Спосіб випробування на втомленість робочих лопаток газотурбінного двигуна, відлитих методом направленої кристалізації

Спосіб випробування на втомленість робочих лопаток газотурбінного двигуна, відлитих методом направленої кристалізації, який включає кріплення тензорезисторів, тарування, задавання амплітудної напруги циклу і визначення межі витривалості, який відрізняється тим, що тарування і задавання амплітудної напруги циклу здійснюється статичним навантаженням деталі Винахід відноситься до способів випробувань на втомленість, а саме до випробувань на втомленість робочих лопаток ГТД із направленою і монокристалічною макроструктурою, Відомий спосіб випробувань на втомленість турбінних лопаток, у якому з метою підвищення точності випробувань лопатку додатково кріплять за полку та у крайній точці з боку вільного кінця за перший зуб хвостовика (А св СРСР №1276937, кл G01M7/00, G01 N3/04,1976р) Також відомий спосіб випробувань на втомленість лопаток турбіни з застосуванням вантажу, закріпленому на КІНЦІ пера (А св СРСР №1487628, кл G01M7/00,1987p,) Найбільше близьким до заявляемого є спосіб випробувань на втомленість монокристал ічних лопаток ГТД що включає проведення динамічного тарування й випробування на втомленість ('"Инструкция по проверке рабочих лопаток 1 ступени турбины компрессора на усталостную прочность", ОАО "Мотор Сич", г Запорожье, 1997г) Недоліком цих способів є деформаційний ПІДХІД до випробувань на втомленість, що полягає в контролі величини амплітудного нагруження в циклі навантажування за амплітудною деформацією, що не дозволяє враховувати фактичне значення модуля пружності Ефакт для лопаток із монокристалічною і направленою макроструктурою, Задачею даного винаходу є підвищення точності визначення випробувань на втомленість лопаток газотурбінних двигунів із монокристалічною і направленою макроструктурою за рахунок переходу від деформаційного підходу, заснованого на динамічному таруванні тензорезисторів і наступному відтворенні однакової амплітуди деформації для усього комплекту лопаток, до силового підходу, заснованому на завданні однакової амплітуди навантаження, яка визначається при статичному консольному вигині усіх випробуваних лопаток Для досягнення указаного технічного результату ,в способі випробування на втомленість, що включає кріплення тензорезисторів, тарування, завдання амплітудної напруги циклу і визначення межі витривалості, тарування і завдання амплітудної напруги циклу здійснюють статичним навантажуванням Застосування силового підходу заснованого на завданні фіксованого амплітудного навантаження при статичному консольному вигині усіх випробуваних лопаток дозволить підвищити точність визначення амплітудного значення величини поверхневих напружень у МІСЦІ кріплення тензорезисторів у 3 рази, що веде до підвищення достовірності результатів визначення межі втоми лопаток із направленою і монокристалічною макроструктурою, і за рахунок виключення повторних перевипробувань лопаток одержати значний економічний ефект На фіг 1 зображена схема установки для статичного тарування лопаток, на фіг 2 експериментальна залежність для вибору маси тарувального вантажу О Ю 00 ю 51825 Спосіб, що заявляється заснований на таких відомих уявленнях про взаємозв'язок між напругою і пружною деформацією матеріалів Під ВПЛИВОМ статичного навантаження при консольному навантаженні лопаток поза залежністю від пружних характеристик сплаву, на поверхні виникають напруження в напрямку осі Z лопатки, що описуються для і-го перегину виразом an=M,/W,, (1) де Мі - згибальний момент, в і-ому поперечному перетині лопатки, W| - момент опору мх> перетину М,=РА„ (2) де Р - статичне фіксоване навантаження (маса прикладеного вантажу) А, - плече додатка навантаження для і-го перетину ВІДПОВІДНО ДО закону Гука величина дружньої відносної деформації поверхні лопатки в г-ому перетині дорівнює S^azi/Ефакт, (З) Де Е а - - фактичний модуль пружності жарофю міцного сплаву в напрямку осі Z лопатки Таким чином із рівнянь (1-3) очевидно, що для лопаток одного типу (W,= const і А,= const) при однаковому навантаженні Р і, ВІДПОВІДНО, однаковій величині поверхневих напружень, величина відносної пружньої деформації оберненопропорційна величини модуля пружності З цього також слідує, що поза залежністю від значення модуля пружності, однакова величина статичного навантаження при консольному вигині лопаток викликає однакове напруження на поверхні лопаток одного типу Спосіб, що заявляється здійснюється таким чином Для проведення випробувань на втомленість лопаток одного типу попередньо будують тарувальний графік "статичне навантаження - напруга", використовуючи пристрій зображений на фіг1, на якому показана установка лопатки 1 із тензорезистором 2 у стійку 3, розташовану на столі 4 Дроти від те н зо резистора 2 через комутатор 5 приєднані до тензопідсилювача 6 з'єднанного з цифровим вольтметром 7 Важіль із шарніром 8 установлений на опорі 9 так, щоб упор 10 на КІНЦІ важеля щільно прилягав до торцевої частини лопатки 1, а з протилежної сторони важеля 8 кріпиться вантаж 11 Для побудови тарувального графіка для одного типу лопаток відбирають 10 лопаток із монокристал ічною макроструктурою на якій визначають кристалографічну орієнтацію сплаву і розраховують модуль пружності в напрямку осі Z лопатки Відібрані монокристалічні лопатки з відомими значеннями модуля пружності ЕфаКт покроково навантажують методом статичного консольного вигину вантажем масою ті,гп2,тз, т п за допомогою важільного пристрою, при цьому фіксують, за допомогою наклеєних на лопатку тензорезисторів пружню деформацію s По формулі Гука (3) розраховують значення поверхневого напруження в лопатках з урахуванням фактичного модуля пружності Ефакт і будують тарувальний графік залежності напруження на поверхні лопаток у МІСЦІ наклейки тензорезисторів від маси прикладеного вантажу a=f(m) У наступному, тарувальний графік використовують для визначення величини амплітудної деформації кожної конкретної лопатки цього типу з невідомим модулем пружності в циклі її навантаження при випробуваннях на втомленість на заданому рівні амплітудного напруження Для цього кожну лопатку з невідомим модулем пружності статично консольне навантажують за допомогою важільного пристрою вантажем масою т , що відповідає обраному рівню поверхневого напруження ВІДПОВІДНО до тарувального графіка, і фіксують величину пружньої деформації за допомогою тензорезистора, наклеєного на лопатку Після тарування лопатки встановлюють на вібростенд для проведення випробувань на втомленість і розгойдують до величини амплітудної деформації, визначеної методом статичного тарування обраного рівня напруження, Приклад конкретного виконання Для проведення випробувань на втомленість були відібрані робочі лопатки турбіни ВІДЛИТІ ЗІ сплаву ЖС26-ВИ методом направленої кристалізації, що мають монокристалічну і направлену макроструктуру На 10-ти лопатках, що мають монокристалічну макроструктуру методом рентгеноструктурного аналізу на дифракгометрі HZG-4/A-2 у Cu Ka випромінюванні по ВІДОМІЙ методиці визначили кути відхилення осі лопаток Z від основних кристалографічних напрямків За результатами визначення кутів відхилення осі Z від основних кристалографічних напрямків для кожної лопатки визначили фактичне значення модуля пружності Бфшсг по формулі, поданої в роботі [І] Ефакг= 1/[Si 1 -2(Si 1 -Si 2S 4 4 / 2 ) ( l z 2 m z 2 + m z 2 n z 2 + n z V ) ] , (4) де Sii, S-I2, S44 - компоненти матриці пружних податливостей у кристалографічній системі координат, lz, mz, nz - направляючі косинуси між віссю Z лопатки і кубічними осями кристалу 10 монокрисгалічних лопаток із відомими значеннями фактичного модуля пружності в напрямку осі Z використовували для побудови тарувального графіка для лопаток даного типу Перед проведенням робіт із побудови тарувального графіка знаходили співвідношення між величиною деформації Sk, визначенною за допомогою тензорезистора й усередненої величини напруги Uk на виході тензонідсилювача використовуючи для цього еталонну тарувальну балочку-камертон, ВІДПОВІДНО ДО діючої технологічної інструкції На відібраній моноКрИСТаЛІЧНІЙ ЛОПаТЦІ З ВІДОМИМИ ЗНачеННЯМИ Ефакт, наклеювали тензорезистори ВІДПОВІДНО ДО технологічної інструкції Для побудови тарувального графіку використовували пристрій, поданий на фіг 1 Лопатки 1 із наклеєними тензорезисторами 2 встановлювали в стійку для кріплення 3, розташовану на столі 4, Дроти від тензорезисторів з'єднували через комутатор 5 до тензопідсилювача 6 і обертанням підстроєчного гвинта встановлювали нульове значення сигналу на цифровому полі вольтметру 7 тензопідсилювача 6, Потім встановлювали важіль 51825 з шарніром 8 на опору 9 так, щоб упор 10 на КІНЦІ важіля щільно прилягав до торцевої частини лопатки 1 3 протилежного боку важіль навантажували вантажем масою гтіі=1кг і фіксували величину напруги и с т на вольтметрі 7 тензопідсилювача 6 На підставі отриманих даних розрахували величину діючого статичного напруження а по формулі, а=Ефакт£кист/ик, (5) Де Е а - - фактичний модуль пружності монофю кристалічного сплаву в напрямку осі Z лопатки, S - деформація тарувальної k балочкикамертона, Uk - середнє значення напруги на вольтметрі тензопідсилювача, що відповідає деформації £к тарувальні* балочки-камертона, и с т - поточне значення напруги на вольтметрі тензопідсилювача, що відповідає деформації навантаженої лопатки Значення розрахованої величини напруги а і відповідної маси вантажу m заносили в таблицю, потім покроково збільшували масу вантажу 2,0, 3,0, 4,0, 5,0 і 6,0 кг, при цьому значення а і m також записували у таблицю Процедуру статичного навантаження виконали для усіх 10 монокристалічних лопаток На підставі отриманих результатів побудували тарувальний графік (фіг 2) для даного типу лопаток ВІДПОВІДНО ДО ДІЮЧОЇ нормативної документації для підтвердження ВІДПОВІДНОСТІ партії лопаток необхідному рівню МІЦНОСТІ на втому (дня вибраного типу лопаток він відповідає величині а і=180МПа), достатньо, щоб шість довільно вибраних від партії лопаток витримали випробування на втомленість на рівні амплітудного значення циклу 180МПа при КІЛЬКОСТІ циклів навантаження N=2 107 ВІДПОВІДНО ДО ЦІЄЇ ВИМОГИ відібрали дві групи лопаток по 6 штук кожна,, із направленою і монокристалічною макроструктурою і невідомими значеннями Е а - для порівняльних ІСПИТІВ по відомофю му і що заявляється способах випробувань на втомленість Іспити першої групи лопаток на підтвердження межі втоми а і=180МПа по способу, що заявляється проводили в такій ПОСЛІДОВНОСТІ Лопатки з наклеєними тензодатчиками встановлювали в пристрій для статичного тарування (фиг 1) і навантажували через важіль вантажем т , масу котрого попередньо визначали по тарувальному графіку (фіг 2) У нашому випадку маса вантажу ВІДПОВІДНІЙ напруженню аі=180МПа складала 3,8кг Для усіх шести лопаток фіксували показання вольтметра тензопідсилювача UCT, що відповідає напрузі в досліджуваному перегині лопатки 180МПа Після тарування лопатки встановлювали на електродинамічний вібростенд і розгойдували, домагаючись ВІДПОВІДНОСТІ амплітудного значення напруги ІІдин на осцілографі, признанному до тензопідсилювача, величині и с т для кожної лопатки Коли дотримується умова U f l m -U C T , можна вважати, що напруження а під наклеєним тензодатчиком відповідає необхідному рівню 180МПа Всі ШІСТЬ лопаток, випробуваних ВІДПОВІДНО способу, що заявляється витримали випробування на втому на базі N=2 107 циклів, що підтверджувало МІЦНІСТЬ на втому усього комплекту лопаток на рівні сп=180МПа Другу групу лопаток випробували по ДІЮЧІЙ технологічній інструкції, ВІДПОВІДНО до якої використовували осереднене значення модуля пружності У= 2 103МПа для всіх лопаток Результати випробувань другої групи лопаток подані в таблиці 1 Як очевидно з поданих даних, чотири лопатки із шести зруйнувалися в процесі випробувань на втомленість, що свідчить із технічних умов про невідповідність усієї партії лопаток рівню МІЦНОСТІ на втомленість а і=180МПа Проте детальне дослідження причин руйнування лопаток дозволило констатувати, що висновок про невідповідність van партії лопаток вимозі по межі МІЦНОСТІ на втомленість невірний На всіх шести лопатках другої групи виконали металографічне дослідження макроструктури і рентгеноструктурне дослідження кристалографічної орієнтації (КГО) сплаву що до осі Z лопатки Результати визначення КГО, розрахунку величини фактичного модуля пружності Ефаю-, і величини помилки у визначенні амплітудної напруги циклу Д а т а х наведенні у таблиці 2 Виконані дослідження підтвердили що застосування відомою способу для визначення межі втоми робочих лопаток турбіни, відлитих методом направленої кристалізації і які мають монокристалічну або направлену макроструктуру, приводить до виникнення суттєвих помилок у визначенні фактичного амплітудного напруження циклу Завищене значення амплітудного напруження циклу при випробуваннях на втомленість лопаток по відомому способі привело до передчасного руйнування лопаток другої групи Порівняльний аналіз помилки при визначенні рівня навантаження в процесі випробувань на втомленість по відомому І що заявляється способам поданий утаблиці З З поданих у таблиці 3 даних сліду, що проведення випробувань на втомленість робочих лопаток турбіни ГТД із монокристалічною і направленою макроструктурою у способі, що заявляється є більш точним у порівнянні з відомим способом 51825 Таблиця №1 Результати випробувань на втомленість робочих лопаток турбіни, виконаних ВІДПОВІДНО до діючої технологічної інструкції, із використанням осередненого значення модуля пружності Е=21СГМПа №, п/п 1 2 3 4 5 6 Макроструктура Направлена Направлена Монокристал Монокристал Монокристал Монокристал Вимоги технічної інструкції Розрахункова амплітуда циклу а, МПа 180 180 180 180 180 180 180 Примітка КІЛЬКІСТЬ ЦИКЛІВ № 1,90 1,80 1,90 1,79 2,00 2,00 2,00 зруйнувалася зруйнувалася зруйнувалася зруйнувалася без руйнування без руйнування без руйнування 10' 10' 10' 10' 10' 10' 10' Таблиця №2 Розрахункові значення величини фактичного модуля пружності і фактичної амплітудної напруги циклу для лопаток другої групи (таблиця №1) № лопатки 1 2 3 4 5 6 КГО*, град Фактичний модуль Фактична ампліПруЖНОСТИ Ефакт AQ [001] AQ[011] ДО [111] 52,0 37,5 40,0 40,0 5,0 10,0 31,5 15,0 27,0 25,0 39,0 35,0 5,0 24,0 16,0 16,5 49,0 45,0 МПа 3,00 2,40 2,65 2,70 1,45 1,50 туда ЦИКЛУ Птах МПа 10D 10D 10D 10D 10D 10D 270 216 239 243 131 135 Помилка визначення амплітуди циклу Атах МПа +90 +36 +59 +63 -49 -45 - Для лопаток з направленою макроструктурою КГО визначали на зерні, що зруйнувалося Таблиця №3 Погрішність у визначенні величини фактичного напруження циклу навантаження при випробуванні на втомленість лопаток по відомому і що заявляється способам №, п/п 1 Причина виникнення помилки при визначенні фактичного амплітудного напруження циклу Кристалографічна анізотропія модулі ПРУЖНОСТІ Ефакт 2 3 4 5 Розкид значень моменту опору W, за рахунок зміни розмірів профілю ручки лопатки в межах допуску Погрішність у визначенні модуля пружності Ефакт Погрішність у визначенні ступіні деформації s Сумарна помилка способу Величина помилки, % Відомий спосіб Спосіб, що заявляється +55,0 -31,5 НІ НІ НІ +6,0 +11,0 -11,0 +2,0 -2,0 +6,0 -6,0 -6,0 +61,0 -37,5 +19,0 -19,0 10 51825 7 о 5 ^ % % ^ ^ ФІГ.І а,МПа 300 250 200 150 100 50 1.0 2,0 3,0 4,0 5,0 Фіг. 2 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 6,0 т, ш