Введение к работе
Актуальность темы. Увеличение ресурса и повышение надежности авиационных двигателей определяется не только совершенствованием качества изготовления и ремонта его основных деталей и узлов, но и, в значительной мере, комплексом методов, направленных на анализ их технического состояния. Наиболее повреждаемым узлом авиационного двигателя является турбина, а именно рабочие и сопловые лопатки, изготовленные из жаропрочных сплавов на никелевой основе. Тяжелые условия работы, связанные с воздействием на них высоких температур и переменных напряжений вызывают в материале лопаток необратимые структурные изменения, ухудшающие их эксплуатационные характеристики, приданные термической обработкой. Одним из показателей качества материала лопаток с точки зрения структуры является количество и морфология у'-фазы.
Существующий метод контроля структурного состояния материала лопаток имеет ряд недостатков. Во-первых, метод контроля является разрушающим, микроструктура изучается на шлифах. Во-вторых, метод является субъективным, состояние структуры сравнивается с фотоэталонами и зависит от опыта исследователя. В настоящее время связь структурного состояния материала лопаток турбин из жаропрочных сплавов на никелевой основе с работоспособностью изделия изучена недостаточно, поэтому научные исследования в данном направлении являются практически значимыми и актуальными. Наиболее значимым являлось бы использование в качестве структурно-чувствительного параметра такую характеристику, как модуль Юнга материала. Не вызывает сомнений, что упругая характеристика сплава относится к числу наиболее важных физико-механических показателей и входит во все расчеты на прочность, жесткость и термостойкость элементов конструкции. Характеризуя упругое поведение поликристаллического тела, модуль упругости тем самым определяет прочность междуатомных связей в кристаллической решетке, поэтому по их значениям могут быть оценены и другие физические величины: теплота сублимации, температура плавления, теплосодержание, среднеквадратичное отклонение атомов, частота собственных колебаний объекта, коэффициент линейного расширения и др. Поэтому научные исследования в данном направлении являются практически значимыми и актуальными.
Цель работы. Исследование возможности использования модуля Юнга в качестве диагностического признака при структурной повреждаемости материала лопаток турбин.
Для достижения поставленной цели в рамках данной научно-исследовательской работы решались следующие научно-технические задачи.
-
Анализ теплового состояния и напряженно деформированного состояния лопатки с учетом изменения упругих свойств материала.
-
Выбор экспериментального оборудования и обоснование режимов термической обработки.
-
Экспериментальное исследование влияние изменения структуры материала рабочей лопатки на модуль Юнга.
-
Проведение компьютерного моделирования теплового, напряженно-деформированного и вибрационного состояния рабочей лопатки с учетом структурного состояния материала, характеризуемого модулем Юнга.
-
Разработка технических решений и рекомендаций по совершенствованию метода контроля структурного состояния материала лопаток турбин на основе использования экспериментальных методов и методов численного моделирования.
Научная новизна работы.
-
Впервые предложено и осуществлено в качестве показателя структурной повреждаемости жаропрочных сплавов на никелевой основе использовать упругую характеристику материала - модуль Юнга.
-
Установлена зависимость между условиями термической обработки, характеризующими структурное состояние жаропрочных сплавов на никелевой основе, и модулем Юнга. Получена регрессионная зависимость для определения модуля Юнга в зависимости от температуры нагрева и времени выдержки при заданных условиях термической обработки.
-
Разработаны и предложены рекомендации по совершенствованию метода контроля состояния материала лопаток турбин, в основе которого лежит зависимость между модулем Юнга и частотой собственных колебаний, рассчитанная для различных стадий структурного повреждения.
Практическая ценность работы.
-
Разработанные в диссертационной работе теоретические и экспериментальные зависимости, позволяют проводить оценку модуля Юнга материала лопаток турбин по режимам заданной термической обработки, которые характеризуют структурное состояние сплава.
-
Экспериментально показана возможность использования модуля Юнга, в качестве диагностического признака при структурной повреждаемости материала лопаток турбин.
-
Полученные в ходе диссертационной работы теоретические и экспериментальные данные необходимы для дальнейшего исследования закономерностей, происходящих в материале лопаток турбин после термической обработки и эксплуатационных нагревов, а также для совершенствования процесса диагностики повреждаемости лопаток из жаропрочных сплавов на никелевой основе.
-
Разработанная уточненная методика контроля способствует накоплению значительного статистического материала связанного с частотными характеристиками лопаток и структурой сплава, на основании которого возможно дальнейшее развитие старых и разработка новых методов контроля и диагностики деталей из жаропрочных сплавов, где в качестве диагностического признака выступает модуль Юнга.
Полученные в ходе работы теоретические и экспериментальные материалы, аналитические зависимости и рекомендации по совершенствованию метода контроля качества материала лопаток турбин переданы на ОАО «НПО «Сатурн».
Автор защищает.
-
Уточненную методику контроля структурного состояния материала лопаток турбин, основанную на экспериментальном исследовании модуля Юнга.
-
Результаты экспериментального и компьютерного моделирования структурной повреждаемости материала лопаток турбин, реализованного в пакете прикладных программ ANSYS, где показателем повреждения выступает модуль Юнга.
Достоверность полученных результатов подтверждается.
-
Высокой степенью сходимости результатов численного моделирования с экспериментальными и производственными данными.
-
Использованием в диссертационной работе современных высокоэффективных программных продуктов ANSYS, STATISTIKA.
Апробация работы. Разработанная методика контроля, экспериментальные результаты, теоретические и графические зависимости, полученные в рамках диссертационной работы, прошли производственное опробование на ОАО «НПО «Сатурн». Отдельные результаты работы докладывались на: IV Международной научно-технической конференции «Производственные технологии и качество продукции» (г. Владимир 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (г. Рыбинск 2002 г,); Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве» (г. Рыбинск 2002 г.); XXIX Конференции молодых ученых и студентов (г. Рыбинск 2005 г.) Полностью работа докладывалась на научных семинарах кафедры «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» РГАТА им. П. А. Соловьева.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов по работе и списка использованных источников из 107 наименований. Общий объем диссертации 195 страниц, она содержит 120 рисунков, 35 таблиц и 7 приложений.
