cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2023-26-1-95-103caht-2136Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGМетодика расчета минимальной скорости ползучести лопаток турбин газотурбинных двигателей, основанная на учете деградации микроструктуры сплаваThe method of calculating the minimum creep rate of turbine blades of gas turbine engines based on the degradation of the alloy microstructureПетровЮ. В.PetrovY. V.

Петров Юрий Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технической механики и инженерной графики

Москва

Yuri V. Petrov, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Engineering Mechanics and Graphics Chair

Moscow

yu.petrov@mstuca.aeroРатенкоО. А.RatenkoO. A.

Ратенко Олег Александрович, ассистент кафедры технической механики и инженерной графики

Москва

Oleg A. Ratenko, Teaching Assistant of the Engineering Mechanics and Graphics Chair

Moscow

ratenko.oleg@yandex.ruХаринаВ. К.KharinaV. K.

Харина Вера Константиновна, кандидат технических наук, доцент кафедры технической механики и инженерной графики

Москва

Vera K. Kharina, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Engineering Mechanics and Graphics Chair

Moscow

h.vera@bk.ruМосковский государственный технический университет гражданской авиацииРоссияMoscow State Technical University of Civil AviationRussian Federation20230803202326195103Copyright © Петров Ю.В., Ратенко О.А., Харина В.К., 20232023Петров Ю.В., Ратенко О.А., Харина В.К.Petrov Y.V., Ratenko O.A., Kharina V.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2136

В текущих мировых экономических условиях авиакомпании нуждаются в сокращении финансовых затрат. Известно, что удельный вес затрат авиакомпаний на проведение технического обслуживания и ремонта (ТОиР) в общей структуре затрат составляет не менее 20 %, из которых свыше 40 % приходится на ремонт и обслуживание авиационных двигателей (АД). По существующим оценкам специалистов, эта статья расходов продолжит возрастать, что обусловлено неизбежным усложнением конструкций АД, которое диктуется необходимостью повышения эффективности и экологичности их эксплуатации. Одним из возможных путей сокращения затрат на ТОиР является переход на эксплуатацию по состоянию компонентов, эксплуатируемых в настоящее время до выработки установленного ресурса. К числу таких элементов, например, можно отнести лопатки турбин газотурбинных двигателей (ГТД). Как известно, лопатки турбин работают в весьма непростых условиях: на них воздействуют высокие температуры, большие центробежные нагрузки, агрессивная окружающая газовая среда, а их разрушение происходит, как правило, в результате накопления усталостных повреждений и ползучести. Прежде чем возникнут макроскопические повреждения, микроструктура сплава значительно деградирует и деформируется. Обнаружение на ранней стадии этих микроскопических повреждений, происходящих в сплаве, является тем инструментом, который может позволить перейти на эксплуатацию по состоянию лопаток турбин ГТД. В статье представлена методика расчета минимальной скорости ползучести сплава Inconel 738LC, основанная на учете микроструктурных изменений в условиях реальной эксплуатации. Полученные результаты предлагается использовать для расчета остаточного ресурса лопаток турбин по параметру ползучести.

In the current global economic conditions, airlines need to curtail financial expenses. It is known that the share of airline costs for maintenance and repair (MR) in the total cost structure amounts to at least 20%, of which more than 40% is for the repair and maintenance of aircraft engines (AE). According to the actual expertise, this item of expenditure will continue to grow due to the inevitable sophistication of AE structures, which is specified by the need to increase the efficiency and ecological compatibility. One of the possible ways of curbing maintenance and repair expenses is to transit for the operation of on-condition components which are currently in operation until the overhaul life is exhausted. For example, turbine blades of gas turbine engines (GTE) can be pertinent to such elements. It is a common fact that turbine blades operate in challenging environment: they are affected by excessive temperatures, severe centrifugal loads, aggressive gas media, and their destruction generally occurs because of the accumulation of fatigue damage and creep. The alloy microstructure significantly degrades and deforms before macroscopic damage develops. The early detection of microscopic damage in the alloy is the tool which allows for the transition to GTE oncondition turbine blades operation. The article presents the method for calculating the minimum creep rate of the Inconel 738LC alloy based on microstructural changes under operating conditions. The obtained results are proposed to be used for calculating the residual life of turbine blades by the creep parameter.

лопатка турбинымикроструктура сплава𝛾′-фазакоагуляцияползучестьсоотношение Монкмана – Грантаturbine bladealloy microstructuregamma-prime phasecoagulationcreepMonkman-Grant relationshipReferencesHuang W.Q., Yang X.G., Li S.L. Evaluation of service-induced microstructural damage for directionally solidified turbine blade of aircraft engine // Rare Metals. 2019. Vol. 38, iss. 2. Pp. 157–164. DOI: 10.1007/s12598-018-1016-zHuang, W.Q., Yang, X.G. & Li, S.L. (2019). Evaluation of service-induced microstructural damage for directionally solidified turbine blade of aircraft engine. Rare Metals, vol. 38, issue 2, pp. 157–164. DOI: 10.1007/s12598-018-1016-zTong J. Assessment of service induced degradation of microstructure and properties in turbine blades made of GH4037 alloy / J. Tong,X. Ding, M. Wang, K. Yagi, Yu. Zheng, Q. Feng // Journal of Alloys and Compounds. 2016. Vol. 657. Рp. 777–786. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.10.071Tong, J., Ding, X., Wang, M., Yagi, K., Zheng, Yu. & Feng, Q. (2016). Assessment of service induced degradation of microstructure and properties in turbine blades made of GH4037 alloy. Journal of Alloys and Compounds, vol. 657, pp. 777–786. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.10.071Логунов А.В. Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток и дисков турбин. М.: Московские учебники и Картолитография, 2018. 592 с.Logunov, A.V. (2018). [Heat-resistant nickel alloys for turbine blades and disks]. Moscow: Moskovskie uchebniki i Kartolitografiya, 592 p. (in Russian)Беккерт М., Клемм Х. Способы металлографического травления: справочник / Пер. с нем. Н.И. Туркиной и Е.Я. Капуткина. 2-е изд. М.: Металлургия, 1988. 400 с.Bekkert, M. & Klemm, X. (1988). [Methods of metallographic etching: guidebook]. 2nd ed. Translated from the German by Turkina N.I., Kaputkin E.Ya. Moscow: Metallurgiya, 400 p. (in Russian)Лившиц Б.Г. Металлография: учебник для вузов. М.: Металлургия, 1990. 236 с.Livshits, B.G. (1990). [Metallography: a textbook for universities]. Moscow: Metallurgiya, 236 p. (in Russian)Федорченко Д.Г., Новиков Д.К. Исчерпание ресурса деталей ГТД в эксплуатационных условиях: монография. Самара: Изд-во СамНЦ РАН, 2018. 264 с.Fedorchenko, D.G. & Novikov, D.K. (2018). [Exhaustion of the resource of GTE parts in operational conditions: Monography]. Samara: Izdatelstvo SamNTS RAN, 264 p. (in Russian)Li Sh. A physically based model for correlating the microstructural degradation and residual creep lifetime of a polycrystalline Nibased superalloy / Sh. Li, B. Wang, D. Shi, X. Yang, H. Qi // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 783. Pp. 565–573. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.11.417Li, S., Wang, B., Shi, D., Yang, X. & Qi, H. (2019). A physically based model for correlating the microstructural degradation and residual creep lifetime of a polycrystalline Nibased superalloy. Journal of Alloys and Compounds, vol. 783, pp. 565–573. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.11.417Monkman F., Grant N. An empirical relationship between rupture life and minimum creep rate in creep-rupture tests // Proceeding of ASTM, 1956. Pp. 593–620.Monkman, F. & Grant, N. (1956). An empirical relationship between rupture life and minimum creep rate in creep-rupture tests // Proceeding of ASTM, pp. 593–620.Mishra R.S., Mukherjee A.K. Correlations between high-temperature creep behavior and structure // Proceedings of the Third «Light Weight Alloys for Aerospace Applications» Symposium Sponsored by the Non-ferrous Metals Committee of the Structural Materials Division (SMD) of TMS, February 13–16 1995. P. 319.Mishra, R.S. & Mukherjee, A.K. (1995). Correlations between high-temperature creep behavior and structure. Proceedings of the Third "Light Weight Alloys for Aerospace Applications" Symposium Sponsored by the Nonferrous Metals Committee of the Structural Materials Division (SMD) of TMS, February 13–16 1995, p. 319.Fan Y. Mechanical properties deterioration and its relationship with microstructural variation using small coupons sampled from serviced turbine blades / Y. Fan, H. Weiqing, Y. Xiaoguang, S. Duo-qi, L. Shaolin // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 757. Pp. 134–145. DOI: 10.1016/j.msea.2019.04.100Fan, Y., Weiqing, H., Xiaoguang, Y., Duo-qi, S. & Shaolin, L. (2019). Mechanical properties deterioration and its relationship with microstructural variation using small coupons sampled from serviced turbine blades. Materials Science and Engineering: A, vol. 757, pp. 134–145. DOI: 10.1016/j.msea.2019.04.100Carey J.A., Sargent P.M., Jones D.R.H. A deformation mechanism map for IN738LC superalloy // Journal of Materials Science Letters. 1990. Vol. 9, iss. 5. Pp. 572–575. DOI: 10.1007/BF00725881Carey, J.A., Sargent, P.M. & Jones, D.R.H. (1990). A deformation mechanism map for IN738LC superalloy. Journal of Materials Science Letters, vol. 9, issue 5, pp. 572–575. DOI: 10.1007/BF00725881Петрушин Н.В., Логунов А.В., Ковалев А.И. и др. Способ определения относительного объемного содержания упрочняющей 𝛾′-фазы в сплавах. Патент SU № 687965 A1, МПК G01N 27/02: опубл. 15.03.1992. 8 с.Petrushin, N.V., Logunov, A.V., Kovalev, A.I. et al. (1992). [Method for determining the relative volume content of the strengthening 𝛾'-phase in alloys]. Patent SU no. 687965 A1, MPK G01N 27/02: publ. March 15. 8 p. (in Russian)Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов: монография. М.: Машиностроение, 1998. 463 с.Kablov, E.N. & Golubovsky, E.R. (1998). [Heat resistance of nickel alloys: Monography]. Moscow: Mashinostroyeniye, 1998. 463 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.