Анализ дефектов ответственных деталей ГТД в связи с состоянием поверхностного слоя

На сегодняшний день надежность конструкций современных ГТД и энергетических установок, работающих в условиях значительных статических и переменных нагрузок, в большинстве случаев связана с неблагоприятным распределением вероятности разрушения кон­кретного узла или детали и вероятностью проявления максимальных амплитуд напряжений, температур и других нагрузочных факторов, вызванных выходом режимов работы за пределы допустимых. Статистический разброс структурного состояния, физико-механических, теплофизических и других свойств материала деталей вследствие неучтенных конструктивных, технологи­ческих и эксплуатационных факторов существенно снижает надеж­ность ГТД в целом.

Для того чтобы выяснить, какие факторы оказывают наибольшее влияние на надёжность, представляется целесообразным проведение анализа дефектов основных деталей ГТД.

Известно, что большинство отказов ГТД на этапах доводки и экс­плуатации, связанных с проблемами прочности, вызваны в основном усталос­тными дефектами [4]. По частоте появления дефектов основные детали двигателя можно расположить в следующем порядке: рабочие лопатки компрессоров; рабочие лопатки турбин; диски компрессоров; под­шипники; корпус камеры сгорания; диски и валы турбин. Причинами разрушения данных деталей могут являться:

1) снижение характеристик сопротивления усталостному разрушению в результате образования и развития микротрещин в поверхностном слое;

2) снижение прочностных свойств материала в результате перегрева (из-за неравномерного температурного поля перед турбиной, прогара лопаток спрямляющего аппарата; неисправности топливных форсунок и т.д.);

3) износ контактных поверхностей бандажных полок и, как следствие, повышение амплитуды колебаний;

4) нарушение условий эксплуатации;

5) неоптимальные режимы обработки;

6) несовершенство заготовительных процессов.

Разрушения ответственных деталей по технологическим причинам составляют 25%, по несовершенству конструкции – 23%, осталь­ные 52% приходятся на неблагоприятное сочетание конструктив­ных и технологических факторов. Отметим, что технологические причины возникновения дефектов играют весьма немаловажную роль (рис. 5.2). Дефекты и разрушения деталей ГТД могут приводить к тяжелым послед­ствиям, хотя вероятность их возникновения весьма мала. Причины, вызываю­щие их, приведены в табл. 5.1.

На рис. 5.1 приведены основные неисправности деталей горячей части двигателей Д-30КУ/КП/КУ-154. В результате многолетней доводки двигателей данного типа большинство дефектов удалось устранить или сократить частоту их проявления в пределах гарантийного ресурса.

Но при перходе к системе технического обслуживания двигателей по техническому состоянию количество дефектов по вине горячей части двигателя значительно возрастает.

Рис. 5.2.Дефекты, приводящие к разрушениям деталей ГТД

Таблица 5.8 – Типичные виды разрушений ответственных деталей ГТД

На основе вышесказанного можно сделать вывод о том, что основополагающим фактором, влияющим на вероятность появления дефектов и выхода детали из строя, является состояние поверхностного слоя этой детали. Именно материал поверхностного слоя составляет границу раздела фаз: деталь – окружающая среда; все воздействия на деталь в процессе изготовления и эксплуатации осуществляются через её поверхность; практически все проявления дефектов и нежелательных процессов, таких как трещинообразование, эрозионное и коррозионное разрушение, изменение химического и фазового состава, разупрочнение и т.д., начинаются с поверхности.

Основной же причиной выхода из строя дисков ГТД является усталостное разрушение. Работоспособность ГТД при действии на него знакопеременных нагрузок высокой частоты, возникающих в отдельных случаях работы двигателя на резонансных и критических частотах вращения, обеспечивается пределом выносливости его деталей.

В связи с вышеизложенным, на сегодняшний день актуальным является исследование повышения производительности обработки и обеспечение требуемых эксплуатационных показателей деталей ГТД (и прежде всего предела выносливости), изготавливаемых из жаропрочных и жаростойких материалов с использованием инструмента с нанопокрытиями.