ГОСТ Р 59001-2020
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Двигатели газотурбинные
МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПРЕДЕЛОВ ВЫНОСЛИВОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Gas turbine engines. Methods of calculating the endurance of details
ОКС 49.050
03.100.01
Дата введения 2021-01-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием "Российский научно-технический центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия" (ФГУП "") и Федеральным государственным унитарным предприятием "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И.Баранова" (ФГУП "ЦИАМ им.П.И.Баранова")
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 323 "Авиационная техника"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 28 августа 2020 г. N 599-cт
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
ВНЕСЕНА поправка, опубликованная в ИУС N 7, 2021 год
Поправка внесена изготовителем базы данных
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает методы расчетно-экспериментального определения средних значений пределов выносливости деталей газотурбинных двигателей (далее - ГТД) и их элементов с учетом влияния эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов, таких как: повышенной температуры, асимметрии цикла, концентрации напряжений, базы испытания, абсолютных размеров поперечного сечения, частоты нагружения, состояния поверхности.
Настоящий стандарт не устанавливает методы расчета пределов выносливости паяных и сварных соединений и деталей.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 25.504 Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости
ГОСТ 23207 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения
Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального органа по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены термины и определения по ГОСТ 23207 и ГОСТ 25.504.
4 Технические требования
4.1 Пределы выносливости деталей и их элементов определяют на базе:
- 2·10
- 10
4.2 При расчетной оценке влияния эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов используют зависимости и экспериментальные данные, соответствующие базе, приведенной в 5.1.
5 Требования к определению пределов выносливости по результатам натурных испытаний
5.1 Испытания деталей газотурбинного двигателя (ГТД) и их элементов с целью определения пределов выносливости следует проводить в условиях, наиболее полно имитирующих реальные условия работы.
5.2 Влияние факторов, не воспроизведенных при испытаниях деталей, должно быть учтено по результатам испытаний образцов, изготовленных из материала детали.
Испытания таких образцов необходимо проводить с одновременным воспроизведением следующих факторов:
- асимметрии цикла и температуры;
- асимметрии цикла, температуры и концентрации напряжений;
- концентрации напряжений, температуры, шероховатости поверхности и упрочнения и т.д.
5.3 Пределы выносливости литых лопаток турбин при повышенных температурах необходимо определять по результатам натурных испытаний при заданной температуре.
5.4 Примеры определения предела выносливости деталей по результатам натурных испытаний, корректированных по данным испытаний образцов, приведены в приложении А.
6 Требования к определению пределов выносливости по данным испытания образцов материала
6.1 Предел выносливости деталей при изгибе и кручении при симметричном цикле и нормальной температуре
где
6.2 Если размеры детали или заготовки допускают изготовление образцов, то необходимо определить
В этом случае пределы выносливости материала детали
где
Примечание - Здесь и далее значения механических свойств, параметров и коэффициентов являются средними, соответствующими вероятности разрушения P=0,5, за исключением тех случаев, когда даны интервалы указанных значений.
6.3 Для приближенной оценки пределов выносливости до получения экспериментальных значений
Определение значения отношения
Пределы выносливости при растяжении-сжатии гладких образцов
6.4 Пределы выносливости при повышенной температуре следует определять по зависимости:
где
где
Определение
6.5 Если предел выносливости
7 Требования к определению коэффициентов влияния масштабного фактора, концентрации напряжений, качества поверхности
7.1 Коэффициенты влияния масштабного фактора (абсолютных размеров поперечного сечения) при изгибе
где
Коэффициенты
При отсутствии экспериментальных данных о влиянии масштабного фактора на предел выносливости образцов из материала детали значение коэффициента
где
В том случае, если механические свойства заготовки детали контролируются по ТУ на деталь, то значение
Коэффициент влияния масштабного фактора при кручении
7.2 Эффективные коэффициенты концентрации напряжений
; (11)
где
В этом случае в формулах (1) и (2)
При отсутствии экспериментальных данных допускается вычислять эффективные коэффициенты концентрации напряжений
где
Теоретические коэффициенты концентрации
где
7.2.1 Значение теоретических коэффициентов концентрации
Для концентраторов сложных форм расчетное определение
7.2.2 Значения коэффициента чувствительности к концентрации при изгибе
где
7.2.3 Значение коэффициента чувствительности к концентрации при изгибе
7.2.4 При отсутствии экспериментальных данных коэффициент чувствительности к концентрации напряжений для данного типа материала и
Если
При выборе значения параметра
7.2.5 Определение значений коэффициента чувствительности к концентрации напряжений
где
7.2.6 При отсутствии экспериментальных данных для
7.3 Коэффициент влияния качества поверхности
где
Предел выносливости
7.3.1 Влияние коррозии на предел выносливости учитывают путем введения коэффициента влияния коррозии
где
Коэффициент влияния коррозии
При отсутствии экспериментальных данных допускается определение коэффициента влияния коррозии
где
При отсутствии результатов данных испытаний на усталость значение
где
Количество сечений в зоне наибольшего скопления следов коррозии должно быть не менее четырех.
Значение коэффициента влияния коррозии
Зависимость коэффициента влияния коррозии
где
7.3.2 Влияние шероховатости поверхности на предел выносливости учитывается путем введения коэффициента влияния шероховатости поверхности
где
При отсутствии экспериментальных данных значения коэффициента влияния шероховатости поверхности
7.3.3 Влияние упрочнения поверхности наклепом учитывают путем введения коэффициента влияния упрочнения
где
Значения коэффициента влияния упрочнения
7.4 При повреждении упрочненной поверхности коррозией в формулах (1) и (2) следует принимать
При повреждении коррозией поверхностей с различной шероховатостью следует принимать
7.5 Пример расчета предела выносливости при изгибе и кручении вала турбины приведен в приложении Д.
8 Требования к определению пределов выносливости деталей при асимметричном цикле
8.1 Влияние асимметрии цикла на пределы выносливости деталей определяют экспериментально по результатам испытаний образцов с концентратором напряжений при асимметричном растяжении-сжатии или симметричном цикле и заданном значении среднего напряжения цикла в условиях нагрева при рабочей температуре. Пределы выносливости детали при асимметричном цикле растяжения
где
8.2 При отсутствии экспериментальных данных амплитуды предельных значений напряжений материала при растяжении и кручении
- для титановых и никелевых сплавов:
где
- для углеродистых и конструкционных сталей следует принимать
8.3 При приближенной оценке при
где
8.4 При кручении амплитуду предельных напряжений
где
9 Требования к определению пределов выносливости деталей при сложном напряженном состоянии
9.1 Влияние сложного напряженного состояния на пределы выносливости деталей следует учитывать по результатам испытаний образцов с концентрацией напряжений при заданном соотношении составляющих цикла и заданной температуры.
9.2 Предел выносливости деталей при асимметричном цикле сложного напряженного состояния
где
где
10 Требования к определению пределов ограниченной выносливости
10.1 Пределы ограниченной выносливости
Уравнения отрезков имеют следующий вид:
где
Общий вид кривых усталости и значения параметров уравнения кривых усталости приведены в приложении Е.
10.2 Если второй отрезок кривой усталости не имеет наклона, т.е.
________________
* Текст документа соответствует оригиналу. - .
Если кривая усталости не имеет перелома, т.е.
Если кривая усталости имеет два наклонных участка, то предел выносливости
Значения
10.3 Пределы выносливости на базе более 2·10
Допускается предел выносливости детали из титановых сплавов на базе 1·10
10.4 Предел ограниченной выносливости образцов или деталей с концентрацией напряжений необходимо вычислять по формуле (36), где следует параметр
11 Требования к определению пределов выносливости деталей при высокочастотных колебаниях
11.1 Пределы выносливости деталей при высокочастотных колебаниях следует определять экспериментально.
11.2 При отсутствии экспериментальных данных предел выносливости материала при высоких частотах следует принимать равным пределу выносливости, определенному экспериментально при испытаниях на усталость с более низкими частотами.
Приложение А
(справочное)
Примеры определения предела выносливости деталей по результатам натурных испытаний, скорректированных по данным испытаний образцов
А.1 Расчет предела выносливости вала турбины при рабочей температуре
Предел выносливости вала турбины
Испытаниями гладких образцов при нормальной и рабочей температуре
Предел выносливости вала турбины при рабочей температуре
А.2 Расчет диска компрессора при рабочей температуре и ассиметричном цикле
Предел выносливости диска компрессора
В ходе испытаний образцов с концентраторами напряжений, соответствующими зоне разрушения в диске, определяют пределы выносливости образцов при симметричном цикле в условиях нормальной (
Предел выносливости диска компрессора
Приложение Б
(рекомендуемое)
Определение значений отношения
Б.1 Значения отношения
Таблица Б.1
Тип материала | |||
Титановые высокопрочные сплавы | 0,40-0,55 | 0,85-1,00 | 0-0,15 |
Легированные конструкционные стали | 0,40-0,50 | 0,60-0,80 | 0,25-0,65 |
Высокопрочные коррозионно-стойкие стали | 0,45-0,55 | 0,80-1,00 | 0-0,25 |
Жаропрочные стали | 0,30-0,45 | 0,60-0,80 | 0,25-0,65 |
Деформируемые жаропрочные никелевые сплавы | 0,25-0,35 | 0,25-0,45 | 1,20-3,00 |
Литейные жаропрочные никелевые сплавы | 0,15-0,20 | 0,15-0,35 | 1,85-5,65 |
Жаропрочные никелевые сплавы с направленной структурой | 0,20-0,30 | 0,25-0,45* | 1,20-3,00* |
* Без термовакуумной обработки при температуре гомогенизации сплава. |
Б.2 Значения предела прочности
Таблица Б.2
Тип материала | |||
Конструкционные, жаростойкие, жаропрочные стали | 1000-1300 | 0,2-1,0 | 550 |
Титановые сплавы | 900-1300 | 0,3-1,0 | |
Жаропрочные деформируемые сплавы на основе никеля | 1000-1500 | 2,0-2,5 | 750, 850 |
Жаропрочные литейные сплавы на основе никеля | 900-1200 | 1,9-2,3 | 900 |
Б.3 Значение параметра
Таблица Б.3
Тип материала | Значение параметра | |
20-200 | ||
Конструкционные стали | 1,0-1,2 | 1,3-1,5 |
Титановые сплавы | 0,9-1,0 | 1,1-1,3 |
Никелевые сплавы | 0,9-1,1 | 1,2-1,3 |
1,0-1,1 | 1,3-1,8 | |
Никелевые литейные сплавы | 0,9-1,0 | 1,3-1,5 |
Приложение В
(рекомендуемое)
Определение значений коэффициента чувствительности к концентрации напряжений
В.1 Зависимость
1 - сталь 30ХМ; 2 - сталь 40Г; 3 - сталь 2Х13; 4 - сталь 40ХНМА; 5 - сталь 10Г2
Рисунок В.1
В.2 Зависимость
1 - сплав Cr - Ni - Co; 2 - сплав ХН70ВМТЮ; 3 - сплав ХН77ТЮРУ; 4 - никелевый сплав, отлитый методом направленной кристаллизации; 5 - литейный сплав ВЖЛ12У
Рисунок В.2
Приложение Г
(рекомендуемое)
Определение значений коэффициентов влияния коррозии, шероховатости, упрочнения поверхности наклепом
Г.1 Зависимость коэффициента влияния коррозии
Рисунок Г.1
Г.2 Зависимость коэффициента влияния шероховатости
1 - высокопрочные жаростойкие стали и титановые сплавы при Т=20°С; 2 - никелевые жаропрочные стали при Т =20°С; 3 - высокопрочные жаростойкие стали при кручении при Т =20°С
Рисунок Г.2
Г.3 Зависимость коэффициента влияния упрочнения
________________
* Текст документа соответствует оригиналу. - .
1 - титановые сплавы; 2 - высокопрочные жаростойкие стали, образцы;
Рисунок Г.3
Приложение Д
(справочное)
Пример расчета предела выносливости при изгибе и кручении вала турбины
Д.1 Исходные данные:
- диаметр вала в рассчитываемом сечении
- материал вала - сталь 13Х12Н2В2МФ (ЭИ961). Механические свойства вала контролируются по 1-й группе контроля от каждой штамповки,
- параметр шероховатости поверхности Ra=1,8 мкм;
- наружная и внутренняя поверхности вала наклепаны микрошариками;
- температура вала - 300°С;
- средние напряжения цикла от крутящего момента
- режим полета 1:
- режим полета 2:
Д.2 Пределы выносливости вала при изгибе и кручении вычисляют по следующим формулам:
где
В данном случае
Д.3 Определение значений величин в формулах (Д.1) и (Д.2) следующее:
Таким образом,
Коэффициент влияния масштабного фактора
Эффективные коэффициенты концентрации напряжений
Теоретические коэффициенты концентрации
Значения коэффициентов в формулах (Д.1) и (Д.2) приведены в таблице Д.1.
Д.4 Пределы выносливости вала при симметричном изгибе и кручении по формулам (Д.1) и (Д.2) равны:
Д.5 Амплитуды предельных напряжений вала в рассчитываемом сечении при изгибе
Предел прочности
Значения коэффициентов в формулах (30) и (32) приведены в таблице Д.1.
Таблица Д.1
Коэффициент | Значение |
0,76 | |
1,14 | |
1,67 | |
1,16 | |
0,23 | |
0,05 |
Д.6 Амплитуды предельных напряжений вала при изгибе и кручении равны:
- режим 1: | |
- режим 1: | |
Приложение Е
(рекомендуемое)
Общий вид кривых усталости и значения параметров уравнений кривых усталости для различных типов материалов и при различных температурах
Е.1 Кривые усталости литейного жаропрочного сплава ВЖЛ12У приведены на графике, представленном на рисунке Е.1, и в таблице Е.1.
Рисунок Е.1
Таблица Е.1
20 | 3,6 | 100,0 | 1·10 |
700 | 7,6 | 29,9 | 1·10 |
900 | 10,3 | 4,5 | 6·10 |
Е.2 Значения параметров уравнений кривых усталости для разных типов материалов и при различных значениях температуры приведены в таблице Е.2.
Таблица Е.2
Тип материала | ||||
Титановые сплавы | 20-200 | 6 | 50 | 1·10 |
200-350 | 10 | 45 | - | |
350-400 | 16 | 40 | - | |
Высокопрочные жаростойкие стали | 20-200 | 10 | 75 | 1·10 |
300-400 | 9 | 50 | - | |
500-550 | 12 | БП | - | |
Прочные стали | 20-400 | 8 | 50 | 5·10 |
400-500 | 11 | 40 | - | |
500-700 | 19 | БП | - | |
Жаропрочные сплавы для дисков и валов | 20-250 | 5 | 80 | 2·10 |
400-500 | 6 | 60 | 1·10 | |
550-650 | 9 | 50 | 1·10 | |
700-750 | 18 | БП | - | |
Жаропрочные деформируемые сплавы | 200-500 | 5 | БП | - |
650-750 | 10 | 100 | 5·10 | |
750-850 | 16 | БП | - | |
850-950 | 12 | БП | - | |
Жаропрочные литейные сплавы | 20-500 | 4 | БП | - |
650-750 | 6 | 80 | 5·10 | |
750-850 | 10 | БП | - | |
850-950 | 12 | 5 | ||
Примечания |
УДК 621.433:620.178:006.354 | ОКС 49.050 |
03.100.01 | |
Ключевые слова: двигатели газотурбинные, методы расчета, предел выносливости |
(Поправка. ИУС N 7-2021).
Редакция документа с учетом
изменений и дополнений подготовлена