Влияние покрытия нитрида титана на свойства усталости рабочих лопаток компрессора

Аннотация

Бабенко О. Н. – Влияние покрытия нитрида титана на свойства усталости рабочих лопаток компрессора

Рассмотрены системы блочного моделирования. Исследовано моделирование уравнения гармонического осциллятора. Проведено сравнение моделирующих сред.

Приведены результаты исследования влияния эрозионностойкого покрытия нитрида титана на свойства усталости рабочих лопаток компрессора. Определены пределы выносливости новых лопаток с покрытием и лопаток с эрозионным износом от наработки с покрытием и без покрытия для вероятности неразрушения Р = 0,9.

Ключевые слова: испытания на усталость, рабочая лопатка компрессора, покрытие нитрида титана, эрозионный износ, напряжение, предел выносливости.

Введение

Газотурбинные двигатели во время работы вертолета постоянно подвергаются воздействию взвешенныхчастиц, таких как пыль, песок, вулканический пепел, находящихся в воздухе, которые вызывают эрозию. Это воздействие усиливается во время взлета и посадки, особенно на неподготовленных площадках или во время работы в пустыне. Особенно вредна эрозия для компрессора двигателя, что влечет за собой снижение КПД и помпаж, уменьшается срок службы, повышается расход топлива и снижаются показатели надежности двигателей. Эрозионный износ лопаток компрессора приводит к снижению их сопротивления усталости и до 60% поломок лопаток компрессоров ГТД носят характер усталости. [1]

Для облегчения понимания общих закономерностей колебательных процессов целесообразно начинать их изучение с простых и наглядных систем, например, замкнутая цепь, содержащая конденсатор и катушку индуктивности. Изменение во времени физических величин, характеризующих разные колебательные системы, описывается одинаковыми дифференциальными уравнениями.

Учитывая актуальность проблемы, были проведены исследования, в задачу которых входило определение влияния эрозионностойкого покрытия нитрида титана на свойства усталости рабочих лопаток компрессора двигателя Д – 136. Испытания на усталость проводились на новых лопатках с покрытием и на лопатках с покрытием и без покрытия с эрозионным износом пера, прошедших испытания в составе двигателя с вбрасыванием пыли в тракт. Вбрасывание пыли в тракт двигателя производилось при его работе на стенде в течение 7 циклов. 0бщая масса пыли составила 57,2 кг. Нанесение покрытия нитрида титана осуществлялось методом вакуумной ионно-плазменной технологии, в среде реактивного газа посредством катодного пятна вакуумной дуги с последующей конденсацией потоков газометаллической плазмы на обрабатываемую поверхность. Испытания на усталость проводились на рабочих лопатках различных ступеней компрессора. Лопатки 1 ступени КВД с эрозионным износом (с покрытием и без покрытия) не испытывались.

Для контроля уровня динамических напряжений при испытаниях на усталость лопатки были препарированы проволочными тензорезисторами базой 5 мм согласно схеме, приведенной на рисунке 1. Испытания на усталость лопаток проводились при изгибных колебаниях по основному тону (первая изгибная форма) с симметричным циклом нагружения в условиях комнатной температуры по методу ступенчатого изменения напряжений (метод «лестницы»). Базовое число циклов нагружения составляло:

для титановых лопаток – N = 10⁸ циклов;

для стальных лопаток – N = 2·10⁷ циклов;

Начальный уровень нагружения избирался для каждой ступени отдельно, исходя из свойств на усталость. Параметры нагружения и результаты испытаний на примере лопаток 6 ступени КНД представлены в таблице 3; диаграммы на усталость «лестница», отражающие картину испытаний, приведены на рисунке 2. Обработка результатов испытаний и вычисление значений среднего предела выносливости и его среднеквадратического отклонения S і 1 произведены по формулам:

где 0 – нижний уровень нагружения в диаграмме на усталость, на котором нет разрушений

R – общее количество разрушений лопаток в партии

Анализ результатов испытаний новых лопаток всех исследованных ступеней показывает, что нанесение данного покрытия практически не влияет на их свойства усталости, так как полученные пределы выносливости не ниже требуемых значений. Значения пределов выносливости новых лопаток с покрытием и лопаток с эрозионным износом от наработки с покрытием и без покрытия для вероятности неразрушения Р = 0,9 по результатам испытаний.

Результаты математической обработки результатов настоящих испытаний для лопаток 6 ступени КНД приведены на рисунке 2.

Анализ результатов испытаний лопаток с эрозионным износом показывает, что данное покрытие не снижает свойства усталости пера лопаток по сравнению с лопатками без покрытия. Снижение свойств усталости лопаток 7 ступени КВД с эрозионным износом ниже требуемых значений, что объясняемся значительной чувствительностью материала лопаток к концентрации напряжений (чувствительность к надрезу), т. е. является следствием появления на пере лопаток в результате износа от испытаний множества рисок – концентраторов.

При теоретическом коэффициенте концентрации напряжений концентрации напряжений составил и коэффициент чувствительности к надрезу что подтверждает высокую чувствительность материала ХН77ТЮР (лопатки 7 ступени КВД) к концентрации напряжений. [2] Для выявления возможного из-за изменения геометрии пера лопаток от эрозионного износа перераспределения напряжений от места, где они задаются и контролируются к месту разрушения лопаток (радиус перехода пера в хвостовик), было проведено исследование распределения напряжений на лопатках 7 ступени КВД при помощи тензорезисторов с базой 1 мм. Исследование распределения напряжений на лопатках новых и с эрозионным износом не выявило перераспределения напряжений, могущих повлиять на точность задания напряжений, что подтверждает снижение свойств усталости от влияния концентрации напряжений.

Выводы

1. Нанесение эрозионостойкого покрытия нитрида титана на перо латок 6 ступени КНД, 1, 5, 7 ступеней КВД двигателя Д – 136 не ухудшает свойств усталости новых лопаток. Пределы выносливости лопаток данных ступеней, определенные при испытаниях по первой изгибной форме колебаний, соответствуют требованиям.

2. Испытания на усталость лопаток с покрытием нитрид титана и эрозионным износом пера в результате вброса пыли в тракт двигателя Д – 136 при его работе на стенде показали защитную роль покрытия.

Список использованной литературы

1. Иноземцев А. А. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок : учебник /А. А. Иноземцев, М. А. Нихамкин, В. Л. Сандрацкий. – М. : Машиностроение, 2008. – Т. 2. – 368 с.
2. Масленков С. Б. Жаропрочные стали и сплавы. Справочник / С. Б. Масленков – М. : Металлургия, 1983. – 192 с.