Физические причины появления дефектов
В числе часто встречающихся внешних проявлений дефектов наиболее характерными являются растрескивание, коробление, износ и старение. Их возникновение и развитие связаны с неблагоприятным сочетанием действующих нагрузок, внешних условий и изменением физических и механических свойств материалов или, как принято говорить, с физикой отказов.
2.1. Отказы, связанные с поломками и разрушениями
Наиболее частым проявлением внезапных отказов являются поломки, деформации или растрескивание отдельных деталей изделий, узлов их крепления, вызванные неблагоприятным сочетанием действующих нагрузок и фактической прочности.
Такие разрушения из-за нарушения прочности могут возникать в результате непредвиденных местных напряжений, вызванных нерасчетными статическими или динамическими нагрузками в сочетании с не выявленными производственными отклонениями.
Указанные местные напряжения и нагрузки, как случайные величины, существенно отличаются от средних величин, принимаемых при прочностных расчетах и при оценке ресурса изделий. Свойства материалов в процессе эксплуатации, за счет процессов износа, старения и тому подобное, начинают отличаться от расчетных, что может привести как к постепенным, так и к внезапным отказам. Причинами разрушения деталей узлов ГТД могут являться коррозия и чрезмерные температурные напряжения.
Коррозия - это процесс разрушения металлов и сплавов вследствие химического и электрохимического воздействия их с коррозионной средой с образованием окислов, солей или растворением металлов. Применение ингибиторов (замедлителей) коррозии является одним из наиболее прогрессивных и эффективных методов борьбы с ней.
|
|
|
Состояние детали или узла ГТД определяется не только уровнем предельных напряжений, возникаюших в материале, но и параметрами термомеханических процессов (их продолжительностью, уровнем температур и неравномерностью ее распределения), что приводит к образованию микротрещин. Согласно кинетической теории прочности, скорость развития микротрещин при длительном воздействии нагрузок зависит не от средних, а от локальных значений напряжений. Обычно микротрещины образуются при первых же нагружениях изделия, если на его деталях или узлах имеются незначительные дефекты: посторонние включения, неоднородности, царапины, прижоги и т.п.
Образовавшиеся микротрещины вначале развиваются очень медленно, так, например, в меди 90 %, а в пластмассе 99 % времени до разрыва затрачивается на развитие невидимых трещин.
Наряду с изменением свойств материалов в процессе эксплуатации технических устройств существенное влияние на появление повреждений и отказов оказывают условия нагружения. Эти воздействия имеют циклический характер изменения, связаны с различными режимами работы двигателя («запуск», «малый газ», «максимал») и режимами полета (взлет, набор высоты, крейсерский режим, маневрирование), что приводит к росту усталостной повреждаемости отдельных элементов двигателя. В наибольшей степени это относится к рабочим лопаткам и дискам газовых турбин.
|
|
|
2.2. Отказы, связанные с износом и старением материалов
Износ - результат процесса постепенного изменения размеров детали по ее поверхности при трении. Он проявляется в виде постепенного изменения состояния поверхности или профиля изделия под действием внешних нагрузок, включая действие гидродинамических сил и твердых частиц в обтекающем элемент потоке. Для ГТД наиболее характерны следующие типы износа:
- абразивное изнашивание, при котором отделение части поверхности происходит за счет микрорезания или микроцарапания, производимого абразивными частицами (газовоздушный тракт, поверхности трения сопрягаемых пар);
- усталостное (осповидное) изнашивание, возникающее при трении качения и являющееся следствием усталости поверхностных слоев металла (опоры турбокомпрессорной группы, зубья передач);
|
|
|
- молекулярное изнашивание (при заедании), характеризуемое местным налипанием и отделением частиц с поверхности трения. Изнашивание такого вида возникает при высоких значениях давления и температуры (прецезионные пары агрегатов регулирования, золотниковые и плунжерные устройства);
- коррозионное механическое изнашивание происходит под воздействием окислительных процессов. Пластически деформированный и насыщенный кислородом поверхностный слой изделия разрушается под действием многократно повторяющихся нагрузок, после чего в процесс вступают новые слои металла (агрегаты, устанавливаемые в высокотемпературных зонах, т.е вблизи форсажных и основных камер сгорания – гидроцилиндры управления створками реактивного сопла, топливные краны
форсажного контура);
- фреттинг-коррозия, относящаяся к коррозионно-механическому изнашиванию, представляет собой изнашивание соприкасающихся поверхностей деталей при колебательных микроперемещениях (менее 0,02 мм), малых и больших удельных давлениях, доступе кислорода и, как правило, при отсутствии смазки (замки лопаток, пазы дисков ротора ГТД, шпоночные и болтовые соединения, соединения валов с деталями при прессовых посадках);
|
|
|
- эрозионное изнашивание характеризуется воздействием потока жидкости или газа на материал в зонах с пониженным давлением (кавитационное изнашивание). Оно возникает в проточной части насосов топливных и гидравлических систем и особенно в зонах пониженного давления - всасывающих полостях насоса. Особым видом изнашивания является газовая эрозия, возникшая вследствие размягчения и окисления с последующим отрывом и уносом частиц с поверхности элементов изделий, обтекаемых горячим газовым потоком (сопловые и рабочие лопатки первых ступеней турбины).
Процессы старения материалов зависят от многих факторов и к настоящему времени строгой теории, объясняющей его не существует. Обычно старение связывают с переходом материала из недостаточно стабильного в стабильное состояние. Этот переход может быть связан со структурными превращениями или представляет собой релаксационный (релаксация - выравнивание, уменьшение, ослабление) процесс.
Механизм указанных превращений очень сложен и на характер его протекания наиболее существенное влияние оказывает температура материала. В результате старения происходит изменение механических и физических свойств материала: на первых стадиях процесса наблюдается упрочнение материала, увеличение его твердости и повышения сопротивления пластичной деформации; на последних стадиях прочность материала снижается. В процессе старения сплавов часто наблюдается коррозионное растрескивание по границам зерен, находящихся под напряжением.
Наиболее часто подобные процессы могут проходить в деталях основных и форсажных камер сгорания, газовых турбин и в канале реактивного сопла. При старении пластических материалов снижается их прочность при растяжении, увеличиваются газопроницаемость и
хрупкость при низких температурах, ухудшаются диэлектрические свойства.
2.3. Распределение причин отказов между основными узлами и системами ГТД
Для правильной организации работ по повышению надежности двигателей, их рационального технического обслуживания и ремонта необходимо знать, как распределяются отказы двигателей между их основными узлами и системами. При этом целесообразно использовать следующую классификацию отказов:
- отказы, обуславливающие необходимость досрочного съема двигателя с эксплуатации, отправку его на ремонтный завод или списание - д.с.д.;
- отказы, устраняемые в эксплуатации - о.у.э.;
- отказы, приводящие к невыполнению задачи, т.е. к аварии - о.н.з.
Представленная классификация отказов условна. По мере совершенствования обслуживания двигателя замена его элементов, ранее выполнявшаяся лишь на ремонтном заводе, может осуществляться и в эксплуатации. В этом случае отказы типа д.с.д. перейдут в категорию о.у.э. Ниже представлены результаты анализа распределения о.н.з. (таблица 1) и д.с.д. (таблица 2) для нескольких типов ТРДД и ТРДФ. Большой объем и сложность функций, выполняемых системой регулирования, определяет наибольшее число отказов этой системы.
Значительный процент отказов, связанный с работой компрессора, во многом объясняется большим числом лопаток в современных многоступенчатых компрессорах, то определяет повышенную вероятность поломки, хотя бы одной из них в процессе эксплуатации. В качестве примера на рис.6. и рис.7. представлены распределения суммарного числа отказов всех типов по узлам и системам одного из ТРДД; в таблице 3 приведены наиболее часто встречающиеся неисправности.
2.4. Изменчивость причин отказов ГТД
Причины отказов, даже двигателей одного типа, могут сильно изменяться под действием ряда факторов. Поэтому, говоря об отказах, свойственных ГТД, надо учитывать, что рассматриваемые отказы характерны:
а) в конкретных условиях;
б) в определенный период ресурсной наработки;
в) на определенном этапе освоения двигателя в производстве и эксплуатации.
а) Условия применения двигателя являются одним из факторов, наиболее сильно воздействующих на характер причин отказов. Так, например, увеличение в 3 раза полетного цикла при одновременном снижении в такое же количество раз времени работы ГТД на максимальном и форсажном режимах приводит к росту отказов агрегатов регулирования и топливопитания в 2 раза, а приводов в 5 раз. Однако при этом наблюдается резкое снижение вероятности прогара и разрушения основной (в 3 раза) и форсажной (в 15 раз) камер сгорания, уменьшается количество отказов элементов маслосистемы и трансмиссии (в 2.5 раза), а также износ проточной части компрессора (в 1.5 раза). Причины отказов могут изменяться даже при условии эксплуатации в одинаковых режимах, но при изменении климатических зон. Эксплуатация ГТД в условиях пустынь приводит к интенсивной пылевой эрозии проточной части двигателя, особенно лопаток компрессора и, как следствие, к его помпажу или поломке. Использование авиационного ГТД в условиях контакта с брызгами морской воды определяет интенсивную коррозию материала лопаток компрессора (нержавеющая сталь), что уменьшает предел выносливости лопаток в 2.7 раза.
(таблица 1 и таблица 2)
(рис. 6)
(рис. 7)
(Таблица 3)
б) Период ресурсной наработки. Очевидно, что отказы износового характера, связанные с накоплением повреждений элементов конструкции, проявляются главным образом при большой ресурсной наработке. На рис.8. представлена диаграмма, характеризующая в процентах количество двигателей (N) от общего числа отказавших ГТД, досрочно снятых из-за износовых отказов редуктора (1) и турбины (2) в разные периоды ресурсной наработки.
Схема возникновения износового отказа приведена на рис.9. По мере износа детали допустимая нагрузка (кривая 1) падает. При достижении некоторого ее предельно возможного значения (кривая 2) наступает отказ.
в) Период эксплуатации двигателя определенного типа также является фактором, влияющим на причины отказов. По мере накопления опыта эксплуатации с ростом ресурса происходит постоянное совершенствование двигателя, обеспечиваемое различными мероприятиями конструктивного, технологического и эксплуатационного характеров. В результате указанных мероприятий изменяются и причины отказов.
(рис. 8 и рис. 9)
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие условия предъявляются к обьекту исследования?
2. Взаимосвязь между исправной и неисправной, работоспособной и отказавшей системами.
3. Различия между понятиями "дефект" и "неисправность".
4. Основные направления классификации дефектов.
5. Классификация дефектов по общетехническим признакам.
6. Классификация дефектов по причинам их возникновения.
7. Перечислите основные дефекты сварных соединений.
8. Анализ воздействия средств поражения на авиационную технику.
9. Классификация дефектов по размерам и степени их распространения.
10. Анализ отказов, связанных с поломками и разрушением деталей.
11. Анализ отказов, связанных с износом материалов.
12. Старение материала и анализ причин его возникновения.
13. Характерные неисправности и их распределение между основными узлами и системами ГТД.
14. Факторы, влияющие на периодичность отказов ГТД.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акимов В.М. Основы надежности газотурбинных двигателей, М.: Машиностроение, 2001.
2.Диагностика авиационных двигателей /В.Н.Лозовский, Г.В.Бондал, А.О.Саксис, А.Е.Колтунов./ М.: Машиностроение, 2003.
3. Смирнов Н.Н., Владимиров Н.И., Техническая эксплуатация летательных аппаратов. М.: Транспорт, 2000.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ............................
1.1. Состояние системы. Основные понятия и определения…………………………….
1.2. Классификация дефектов ГТД............................................................................................
1.3. Конструкционные, производственные, ремонтные и
эксплуатационные дефекты………………………………………………...............................
1.4. Воздействие на авиационную технику средств поражения
(боевые повреждения)…………………………………………………....................................
Дата добавления: 2015-12-18; просмотров: 122; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!