Испытания наземных ГТУ

 

 

 

 

Реферат на тему:

Испытания наземных ГТУ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Работу выполнил:

Ученик группы АД-28

Панов Данила Сергеевич

 

 

 

Доводка новых, а также работы по повышению ресурса находящихся в эксплуатации ГТУ, обычно включали в себя проведение длительных стендовых испытаний для подтверждения заданного либо увеличенного ресурса. С увеличением межремонтного ресурса до нескольких тысяч часов и общетехнического до нескольких десятков тысяч часов проверка прочности и долговечности элементов двигателя длительными испытаниями стала явно нерентабельной из-за неприемлемой продолжительности и высокой стоимости.

Поэтому стала очевидной необходимость создания методов ускоренных испытаний, которые, будучи эквивалентными, длительным испытаниям по степени накопления повреждаемости деталей, занимали бы значительно меньше времени.

Факторы, определяющие ресурс основных деталей ГТД многообразны и включают длительную прочность, износ и контактную выносливость, усталостную или многоцикловую выносливость, малоцикловую усталость или повторные статические нагружения, термостойкость.

Для ряда факторов воздействия, таких как длительная прочность, износ и контактное выкрашивание, интенсивность воздействия на детали существенно зависит от режима работы двигателя. Соответственно существует зависимость между величиной фактора воздействия и временем, за которое происходит разрушение детали. В этом случае встает задача об эквивалентности времени работы на одном режиме по отношению к другому.

Основной целью ускоренных эквивалентных испытаний является ускоренное исчерпание ресурса за счет эквивалентного увеличения времени наработки ГТД на повышенных режимах и сокращения или исключения наработки на менее нагруженных режимах.

Для каждого режима работы детали известны: температура Т, напряжение s, время наработки за ресурс t. На рис. 1.1 представлены кривые длительной прочности материала при двух температурах Т1>Т2, время работы на каждом режиме в пределах ресурса t₁,<t₂ и максимальные действующие при нагружении напряжения s_{max 1} и s_{max 2}.

Степень опасности разрушения деталей обычно оценивают величиной запасов прочности, которые могут определяться как отношение предельного значения напряжения, нагрузки, деформации, времени работы или числа циклов нагружения к аналогичной величине, соответствующей заданным условиям работы. С помощью кривых длительной прочности могут быть подсчитаны запасы прочности для каждого режима в зависимости от его продолжительности:

 

 

 

Эквивалентное время работы на 1-м , более напряженном режиме, по отношению ко 2-му , менее напряженному, определяется по кривой длительной прочности 1-го режима местом, для которого запас прочности равен величине запаса прочности 2-го режима:

 

 

 

Ресурс многих основных деталей и узлов ГТД зависит от длительной прочности, т.к. используемые материалы работают в области пластических деформаций при повышенных температурах. В качестве характеристик материала используется предел длительной прочности s_дл, который при постоянной температуре нагружения Т связан с временем работы детали до исчерпания ресурса соотношением:

 

, при (Т=const)(1)

 

где: t - долговечность или время до разрушения;

s_дл - предел длительной прочности;

е = 2.7188 - основание натурального логарифма,

A, q - постоянные коэффициенты, зависящие от материала и температуры нагружения.

Более удобной для использования формой уравнения (1) является аналитическое выражение кривой длительной прочности:

 

(2)

(3)

Исходя из вида формулы (3) зависимость является линейной.

Для экстраполяции опытных данных по длительной прочности, полученных при некоторой температуре детали, на другие значения температур используется зависимость Ларсена-Мюллера:

 

(4)

 

где:

Т - температура, характеризующая условия нагружения, К;

t - время до исчерпания ресурса, ч;

с - постоянная, зависящая от материала. Для большинства жаропрочных сталей с=18-22. В расчетах обычно принимают с = 20. P=const - параметр жаропрочности для σ=const;

 

 

Рассмотрим одну из деталей, определяющих ресурс ГТД - лопатку РК турбины высокого давления. Ресурс этой детали зависит от длительной прочности. Материал детали - ХН77ПОР, хромоникелевый сплав с добавкой титана и алюминия.

Имеются опытные данные по пределам длительной прочности для двух времен наработки при заданной температуре лопатки, что соответствует работе двигателя на дроссельном режиме работы I:

 

 

Для расчета времен эквивалентных испытаний необходимо получить уравнения прямых длительной прочности для всех i-х эксплуатационных режимов и соответствующих им температур нагружения Т_i,.

 

(5)

(6)

(7)

 

Уравнение кривой длительной прочности при Т=900 К (дроссельный режим I);

 

(8)

 

Рассмотрим методику определения уравнения кривой длительной прочности, при иной температуре детали, т.е. при другом режиме работы ГТД.

Используя зависимость (4) Ларсена-Мюллера рассмотрим метод определения уравнения кривой длительной прочности при работе двигателя на i-м режиме с температурой нагружения детали Т_i. Приняв первую опытную точку, соответствующую температуре лопатки на дроссельном режиме I, за основу, т.е. s_дл100=664 Мпа, t=100 ч при Т_{дрос I}=836 К, вычисляют параметр жаропрочности Р при s_дл=664 Мпа=const.

Оценивают время работы детали до исчерпания ресурса при s_дл=664 МПа и температуре нагружения Т_i.

 

()

(9)

турбина деталь прочность эквивалентный

Используя зависимость (2) определяют :

 

(10)

 

Получают уравнение кривой длительной прочности для i-го режима гтд

 

;(11)

 

Зная время наработки двигателя в типовом цикле на i-м режиме t_i, определяют соответствующий этому времени предел длительной прочности

;(12)

 

Используя заданные значения максимальных допустимых напряжения для i-го режима работы s_max,i определяют запас прочности К_i:

 

(13)

 

Выбирают в качестве эквивалентного режима испытания максимальный режим, т.е. t_экв,i=t_макс,i. Эквивалентное время работы на максимальном режиме по отношению к i-му режиму t_макс,i определяется по кривой длительной прочности максимального режима местом, для которого запас прочности равен величине запаса прочности i-го режима К_i:

 

;

 

где:

Эквивалентное время работы на максимальном режиме, имитирующее выработку ресурса на i-ом режиме

 

;

 

Коэффициент эквивалентности выработки ресурса:

 

.

По приведенному выше алгоритму проводим расчет для трех режимов работы, результаты расчета сводим в таблицу

 

 

Параметр	Режим работы
	Максимальный	Дроссельный I	Дроссельный II
Тi, К	856	836	816
ti, ч	0,3	20	70
smax,i, МПа	607	408	333
q = const	0,023	0,023	0,023
lnAдросI		19,877
Р = const	18392	18392	18392
, ч30,61100346,11
lnАi	21,12	19,877	21,119
sдл,i (при t=1 ч), МПа	918,2	864	918,2
sдл,i (при t=55 ч), МПа	634,81	689,77	743,97
МПа970,6733,75733,5
Кi	1,599	1,798	2.2
tмакс,i, ч	0.3	0,0187	0.0000682
11069,51026392,9

 

 

Основной целью ускоренных эквивалентных испытаний является ускоренное исчерпание ресурса за счет эквивалентного увеличения времени наработки ГТД на повышенных режимах и сокращения или исключения наработки на менее нагруженных режимах.

Определение продолжительности эквивалентного испытания проведено для случая, когда ресурс ГТД определяется ресурсом детали, который в свою очередь зависит от длительной прочности ее материала. В качестве таковой выбрана рабочая лопатка турбины высокого давления из хромоникелевого сплава с добавкой титана и алюминия.

Эквивалентными временами двух режимов по опасности разрушения приняты таковые, для которых запасы прочности одинаковые. Они рассчитаны как отношение предела длительной прочности материала детали к максимально допустимому напряжению в корневом сечении лопатки.

Из таблицы видно, что при проведении эквивалентных испытаний на самом нагруженном режиме получают быстрое исчерпание ресурса детали. Эту тенденцию отчетливо демонстрирует характер изменения по режимам эквивалентного времени работы на максимальном режиме, имитирующего выработку ресурса на других режимах. Эту же тенденцию можно проследить по изменению коэффициента эквивалентности выработки ресурса.