Газотурбинные двигатели — это сердце современной авиации. Их надежность и долговечность во многом зависят от прочности ключевых компонентов, таких как турбинные диски, которые работают в экстремальных условиях: под действием высоких температур, механических воздействий и циклических нагрузок. Ученые Пермского Политеха предложили модель, которая позволит определять эффективную для эксплуатации зеренную структуру диска. Их исследование показывает, что градиентное распределение размера зерен в материале может значительно повысить прочность и устойчивость дисков к усталости и разрушению.
Разработка ПНИПУ повысит прочность дисков авиационных двигателей / © Eka Rihandy, Unsplash
Статья опубликована в журнале «Вестник УГАТУ». Исследование выполнено в рамках развития Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения» ПНИПУ, при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации нацпроекта «Наука и университеты».
Турбинные диски — это важные компоненты авиационных газотурбинных двигателей. На них закреплены лопатки, которые преобразуют энергию горячего газового потока в механическое вращение. Диски изготавливаются из жаропрочных сплавов, одним из широко применяемых является никель-хромовый Inconel 718, который известен своей устойчивостью к высоким температурам и трещиностойкостью. Однако даже такие материалы подвержены износу из-за постоянных механических нагрузок и термического воздействия.
Любой металл имеет зеренную структуру, то есть на микроуровне состоит из множества кристаллических элементов, которые и называются зернами. От их распределения и размера зависят свойства материала – прочность, пластичность, устойчивость к температурам, силовым нагрузкам и прочее.
В конструкции диска авиадвигателя выделяют несколько элементов: полотно – основное «тело» детали, обод – внешняя часть, к которой крепятся лопатки турбины, и ступица – выемка в центре для насадки на вал. Все они испытывают разные воздействия: обод нагревается до 800-900 °К из-за контакта с горячим газом, а ступица испытывает существенные растягивающие напряжения. Это чревато неупругими деформациями, трещинами и даже мгновенным разрушением турбинных дисков, что сделает непригодным и сам двигатель.
Ученые Пермского Политеха спроектировали градиентную структуру зерен: от 30 мкм вблизи ступицы до 50 мкм у обода. Мелкие повышают статическую и усталостную прочность, что важно для зоны высоких напряжений, а более крупные улучшают сопротивление ползучести и трещинообразованию в зоне контакта с высокими температурами.
– Для проверки этой идеи мы разработали математическую модель, которая позволяет исследовать распределение температуры, напряжений и деформаций в диске. Мы использовали метод конечных элементов для численного моделирования работы диска в условиях, близких к реальным. В расчетах учитывались скорость вращения, рабочие температуры – 573 °К на ступице и 873 °К на ободе, а также механические нагрузки от лопаток и посадки на вал, – рассказывает Никита Кондратьев, заведующий лабораторией многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Исследователи провели сравнения для дисков с двумя вариантами структуры: однородной, когда зерна имеют преимущественно одинаковый размер по всей детали, и градиентной, когда он целенаправленно изменяется в разных частях диска.
– Результаты показали, что градиентный вариант обеспечивает больший запас статической прочности – это значит, что напряжения в критических зонах перестали достигать опасных значений. Также это улучшает усталостную прочность детали — время до разрушения увеличилось, а накопление повреждений снизилось. Для градиентного диска максимальные напряжения составили 435 МПа у ступицы и 330 МПа у обода, что ниже критических значений, – объясняет Кирилл Романов, аспирант и ассистент кафедры «Математическое моделирование систем и процессов», младший научный сотрудник лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ.
Кроме того, ученые проверили устойчивость модели к отклонениям параметров. Оказалось, что модель остается стабильной в том числе при колебаниях температуры и размера зерен, что подтверждает ее надежность.
Исследование ученых Пермского Политеха демонстрирует, что формирование градиентной зеренной структуры может быть эффективным способом создания более долговечных и надежных турбинных дисков. Это важно с точки зрения оптимизации свойств материала для разных зон детали, работающих при различных режимах экстремальных воздействий.
