888 Тираж 499 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 1