Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Долговечность и ресурс авиационного ГТД





В общем случае процесс эксплуатации складывается из транспортировки к месту эксплуатации, хранения до установки на объект, подготовки к применению по назначению, технического обслуживания и ремонта. Период времени, который соответствует суммарной продолжительности всех фаз эксплуатации, называется сроком службы.

Различают срок службы до морального износа й технический срок службы двигателя. Моральным сроком службы называется свойство изделия сохранять высокие технико-экономические характеристики в условиях быстрого развития техники в период научно-технической революции. Технический срок службы – свойство изделия сохранять в течение заданного периода времени установленные технико-экономические и эксплуатационные характеристики.

Научно-техническая революция наложила определенный отпечаток на срок службы ГТД. С одной стороны, научно-технический прогресс обусловливает быстрое и непрерывное совершенствование конструкции отдельных узлов и систем двигателя. С другой стороны, совершенствование конструкции двигателя в рамках одной принципиальной схемы связано со значительным повышением стоимости двигателя. Так, например, относительная стоимость более поздних модификаций авиационных ГТД превышает стоимость ранних моделей двигателей в 2–4 раза. В связи с этим в процессе усовершенствования ГТД принято рассматривать несколько поколений двигателей с соответствующими техническими сроками их службы. Срок службы двигателей одного поколения составляет примерно 5–7 лет.

В техническом сроке службы ГТД важнейшей составной частью является продолжительность периода применения, количественной характеристикой которого является ресурс авиационного ГТД. Поскольку ГТД представляет собой сложную электрогидромеханическую систему, отдельные узлы и детали которой обладают своей индивидуальной долговечностью, то при установлении ресурса двигателя как системы следует исходить из определенной модели общей долговечности двигателя. Возможны три модели учета долговечности отдельных деталей и узлов при определении ресурса двигателя.



Первая модель, которую принято называть фиксированным ресурсом, предполагает, что ресурс двигателя определяется долговечностью наиболее слабого элемента, ресурс работы которого принимается за ресурс двигателя. Так, например, при минимальном (по сравнению со всеми деталями двигателя) ресурсе турбинных лопаток – tлоп = 6500 ч ресурс двигателя tдв = 6500 ч.

Вторая модель, которая называется средневзвешенным ресурсом, предполагает, что ресурс двигателя равен среднему ресурсу системы:

,

где ti – средний ресурс i-го элемента сложной системы; k – число элементов двигателя, определяющих ресурс системы. Так, например, если исходить из того, что гамма-процентные ресурсы основных элементов двигателя следующие: турбинных лопаток – 6500 ч, подшипников – 8300 ч, лопаток компрессора – 10 000 ч, дисков компрессора – 11000 ч, камеры сгорания – 11500 ч, дисков – турбины – 11500 ч, то средневзвешенный ресурс двигателя

tср = (8300 + 11 500 + 6500 + 11 500 + 10 000 + 11 000)/6 = 9800 ч.

Третья модель, которую принятоназывать дифференцированным ресурсом, предполагает возможность замены в процессе эксплуатации тех элементов двигателя, ресурс которых исчерпан. В этом случае ресурс системы принимается по наиболее надежному элементу, так как детали и узлы с меньшим ресурсом в процессе эксплуатации будут сниматься с эксплуатации и заменяться новыми. При таком подходе ресурс и срок службы двигателя становятся понятиями эквивалентными, поскольку состав ресурсных (сменяемых) деталей определяется преимущественно экономическими соображениями.

В связи с высокими требованиями к безопасности эксплуатации в гражданской авиации принята система фиксированного ресурса. При системе фиксированного ресурса ГТД снимаются с эксплуатации в гражданской авиации по выработке ресурса одним элементом двигателя, как правило лопатками газовой турбины, в то время как другие элементы двигателя еще имеют резервы долговечности.

В соответствии с этим для реализации располагаемого ресурса ГТД при его использовании в наземных установках имеются две возможности: одна состоит в использовании без предварительного ремонта тех двигателей, ресурс которых по условиям конкретной эксплуатации еще не исчерпан, а вторая – в использовании двигателей после ремонта, в результате которого элементы, выработавшие ресурс, будут заменены новыми. Таким образом, при использовании в рассматриваемой наземной установке принятой модификации ГТД необходимо выполнить анализ передаваемых из авиапредприятий двигателей с целью определения их остаточного ресурса. В строгой постановке задача определения остаточного ресурса деталей двигателя является проблемой исключительной сложности и должна решаться путем комплексного проведения экспериментального исследования характеристик прочности и нагруженности деталей, расчетного прогнозирования долговечности и ускоренных испытаний ресурсных деталей в составе двигателя. В оценочном аспекте остаточный ресурс можно определить приближенно по остаточной долговечности основных деталей двигателя, отказы которых приводят к нарушению работоспособности двигателя.

Как было показано, при анализе безотказности авиационных ГТД основными деталями, лимитирующими работоспособность двигателя, являются: компрессорные лопатки, подшипники, жаровые трубы камер сгорания, турбинные лопатки и диски, долговечность которых у современных двигателей существенно различна (рис. 2.6). Различная долговечность указанных узлов двигателя определяется прочностью деталей двигателя в реальных условиях эксплуатации.

Рис. 2.6. Относительная долговечность деталей ГТД

 

Под прочностью деталей машин, как известно, понимается способность деталей противостоять разрушению или выдерживать деформирование без разрушения [51]. Работоспособность деталей определяется двумя взаимосвязанными физическими явлениями: с одной стороны, величиной и характером внешнего эксплуатационного нагружения и, с другой стороны, способностью материала детали выдержать эти эксплуатационные нагружения [21, 27].

Интенсивность эксплуатационного нагружения детали характеризуется действующими в ней напряжениями, которые равны отношению соответствующего внутреннего силового фактора вызванного внешним эксплуатационным воздействием, к геометрической характеристике сопротивляемости детали,

,

где х1, х2, х3, ..., хп – параметры, характеризующие внешнее эксплуатационное нагружение детали; у1, y2, у3,…, уп – геометрические характеристики детали.

Возникшим в детали напряжениям нагружения противостоит сопротивляемость материала, количественной мерой чего являются характеристики прочности материала, которые устанавливаются, как правило, экспериментальным путем. Характеристики статической прочности обычно представляют в виде диаграммы растяжения (рис. 2.7).

Напряжения, соответствующие разрушению материала, на диаграмме растяжения, как известно, называются временным сопротивлением материала или пределом прочности sв. Значение предела прочности материала является предельным значением сопротивляемости материала действующим статическим напряжениям. В процессе эксплуатации указанная исходная прочность материала под воздействием различных факторов может изменяться.

 

Рис. 2.7. Характеристики статической прочности материалов:

а – диаграммы растяжения; б – относительные величины [sу – предел упругости;
sт – предел текучести; sв – временное сопротивление (предел прочности); sт и sв – деформации, соответствующие разрушению образца]

 

Наиболее существенное влияние на характеристики прочности материала оказывает температура (рис. 2.8). Как следует из приведенных данных, с увеличением рабочей температуры сопротивляемость материала действующим нагрузкам снижается и при высоких температурах для конструкционных материалов составляет 10—20 % от исходной прочности, Современные сплавы, например никелевые, имеют тенденцию к повышению механических свойств в определенном диапазоне повышенных температур с резким снижением свойств при еще более высоких температурах.

Рис. 2.8. Зависимость пределов прочности материалов от температуры:

1 – жаропрочная сталь; 2 – конструкционная сталь

 

На сопротивляемость разрушению деталей оказывает влияние характер внешнего силового воздействия, в зависимости от вида которого различают: статическое нагружение, при котором силовое или термическое нагружение осуществляется постепенно и затем не изменяется или изменяется медленно во времени; ударное нагружение, при котором силовое нагружение прилагается к детали мгновенно, в результате чего она работает в переменном динамическом режиме; циклическое нагружение, при котором нагрузка носит переменный регулярный или случайный характер; термоциклическое нагружение, при работе детали в переменном температурном поле; многокомпонентное нагружение, представляющее одновременное нагружение детали несколькими видами нагрузок.

Существенное влияние на сопротивляемость материала оказывает переменное нагружение, которое известно как явление усталости материала. На рис. 2.9 представлена диаграмма усталости металла. По современным представлениям об усталости имеются две зоны многоцикловой усталости: до 107–108 циклов – зона интенсивного снижения сопротивляемости переменным нагрузка (в 2–2,5 раза); свыше 107–108 – малоисследованная зона пределов усталости. Интенсивное снижение сопротивляемости материала происходит в малоцикловой области (102–104 циклов нагружения), при котором исходная сопротивляемость материала существенно изменяется.

Рис. 2.9. Диаграмма усталости металла:

ось ординат – логарифм величины механических напряжений s; ось абсцисс – логарифм числа циклов N: I – зона малоцикловой усталости; II – зона многоцикловой усталости; III – зона больших чисел циклов;– – – – кривая выносливости, соответствующая вероятности разрушения (Рp = 0,5);——— – зона наиболее вероятного усталостного разрушения

 

На величину предельных напряжений оказывают влияние и другие эксплуатационные факторы, такие как повреждаемость поверхности детали, химическая и газовая коррозия и т. д. Так, например, появление рваных забоин на лопатках компрессора глубиной более 1,3 мм может существенно снизить прочность материала при циклическом нагружении. Большое влияние на предел выносливости лопаток осевого компрессора, изготовленных из высокохромистой стали, оказывают раковины эрозии. Эрозионные раковины возникают на поверхности лопаток при эксплуатации в определенных атмосферных условиях. На рис. 2.10 показаны результаты испытаний на усталость лопаток из, стали 13Х14НВФРА, имеющих раковины глубиной 0,15–0,2 мм и диаметром 0,2–0,4 мм, и новых лопаток только что изготовленных. Очевидно снижение среднего значения предела выносливости и увеличение рассеивания предельно допустимых переменных напряжений.

Рис. 2.10. Влияние раковин эрозии на выносливость лопаток осевого компрессора.
Ось ординат – частость (отношение числа неразрушившихся лопаток к общему, испытанному на данном уровне напряжения) п/т;ось абсцисс – величина переменных напряжений s: 1 – изношенные лопатки; 2 – новые лопатки

 

При известных предельно допустимых напряжениях материала работоспособность детали определяется их превышением над действующими эксплуатационными напряжениями [42].

Сложность гарантированного выполнения условия прочности состоит в том, что параметры функции действующих и предельных напряжений в процессе эксплуатации могут изменяться случайным образом. Действующие и предельно допустимые напряжения могут быть представлены некоторыми кривыми распределения, зона пересечения которых определяет область вероятного разрушения детали (рис. 2.11). С течением времени из-за повреждаемости деталей двигателя кривые распределения как бы смещаются навстречу друг другу, в результате чего возрастает вероятность их разрушения. При достижении разности наибольших действующих напряжений и предельно допустимых напряжений нулевого значения наступает в общем случае разрушение детали, что соответствует условиям разрушения: sпч – sн £ 0. При нормальном законе распределения действующих и предельно допустимых напряжений указанное уравнение может быть представлено так:

,

где , – средние значения предельно допустимых напряжений и эксплуатационных действующих напряжений; Sпч, Sн – средние квадратичные отклонения; ир–квантиль распределения напряжений, величина которого определяет вероятность разрушения. Связь квантиля нормального закона распределения с вероятностью безотказной работы имеет следующий вид:

uр –0,5 –1 –1,5 –2 –2,5 –3 –3,5
Рб.р 0,500 0,691 0,841 0,933 0,977 0,994 0,9986 0,9998

 

Рис. 2.11. Характер изменения действующих и предельных напряжений
с течением времени эксплуатации t

 

Решая представленное уравнение относительно квантиля распределения, получим:

,

где – коэффициент запаса прочности по средним значениям предельно допустимых напряжений материала и эксплуатационных напряжений; gпч–коэффициент вариации предельных напряжений, gпч = Sпч/sпч;gн – коэффициент вариации действующих эксплуатационных напряжений, gн = Sн/sн.

Из полученного уравнения видно, что вероятность безотказной работы детали (без разрушения) тем больше, чем больше коэффициент запаса прочности и чем меньше отклонения значений напряжений в процессе эксплуатации от среднего значения. Значение предельно допустимых напряжений детали и напряжений ее эксплуатационного нагружения определяются материалом, конструкцией детали двигателя и условиями ее нагружения в составе двигателя. С позиций вероятностного подхода к прочности деталей машин рассмотрим основные представления о долговечности деталей двигателя, лимитирующих его дифференцированный ресурс.

 









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.