ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВУЧЕСТИ СПЛОШНЫХ И СЛОИСТЫХ МОДЕЛЕЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЛОПАТКАМ ВЕНТИЛЯТОРА

Анатолий Николаевич Петухов, нач. сектора ЦИАМ, д.т.н.

 

Требования, предъявляемые к вентиляторам

К вентиляторам современных турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) предъявляются высокие требования: по аэродинамическим характеристикам в широком диапазоне условий эксплуатации; общей массе и допустимому уровню шума. Известно, что вентилятор вносит существенный вклад в суммарную тягу и топливную эффективность силовой установки и массу двигателя. Создание современных конкурентоспособных ТРДД с высокой тягой невозможно без совершенствования конструкции лопатки вентилятора.

Наличие у лопаток вентилятора ТРДД антивибрационных полок ухудшает аэродинамические характеристики и увеличивает расход топлива, о чем свидетельствует обобщение опыта зарубежных фирм. Показано, что только отказ от антивибрационных полок позволяет повысить газодинамическую эффективность вентилятора до 6 %, снизить (на крейсерских режимах) удельный расход топлива на 4 % и увеличить расход воздуха через вентилятор. Последнее обстоятельство необходимо учитывать, поскольку за счет проходящего по наружному контуру воздушного потока может создаваться около 75% общей силы тяги. Кроме того, применение широкохордных лопаток без антивибрационных полок при заданной площади проходного сечения дополнительно обеспечивает возможности для повышения, выбора и оптимизации величины тяги, увеличения степени сжатия в одной ступени и повышения устойчивости при помпаже и стойкость к вибрациям. Это же существенно уменьшает общее число лопаток в вентиляторе.

Несмотря на то, что масса широкохордной лопатки больше массы лопатки с полкой и с большим удлинением, общая масса комплекта широкохордных рабочих бесполочных лопаток в колесе оказывается меньше. При этом применение широкохордных лопаток позволяет внедрить целый комплекс конструктивно-технологических мероприятий, приводящих к дополнительному снижению массы лопаток. Кроме того, ощутимый эффект дает применение лопаток из композиционных материалов.

Обобщение мирового опыта показало, что широкохордные лопатки обладают большей жесткостью в сравнении с лопатками большого удлинения с антивибрационными полками. Это позволяет повысить упругий потенциал поглощения энергии лопатками при ударе посторонним предметом и повысить стойкость колеса при попадании в тракт двигателя посторонних предметов, в том числе птиц.

При использовании колеса вентилятора с облегченными по массе на 30…40 %  широкохордными лопатками дополнительно выявляется их конструктивное и прочностное преимущество: практически решается проблема удержания корпусом вентилятора разрушенных от повреждения лопаток или их фрагментов. Вместе с тем, как показывает анализ опыта зарубежных фирм, проектирование, разработка, создание, изготовление, доводка и эксплуатация облегченных широкохордных лопаток, имеющих гарантированную прочность и эксплуатационную надежность, требуют принципиально новых конструктивно-технологических решений. При создании широкохордных полых металлических лопаток вентилятора зарубежные фирмы решили комплекс технологических проблем, связанных с:
- разработкой оборудования для диффузионной сварки и изотермического деформирования заготовок в условиях сверхпластичности;
- разработкой технологии сверхпластической изотермической деформации заготовок и соединения их методом диффузионной сварки;
- оптимизицией свойств титановых пластин-заготовок, гарантирующих лопаткам повышенные характеристики сопротивления усталости.

Бесполочная полая слоистая широкохордная лопатка вентилятора повышенной живучести из титановых сплавов
Предложенная конструкция слоистой лопатки позволяет:
- уменьшить массу лопатки не менее, чем на 40%;
- повысить демпфирующую способность материала лопатки за счет предлагаемого способа конструирования;
- возможность управления механическими свойствами материала слоев;
- обеспечить стабильность механических свойств лопатки за счет однородности свойств материала слоев, что невозможно обеспечить в крупногабаритных поковках для сплошных и полых составных лопаток, имеющих существенно неоднородную структуру;
- управлять и регулировать в лопатке локально механическими свойствами материала, изменяя распределение слоев с заданными механическими свойствами;
- управлять частотной отстройкой лопаток, изменяя конфигурацию внутренней полости и сохраняя при этом оптимальные параметры проточной части вентилятора.

Кроме того, в отличие от сплошных лопаток, в слоистой из-за снижения общей массы и фрагментов уменьшается вероятность тяжелых последствий разрушения лопатки. Чередование слоев с различными механическими свойствами (пластичностью) снижает скорость развития трещин, повышает сопротивление повреждаемости лопаток от ППП, птицестойкость и живучесть лопаток при наличии повреждений.

Технология для формирования профиля заготовки лопатки не требует применения специального прессового оборудования в условиях сверхпластичности, а изготовление полой слоистой лопатки может быть максимально компьютеризировано, автоматизировано и включает минимальный объем механической обработки. Кроме того, проведен цикл исследований, связанный с исследованиями конструкционной прочности слоистых моделей, включающий испытания на статическую прочность, позволившие получить зависимости для соотношения толщин и механических свойств соединяемых слоев, обеспечивающие получение максимальных значений σ_В  и δ, ψ  в пакете.

Экспериментальные исследования живучести модели слоистой лопатки

Выполнено сравнение результатов испытаний на усталость лопаток, изготовленных традиционным методом - штамповкой, с помощью которой формируются составные элементы полой лопатки, и моделей слоистой лопатки, полученные диффузионной сваркой листовых заготовок. Оба типа моделей имели повреждения в виде концентраторов напряжений, соответствовавшие ППП.

Результаты испытаний на усталость показали, что несмотря на наличие у слоистых моделей концентратора напряжений при асимметричном изгибе и долговечности N >> 10⁶ циклов предел выносливости у них оказался в два раза выше (σ_α= 400 МПа), чем у штампованной лопатки (σ_α = 200 МПа) из титанового сплава Ti6Al4V, являющегося аналогом отечественного сплава ВТ6, листы из которого входили в слоистую лопатку.

В процесс исследования многоцикловой усталости слоистых пакетов включается исследование чувствительности к концентрации напряжений (имитацию повреждений ПП); влияние асимметрии цикла нагружения; сравнение характеристик чувствительности к концентрации напряжений моделей для различных титановых сплавов из сплошных поковок и из слоистых моделей.

Были получены результаты в виде кривых предельных амплитуд в зависимости от асимметрии цикла нагружения для коэффициентов концентрации напряжений α_σ = 1 и α_σ = 2,25…3,0, представленные также в таблице, где приведены значения теоретического коэффициента концентрации напряжений as, эффективного коэффициента концентрации напряжений K_σ, коэффициента чувствительности к концентрации напряжений q_σ, величины статической составляющей нагрузки σ_m, амплитуды напряжений σ_a и степень влияния асимметрии цикла на σ_a.

Из анализа полученных результатов следует отметить, что если для гладких (α_σ = 1,0) сплошных моделей чувствительность к асимметрии цикла нагружения в зависимости от величины σ_m = 300…400 МПа составила σ_a /σ_m = 0,83…0,55, то величина этого отношения для слоистой модели при σ_m = 300 МПа составила 0,43.

При наличии концентраторов напряжений чувствительность к асимметрии цикла нагружения сплошных моделей резко увеличивается, составляя σ_a /σ_m = 0,5…0,1 и уменьшается с ростом значений σ_m и α_σ. Для слоистых моделей с ростом σ_m и α_σ снижается от 0,43 до 0,34.

Испытания на многоцикловую усталость показали, что коэффициент чувствительности к концентрации напряжений титановых образцов из сплошных поковок в условиях асимметричных циклах нагружения оказывается абсолютным (q_σ > 1), а у слоистой модели коэффициент чувствительности к концентрации напряжений q_σ = 0,13.

Анализируя характер и механизм разрушения слоистой модели (рис. 2), можно отметить, что в случае более "мягкого" вида нагружения - симметричного изгиба (рис. 2а), характерного для высокочастотных колебаний (для уголковых форм), траектория развития трещин более ярко выражена: трещина может длительное время развиваться по внутренним границам слоев, не выходя наружу.

В условиях асимметричного цикла нагружения разрушение начинается под действием главных напряжений, развиваясь по нормали к ним (рис. 2б). При достижении менее прочного, но более пластичного слоя, развитие трещины останавливается из-за нарастания объемных пластических деформаций в этом слое, что оказывает тормозящее действие на развитие трещины. Меняется траектория ее распространения. Процесс повторяется после каждого последующего прохождения трещиной более прочного слоя и при выходе ее на пластичный слой.

Испытания на усталость при асимметричном цикле нагружения показали, что слоистые образцы имеют высокую живучесть, т.к. рост усталостной трещины в пластичном слое тормозится, что существенно уменьшает скорость ее распространения.

Учитывая, что частота наиболее опасных собственных колебаний лопатки вентилятора составляет около 100 Гц, время развития усталостной трещины за два и более часов даже на резонансных оборотах не достигнет критических размеров, то слоистая конструкция лопатки обеспечивает возможность надежной диагностики кинетики развития трещины в эксплуатации.

Выводы
1. Результаты испытаний на многоцикловую усталость показали, что предложенная конструкция слоистой лопатки, обладая рядом конструктивных и технологических достоинств, позволяет обеспечить значительные преимущества в эксплуатационной живучести по сравнению с традиционными лопатками или заготовками для составных лопаток, состоящих из двух половин, получаемых методом штамповки.

2. Исследования на прочность (кратковременную и многоцикловую усталость) проводились на слоистых моделях, изготовленных из компонентов - листов различной толщины, выпускаемых серийно в соответствии с действующими ГОСТами.

3. Диффузионная сварка листов слоистой лопатки проводилась в вакуумных печах, которыми оснащены практически все серийные заводы.

4. Испытания на многоцикловую усталость показали, что коэффициент чувствительности к концентрации напряжений титановых образцов из сплошных поковок в условиях асимметричных циклов нагружения оказывается абсолютным (q_σ > 1), а у слоистой модели коэффициент чувствительности к концентрации напряжений q_σ = 0,13.

5. Испытания на усталость при асимметричном цикле нагружения показали, что слоистые образцы имеют высокую живучесть, т.к. развитие усталостной трещины в пластичном слое тормозится, что существенно уменьшает скорость ее развития, позволяя обеспечить послеполетные осмотры лопаток.