RU2760895C1

RU2760895C1 - Method for restoring the cyclic durability of disks of aircraft gas turbine engines

Info

Publication number: RU2760895C1
Application number: RU2021106249A
Authority: RU
Inventors: Сергей Вадимович Коцюбинский; Владимир Петрович Чистотин
Original assignee: Акционерное общество "ОДК-Климов"
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2021-12-01

Abstract

FIELD: cyclic durability restoring methods.

SUBSTANCE: invention relates to a method for restoring cyclic durability and increasing disk resource. The method includes determining the depth of the layer with microcracks to be removed in a potentially dangerous zone of the disk, removing the defective metal layer with multiple microcracks, polishing and then strengthening the treated surface with microspheres, while determining the depth of the layer to be removed is carried out on the basis of the data on the depth of the layer with microcracks measured as a result of a fractographic study of samples cut from disks with a similar operating time.

EFFECT: reduced costs for maintenance and operation of gas turbine engines by increasing the efficiency of diagnosing disks and restoring disks to a specified resource.

1 cl

Description

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к способам восстановления циклической долговечности и увеличения ресурса диска.The invention relates to the field of gas turbine engine building, and in particular to methods for restoring the cyclic durability and increasing the resource of the disk.

Известны случаи разрушения дисков роторов авиационных газотурбинных двигателей от малоцикловой усталости (МЦУ) в результате циклической нагрузки, возникающей при выходе двигателя на максимальные рабочие обороты. Возникновению и развитию МЦУ способствуют концентраторы напряжений в виде рисок от грубой обработки поверхности диска, например, при точении от скола резца при ударе по отверстиям для подвода охлаждающего воздуха к лопаткам. Из-за МЦУ в зоне потенциального разрушения в поверхностном слое металла под ободом диска происходит накопление пластичных деформаций и ослабление упругих свойств и, как следствие, зарождение множественных развивающихся в результате многократного приложения циклической нагрузки микротрещин, являющихся концентраторами напряжений, а поверхностный слой металла в этой зоне теряет способность сопротивляться воздействию циклических нагрузок. Часто именно МЦУ определяет ресурс двигателя в связи с многократным повторением циклов выхода на рабочие режимы (см., например, И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М., Наука, 1986, с. 103).There are known cases of destruction of rotor disks of aircraft gas turbine engines from low-cycle fatigue (MCC) as a result of a cyclic load that occurs when the engine reaches its maximum operating speed. The emergence and development of MCC is facilitated by stress concentrators in the form of scratches from rough surface treatment of the disk, for example, when turning from a cutter chip when hitting holes for supplying cooling air to the blades. Due to the MCC in the zone of potential destruction in the surface layer of the metal under the rim of the disk, there is an accumulation of plastic deformations and a weakening of elastic properties and, as a consequence, the nucleation of multiple microcracks developing as a result of repeated application of a cyclic load, which are stress concentrators, and the surface layer of metal in this zone loses the ability to resist cyclic loads. Often, it is the MCU that determines the engine resource in connection with the repeated repetition of the cycles of reaching the operating modes (see, for example, I.A. Birger, R.R. Mavlyutov, Resistance of materials, M., Nauka, 1986, p. 103).

При значительных циклических наработках дисков, однако значительно меньших подтвержденного расчетами на циклическую долговечность и испытаниями ресурса, наличие зародившихся под действием МЦУ множественных постепенно развивающихся и сливающихся микротрещин становится причиной появления магистральной трещины, приводящей к разрушению диска.With significant cyclic operating time of discs, however, much less than that confirmed by calculations for cyclic durability and resource tests, the presence of multiple gradually developing and merging microcracks that originated under the action of the MCC becomes the cause of the appearance of a main crack, leading to the destruction of the disc.

Чтобы предотвратить разрушение дисков и двигателей, приходится ограничивать ресурс дисков, когда ресурс двигателей еще не выработан. Это ведет к большим затратам, связанным с изготовлением дополнительных дисков.To prevent the destruction of disks and motors, it is necessary to limit the life of the disks when the life of the motors has not yet been exhausted. This leads to high costs associated with the manufacture of additional discs.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи повышения надежности, циклической долговечности и продления ресурса дисков газотурбинных двигателей.The present invention is aimed at solving the problem of increasing the reliability, cyclic durability and extending the service life of the disks of gas turbine engines.

Известны Способ диагностирования образования и развития трещины в дисках авиационного газотурбинного двигателя при циклической нагрузке, (RU №2570938) и Способ повышения эффективности диагностики дисков авиационных газотурбинных двигателей, (RU №2623856). Эти способы повышают надежность эксплуатации двигателей, но не решают задачу восстановления работоспособности и циклической долговечности дисков авиационных газотурбинных двигателей.A method for diagnosing the formation and development of a crack in the disks of an aircraft gas turbine engine under cyclic load is known, (RU # 2570938) and a Method for increasing the efficiency of diagnostics of disks of an aircraft gas turbine engine, (RU # 2623856). These methods increase the reliability of engine operation, but do not solve the problem of restoring the operability and cyclic durability of the disks of aircraft gas turbine engines.

Для восстановления работоспособности дисков осуществляют снятие дефектного слоя с последующим полированием и упрочнением обработанной поверхности в потенциально опасной зоне диска. В результате не только устраняются множественные концентраторы напряжений, но и существенно повышаются качество поверхности и способность сопротивления образованию трещин и, как следствие, циклическая долговечность диска восстанавливается (см., например, П.И. Орлов Основы конструирования, справочно-методическое пособие, М., Машиностроение, 1988, т. 1, с. 222).To restore the performance of the discs, the defective layer is removed, followed by polishing and hardening of the treated surface in the potentially dangerous zone of the disc. As a result, not only multiple stress concentrators are eliminated, but also the surface quality and the ability to resist cracking and, as a result, the cyclic durability of the disc is restored (see, for example, P.I. Orlov, Design Basics, reference manual, M. , Mechanical Engineering, 1988, vol. 1, p. 222).

Известен Способ восстановления лопаток газотурбинных двигателей (SU 793742) при котором глубину дефектного слоя металла, подлежащего съему, определяют эмпирически, по результатам циклических испытаний восстановленных лопаток.There is a method for restoring blades of gas turbine engines (SU 793742) in which the depth of the defective layer of metal to be removed is determined empirically, based on the results of cyclic tests of the restored blades.

Недостатком указанного способа является необходимость проведения повторных испытаний на циклическую долговечность и повторных съемов металла для окончательного удаления микротрещин.The disadvantage of this method is the need for repeated tests for cyclic durability and repeated metal removal for the final removal of microcracks.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, увеличение надежности, циклической долговечности и ресурса дисков газотурбинных двигателей.The objective of the present invention is to eliminate these disadvantages, increase the reliability, cyclic durability and resource of disks of gas turbine engines.

Технический результат состоит в снижении затрат на обслуживание и эксплуатацию газотурбинных двигателей за счет повышения эффективности способов диагностирования дисков и восстановления работоспособности дисков до заданного ресурса.The technical result consists in reducing the cost of maintenance and operation of gas turbine engines by increasing the efficiency of methods for diagnosing disks and restoring the disks to a given resource.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ восстановления работоспособности дисков, включающий определение глубины подлежащего удалению слоя с микротрещинами в потенциально опасной зоне диска, снятие дефектного слоя металла с множественными микротрещинами, полирование и затем упрочнение обработанной поверхности микрошариками, отличающийся тем что определение глубины подлежащего удалению слоя осуществляется на основе данных фрактографического исследования образцов, вырезанных из дисков с близкой по величине наработкой.The problem is solved by the fact that a method is proposed for restoring the operability of disks, including determining the depth of the layer with microcracks to be removed in a potentially dangerous zone of the disk, removing a defective metal layer with multiple microcracks, polishing and then strengthening the treated surface with microspheres, characterized in that determining the depth of the layer to be removed is carried out on the basis of data from fractographic studies of samples cut from disks with a similar operating time.

Используя при назначении глубины шлифования замеренное в результате фрактографического исследования образцов дисков с близкой по величине наработкой значение глубины утратившего под действием МЦУ упругие свойства слоя с микротрещинами (см., например, Е.Н. Каблов Отчет «Исследование причин разрушения в эксплуатации дисков ТВД из сплава 741НП с изделия 88 с наработкой около 1300 часов», ВИАМ, 2007) и осуществляя последующее полирование и упрочнение обработанной поверхности в потенциально опасной зоне диска не только устраняют множественные концентраторы напряжений, но и существенно повышают качество поверхности и способность сопротивления образованию трещин. Как следствие, циклическая долговечность диска восстанавливается и восстановленные диски годны для продолжения использования на двигателе.Using the depth value of the layer with microcracks that has lost its elastic properties under the action of MCC, measured as a result of fractographic examination of samples of disks with a similar operating time, when assigning the grinding depth (see, for example, E.N. 741NP from product 88 with an operating time of about 1300 hours ", VIAM, 2007) and carrying out subsequent polishing and hardening of the treated surface in the potentially dangerous zone of the disc, not only eliminate multiple stress concentrators, but also significantly increase the surface quality and the ability to resist cracking. As a result, the cyclical life of the disc is restored and the remanufactured discs are fit for continued use on the engine.

Для обоснования и подтверждения возможности и целесообразности применения этого способа для восстановления работоспособности дисков используем свойства полигональной кривой выносливости (см., например, И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М., Наука, 1986, с.с. 95, 96).To substantiate and confirm the possibility and feasibility of using this method to restore the performance of disks, we use the properties of the polygonal fatigue curve (see, for example, I.A. Birger, R.R. Mavlyutov, Resistance of materials, M., Nauka, 1986, pp. . 95, 96).

Зависимость между напряжением и количеством циклов до разрушения:Relationship between stress and number of cycles to failure:

σ_α ^m⋅N=Cσ _α ^m ⋅N = C

илиor

где

where

σ_α - напряжение в цикле нагружения;σ _α - stress in the loading cycle;

m - показатель наклона полигональной кривой усталости, m=4…8.m is the slope of the polygonal fatigue curve, m = 4 ... 8.

N - количество циклов нагружения;N is the number of loading cycles;

σ_-1 - предел выносливости металла диска;σ _-1 is the endurance limit of the disc metal;

N₀ - число циклов, соответствующее пределу выносливости.N ₀ - the number of cycles corresponding to the endurance limit.

В результате снятия дефектного слоя металла в потенциально опасной зоне под ободом диска расчетные напряжения от действия центробежных сил увеличатся, а так как диск в этой зоне может иметь концентраторы напряжений, например, риски от механической обработки, то формула (1) будет иметь вид:As a result of removing the defective metal layer in the potentially dangerous zone under the rim of the disc, the calculated stresses from the action of centrifugal forces will increase, and since the disc in this zone may have stress concentrators, for example, risks from machining, formula (1) will look like:

где

where

K_σ - коэффициент концентрации напряжений;K _σ - stress concentration factor;

b - толщина диска в обрабатываемой зоне;b is the thickness of the disc in the treated area;

t - глубина удаляемого слоя металла.t is the depth of the removed metal layer.

Снятие поверхностного слоя металла шлифованием с последующими полированием и затем упрочнением микрошариками существенно улучшает чистоту поверхности в обработанной зоне и качество поверхностного слоя металла (см., например, И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М., Наука, 1986, с. 98), что повышает предел выносливости. С учетом этого формула (2) будет иметь вид:Removal of the surface layer of the metal by grinding, followed by polishing and then hardening with microbeads significantly improves the surface cleanliness in the treated area and the quality of the surface layer of the metal (see, for example, I.A. 1986, p. 98), which increases the endurance limit. Taking this into account, formula (2) will look like:

где

where

β - коэффициент влияния поверхностного слоя на выносливость металла.β is the coefficient of influence of the surface layer on the endurance of the metal.

Учитывая переход от диска с низким качеством чистоты поверхности к шлифованной с последующим полированием и упрочнением полированной поверхности микрошариками, можно определить интегральный коэффициент, характеризующий поверхность диска в обработанной зоне:Considering the transition from a disc with a low quality of surface finish to a polished one, followed by polishing and hardening of the polished surface with microspheres, it is possible to determine the integral coefficient characterizing the surface of the disc in the treated area:

где

where

β_П=1 - коэффициент шероховатости полированной поверхности;β _P = 1 is the roughness coefficient of the polished surface;

β_Т=0,6…0,9 - коэффициент шероховатости точеной поверхности;β _T = 0.6 ... 0.9 is the roughness coefficient of the turned surface;

β_УП=1,1…1,4 - коэффициент упрочнения поверхности.β _UP = 1.1 ... 1.4 - surface hardening coefficient.

Используя формулу (3), с учетом, что σ_α, N₀, σ_-1 и K_σ неизменны, а изменяются только величины b, t и β, можно рассчитать значение циклической долговечности доработанного диска N. При этом, не требуется проводить повторные испытания обработанных дисков на циклическую долговечность.Using formula (3), taking into account that σ _α , N ₀ , σ _-1 and K _{σ are} unchanged, and only the values of b, t and β change, it is possible to calculate the value of the cyclic durability of the modified disk N. cyclic durability tests of processed discs.

Например, для диска турбины высокого давления газотурбинного двигателя при исходной толщине полотна диска b=15,3 мм определенная при фрактографическом исследовании диска с большой наработкой глубина зоны многоочагового зарождения трещины ≤0,17 мм. Принимая среднее значение коэффициента шероховатости поверхности диска после токарной обработки, минимальное значение коэффициента упрочнения металла в обработанной зоне и коэффициент наклона полигональной кривой m=5 определяем, что при t=0,3+0,17=0,47 мм, где ~0,3 мм - глубина рисок от режущего инструмента, гарантированная циклическая долговечность доработанного диска N может быть увеличена не менее чем в 2,5 раза по сравнению с диском с грубо обработанной поверхностью под ободом диска с рисками от точения, определяемыми визуально.For example, for a disk of a high-pressure turbine of a gas turbine engine with an initial thickness of the disk blade b = 15.3 mm, the depth of the zone of multi-site crack initiation, determined by fractographic examination of the disk with a large operating time, is ≤0.17 mm. Taking the average value of the roughness coefficient of the disk surface after turning, the minimum value of the metal hardening coefficient in the machined zone and the slope coefficient of the polygonal curve m = 5, we determine that at t = 0.3 + 0.17 = 0.47 mm, where ~ 0, 3 mm - the depth of the notches from the cutting tool, the guaranteed cyclic durability of the modified disc N can be increased by at least 2.5 times compared to a disc with a roughly processed surface under the rim of the disc with risks from turning, which are determined visually.

Таким образом, использование фрактографических данных позволяет определить параметры восстановления дисков, обеспечивающие их безаварийную эксплуатацию в течение назначенного ресурса и повысить эффективность обслуживания и эксплуатации газотурбинных двигателей за счет снижения затрат на диагностику и восстановление циклической долговечности дисков до заданного ресурса.Thus, the use of fractographic data makes it possible to determine the parameters of disk recovery, ensuring their trouble-free operation during the assigned resource and to increase the efficiency of maintenance and operation of gas turbine engines by reducing the cost of diagnostics and restoring the cyclic life of the disks to a given resource.

Claims

A method for restoring the operability of disks of aircraft gas turbine engines, including determining the depth of a layer with microcracks to be removed in a potentially dangerous zone of the disk, removing a defective metal layer with multiple microcracks, polishing and then strengthening the treated surface with microspheres, characterized in that the depth of the layer to be removed is determined on the basis of data on the value of the depth of the layer with microcracks, measured as a result of the fractographic study of samples cut from disks with a similar operating time.