Статическая и динамическая прочность деталей авиационных ГТД

Статическая (квазистатическая) прочность подразумевает действие соответствующих нагрузок. Статическая прочность оценивается в условиях действия максимальных статических нагрузок. Однако, эти нагрузки изменяются в связи с изменением режима работы двигателя или полета воздушного судна. Характер изменения, как правило, – циклический с периодом, составляющим от единиц минут до единиц часов. Такая цикличность действия квазистатических нагрузок приводит к появлению процессов малоцикловой усталости конструкционных материалов.

Динамическая прочность обусловлена действием динамических нагрузок, т.е. таких нагрузок, частота действия которых близка к собственным частотам колебаний деталей двигателя. Динамические нагрузки в авиационных ГТД связаны с колебаниями элементов двигателей, частота которых лежит в диапазоне от десятков до десятков тысяч Герц (колебаний в секунду). Такие колебания обусловливают возникновение процессов многоцикловой усталости материалов.

Усталость – процесс постепенного накопления дефектов в конструкционном материале, обусловленный циклическим действием нагрузок. Именно усталость является основной причиной разрушения элементов инженерных конструкций, в частности – деталей авиационных двигателей.

Для малоцикловой усталости характерно появление пластических деформаций макроскопических объемов материала с характерным размером порядка нескольких миллиметров и более. Такой механизм разрушения реализуется при значительных циклических нагрузках, при этом деталь выдерживает до разрушения 10⁴…10⁵ циклов нагружения.

Поскольку малоцикловая усталость связана с изменениями режима работы двигателя во время эксплуатации, которые приводят к изменению статических напряжений в деталях, при длительной эксплуатации количество циклов изменения напряжений достигает десятков тысяч, а их амплитуда может превышать предел текучести материала.

Накопление повреждений конструкционных материалов, обусловленное малоцикловой усталостью, часто определяет ресурс деталей, работающих при повышенных температурах: дисков, рабочих и сопловых лопаток турбин и элементов камер сгорания.

При многоцикловой усталости, обусловленной колебаниями (вибрациями) деталей. переменные напряжения имеют сравнительно небольшую амплитуду (значительно ниже предела текучести), но количество циклов нагружения за время эксплуатации достигает миллиардов (10⁹). Характерная особенность разрушения деталей при многоцикловой усталости – отсутствие макроскопических пластических деформаций в материале. Многоцикловая усталость – определяющий процесс разрушения для таких деталей авиационных ГТД, как: лопатки, валы и шестерни.