Анализ условий эксплуатации лопаток компрессора

Большое количество двигателей снимается с самолетов до выработки ими гарантийного ресурса из-за повреждения компрессора посторонними предметами, попавшими на вход двигателя при эксплуатации.

Досрочный съем двигателей нарушает регулярность рейсов самолетов и приводит к большой дополнительной загрузке завода-изготовителя и ремонтных предприятий внеплановым ремонтом двигателей.

Повреждение компрессоров двигателей снижает эксплуатационную надежность и безопасность полетов.

Одной из основных причин поломок лопаток компрессоров ГТД является снижение усталостной прочности вследствие их повреждения посторонними предметами (ПП), попадающими в проточную часть двигателя. Современная тенденция проектирования двигателей характеризуется, тем, что кромки лопаток компрессора нового поколения стремятся выполнить тоньше предыдущего.

Все это приводит к большей восприимчивости лопаток к попаданию ПП. В связи с этим создаются программы направленные на изучение и выработку эксплуатационных, технологических и конструктивных рекомендации по повышению стойкости лопаток к попаданию ПП [4]. В рамках этих программ ведутся исследовательские работы, направленные на изучение различных аспектов этой проблемы.

До 60% поломок лопаток компрессоров ГТД носят усталостный характер [3]. Это связано с действием переменных напряжений и вибраций в процессе эксплуатации. Поломка одной лопатки обычно вызывает лавинообразное разрушение других лопаток и приводит к помпажу компрессора, разбалансировке ротора и выходу из строя всего двигателя. Поэтому проблема обеспечения усталостной прочности лопаток была и является весьма актуальной для двигателестроения.

Сложность обеспечения усталостной прочности связана с многообразием влияющих факторов. К ним относят:

- технологические (особенности технологического процесса изготовления, и термообработки, марка материала);

- эксплуатационные (условия работы повреждения и износ);

- конструктивные (геометрические особенности детали).

Последние вынуждают проводить исследования по определению усталостных характеристик лопаток ГТД, именно на натурных объектах, а не на образцах.

Лопатки компрессоров - одна из массовых деталей ГТД. Они представляют собой тело сложной формы и состоят из профильной част и (пера) и хвостовика. Кроме того, рабочие лопатки могут иметь антивибрационные полки и удлинительную ножку. Лопатки статора могут иметь элементы крепления и на внутреннем и на наружном концах пера. Характерные размеры лопаток меняются в широких пределах.

Длина профильной части изменяется от нескольких миллиметров на последних ступенях компрессора малогабаритных двигателей до 1000 мм и более в вентиляторах двигателей большой тяги. Хорда профиля составляет 0,1-1,0 длины профильной части. Максимальная относительная толщина профиля может составлять от нескольких процентов у широкохордных лопаток вентилятора до десятков процентов.

Для изготовления лопаток компрессора высокого давления используют титановые сплавы в диапазоне температур не превышающих 500°С, а также стали и жаропрочные сплавы в диапазоне температур превышающих 500°С. Титановые сплавы типа ВТЗ-1, BT8M при сравнительно небольшой плотности (4500 кг/м³) обладают соизмеримым со сталями пределом прочности, что в первую очередь позволяет получить заметное снижение массы всего узла.

Однако титановые сплавы обладают рядом недостатков:

- с увеличением рабочей температуры механические свойства титановых сплавов падают;

- высокая чувствительность к концентрации напряжений;

- вероятность возникновения «титанового пожара».

Титановые сплавы в основном применяют дня изготовления лопаток первых ступеней КВД. Технология изготовления может быть следующая:

- горячая штамповка из прутка с припуском на механическую обработку, термообработка, фрезерование, шлифование, полирование и упрочняющая обработка пластическим деформированием (виброгалтовка);

- точная штамповка и последующее вальцевание профильной части, до и после вальцевания — термообработка (обычно отжиг и старение), упрочнение - виброгалтовка.

Жаропрочные сплавы применяют для изготовления лопаток последних ступеней КВД, где рабочая температура превышает 500°С. Стальные лопатки, в основном, изготовляют путем точной штамповки с последующим холодным вальцеванием, затем механической обработкой и упрочнением. Термообработка (отжиг, сложное многоступенчатое старение и т.д.) производится на различных этапах изготовления в зависимости от технологии изготовителя.

Впроцессе работы лопатки испытывают комплексное воздействие разнообразных эксплуатационных факторов. К ним относятся: статические нагрузки, вибрационные и тепловые, разрушение поверхностного слоя (коррозия, эрозия), вероятность повреждения лопатки посторонними предметами.

Нагрузки, испытываемые лопаткой в процессе работы, можно разделить в свою очередь на статические, т.е. не изменяемые на стационарных режимах работы двигателя, и динамические, которые изменяются во времени с высокой частотой па всех режимах работы.

К статическим нагрузкам относят: центробежные силы, газодинамические силы и температурные поля в лопатке. Динамические нагрузки обычно имеют газодинамическое происхождение и вызывают вынужденные колебания лопатки в процессе работы. Статические и динамические нагрузки при длительной работе двигателя приводят к накоплению повреждений в лопатки по механизмам малоцикловой и многоцикловой усталости соответственно.