Вплив кристалографічної орієнтації монокристалічних матеріалів на напружений стан робочих лопаток турбін

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Інститут проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАН України

Придорожний Роман Петрович

УДК 621. 438. 62-226-2

ВПЛИВ КРИСТАЛОГРАФІЧНОЇ ОРІЄНТАЦІЇ МОНОКРИСТАЛІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ НА НАПРУЖЕНИЙ СТАН РОБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБІН

Спеціальність 05. 02. 09 - Динаміка та міцність машин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на Державному підприємстві «Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро «Прогрес» імені академіка О. Г. Івченка» Міністерства промислової політики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук Зіньковский Анатолій Павлович Інститут проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАН України (м. Київ) завідувач відділу коливань і вібраційної надійності.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кравчук Леонід Васильович Інститут проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАН України (м. Київ) завідувач відділу міцності елементів конструкцій з функціональними покриттями доктор технічних наук, професор Воробйов Юрій Сергійович Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (м. Харків) завідувач відділу нестаціонарних механічних процесів.

Захист відбудеться « 12 « червня 2008 р. у 1000 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26. 241. 01 в Інституті проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАН України за адресою: 01014, Київ-14, вул. Тимірязєвська, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАН України.

Автореферат розісланий « 8 « травня 2008 р.

монокристалічна лопатка турбіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Надійність авіаційних газотурбінних двигунів (ГТД) у значній мірі визначається роботоздатністю робочих лопаток турбін. Це пов'язано з високим безупинно зростаючим рівнем діючих температур і навантажень, а також необхідністю істотного підвищення їх ресурсу при одночасному скороченні витрат на етапах від проектування і виробництва до експлуатації.

Удосконалення конструкції робочих лопаток турбін і підвищення ефективності їх охолодження, впровадження технології лиття монокристалів жароміцних нікелевих сплавів, які характеризуються істотною анізотропією фізичних і механічних властивостей, а також особливостями механізмів їх деформування і руйнування, обумовлюють необхідність підвищення достовірності визначення напружено-деформівного стану (НДС) і створення ефективних методів оцінки міцності турбінних лопаток як визначального моменту в забезпеченні надійності і ресурсу двигуна в цілому. Крім того, оскільки серійна технологія виготовлення лопаток допускає відхилення кристалографічної орієнтації (КГО) від заданої, актуальним також стає визначення можливості експлуатації таких лопаток і забезпечення їх ресурсу.

З огляду на викладене, достовірне визначення характеристик статичного і динамічного станів монокристалічних робочих лопаток турбін з урахуванням неминучої анізотропії властивостей матеріалу і впливу реальних експлуатаційних режимів навантаження представляє собою актуальну і разом з тим складну науково-технічну задачу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відділі міцностних розрахунків і досліджень ДП «Івченко-Прогрес» у рамках планів науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт, що відповідають Державній комплексній програмі розвитку авіаційної промисловості України до 2010 року (Постанова Кабінету міністрів України від 12. 12. 2001 р.).

Мета роботи полягає в удосконаленні розрахунково-експериментальних методів аналізу статичного і динамічного станів монокристалічних робочих лопаток турбін і визначенні закономірностей впливу кристалографічної орієнтації монокристалічних матеріалів на напружений стан таких лопаток з урахуванням експлуатаційних режимів навантаження.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

розробити моделі охолоджуваних і неохолоджуваних робочих лопаток турбін та взаємодії по контактуючим поверхням бандажного і замкового з'єднань, які дозволяють враховувати їх конструктивно-технологічні особливості;

вибрати критерій оцінки напруженого і граничного станів монокристалічних лопаток з урахуванням кристалографічної орієнтації, а також механізмів деформування і руйнування монокристалів жароміцних нікелевих сплавів;

здійснити адаптацію розрахункових методів на основі методу скінченних елементів (МСЕ) із застосуванням тривимірних розрахункових моделей для визначення напруженого і граничного станів монокристалічних робочих лопаток;

провести аналіз впливу повзучості матеріалу, монтажного натягу по бандажних полицях і тертя по їх контактуючим поверхням на напружений стан лопаток і зміну умов їх контакту по полицях;

дослідити вплив таких експлуатаційних факторів як температура і частота обертання ротора на спектр власних частот і форм коливань лопатки в залежності від орієнтації осей монокристалічного матеріалу;

запропонувати розрахунково-експериментальний метод визначення границі витривалості монокристалічних лопаток;

розробити рекомендації з раціонального вибору кристалографічної орієнтації осей матеріалу, які забезпечують підвищення надійності і ресурсу робочих лопаток турбін.

Об'єктами дослідження є охолоджувані і неохолоджувані монокристалічні робочі лопатки турбін авіаційних ГТД, а предметом дослідження - їх характеристики статичного і динамічного станів.

Для вирішення сформульованих у роботі задач були використані сучасні методи вирішення наукових задач, а саме:

фізичного і математичного моделювання для побудови адекватних моделей об'єктів дослідження, що дозволяють враховувати їх конструктивні особливості, властивості матеріалу і характер зовнішніх факторів;

метод скінченних елементів і відповідні ліцензійні програмні комплекси для розрахунку НДС моделей монокристалічних робочих лопаток турбін.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в адаптації розрахункових методів на основі МСЕ з застосуванням тривимірних розрахункових моделей монокристалічних лопаток для визначення їх напруженого стану та встановленні закономірностей впливу кристалографічної орієнтації матеріалів на характеристики статичного і динамічного станів, а саме: розподіл напружень в лопатках та зміну умов їх взаємодії по бандажних полицях, формування спектру власних частот і форм коливань, а також розробці методу визначення границі витривалості лопаток з урахуванням експлуатаційних режимів навантаження, на основі яких запропоновані рекомендації з раціонального вибору кристалографічної орієнтації матеріалу.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що використані тривимірні розрахункові моделі і методи розрахунку дозволяють істотно підвищити достовірність визначення характеристик статичного і динамічного станів монокристалічних лопаток, забезпечують можливість оперативного внесення змін у конструкцію і таким чином дозволяють істотно скоротити терміни створення лопаток заданого ресурсу. На підставі встановлених закономірностей впливу конструктивно-технологічних і експлуатаційних факторів на НДС лопаток розроблені рекомендації з раціонального вибору кристалографічної орієнтації матеріалу, які дозволяють обґрунтовано призначати гранично припустимі її відхилення від заданої з точки зору забезпечення міцності лопаток. Використання розробленого розрахунково-експериментального методу з визначення границі витривалості лопаток дозволяє істотно скоротити матеріальні витрати і час випробувань. Отримані результати роботи впроваджені і застосовуються на провідних двигунобудівних підприємствах України - ДП «Івченко-Прогрес» і ВАТ «Мотор Січ» при встановленні і подовженні ресурсу робочих лопаток серійних двигунів Д-18Т, Д-436, ТВ3-117ВМА-СБМ1, а також створюваних перспективних двигунів Д-27, АИ-222-25, АИ-450, АИ-22.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень, отримані в дисертаційній роботі, належать її автору. Вибір теми, постановка задач і обговорення результатів роботи виконані разом з науковим керівником, а також керівництвом ДП «Івченко-Прогрес».

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на 6-11 Міжнародних конгресах двигунобудівників (Харків - Рибаче, 2001-2006) ; 2 і 3 Міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні» (Київ, 2004, 2007) ; 3 і 4 Міжнародних науково-технічних конференціях «Нові технології, методи обробки і зміцнення деталей енергетичних установок» (Запоріжжя-Алушта, 2004, 2006) ; Міжнародній науково-технічній конференції «Динаміка, міцність і ресурс машин і конструкцій» (Київ, 2005) ; Всеросійській науково-технічній конференції «Проблеми створення перспективних авіаційних двигунів» (Москва, 2005), а також тематичному семінарі Інституту проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАН України «Коливання, хвильові процеси й імпульсне навантаження» (Київ, 2005, 2007).

Публікації. Основні результати виконаних досліджень по темі дисертації опубліковані в 14 наукових працях, з них 12 статей - у виданнях, затверджених ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури з 184 найменувань і додатків. Обсяг роботи складає 223 сторінки і включає 99 рисунків та 22 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі приведено обґрунтування обраної теми дисертаційної роботи, її наукове і практичне значення, сформульовані мета і задачі дослідження.

У першому розділі проведено аналіз численних результатів досліджень механічних властивостей монокристалічних матеріалів, динаміки і міцності виготовлених з них робочих лопаток турбін сучасних авіаційних газотурбінних двигунів з урахуванням конструктивно-технологічних і експлуатаційних факторів.

На основі результатів проведеного аналізу було встановлено, що використання існуючих прикладних теорій стержнів та інших спрощених підходів на основі МСЕ не дозволяє, як правило, з необхідною точністю і достовірністю визначити статичний і динамічний НДС монокристалічних лопаток турбін. При цьому в неповній мірі враховуються їх конструктивні особливості та анізотропія фізико-механічних властивостей матеріалів з направленою кристалізацією. Таке моделювання монокристалічних охолоджуваних і неохолоджуваних лопаток недостатньо для врахування істотних особливостей їх НДС у поздовжніх і поперечних перетинах, особливо на периферії та при кореневій частині пера, а також для розрахунку бандажних полиць з необхідною для практики точністю.

Достовірна оцінка міцності досліджуваних лопаток не може здійснюватися на основі існуючих критеріїв міцності для турбінних лопаток, виготовлених з литих рівноосних матеріалів, оскільки вони не враховують особливості механізмів деформування та руйнування монокристалічних жароміцних нікелевих сплавів. При цьому залишається невирішеним питання про переваги тієї чи іншої КГО монокристалічної лопатки з погляду її міцності.

Аналіз відомих результатів досліджень показує, що актуальною задачею є розробка на основі тривимірних моделей методів оцінки деформування пера розглянутих лопаток з урахуванням впливу умов їх контактної взаємодії в бандажному і замковому з'єднаннях (монтажного натягу і тертя по контактуючим поверхнях), а також анізотропії механічних властивостей і повзучості монокристалічних матеріалів.

Недостатньо вивчений вплив анізотропії монокристалічних матеріалів і таких експлуатаційних факторів, як температура і частота обертання ротора, на спектр власних частот і форм коливань лопаток в залежності від КГО їх осей.

Існуючі експериментальні методи визначення границі витривалості монокристалічних лопаток турбін ґрунтуються на методиці її оцінки для лопаток з рівноосною структурою, що обумовлює необхідність випробувань партій лопаток з різними КГО. Такий підхід вимагає значних матеріальних витрат і часу.

Тому, виходячи з актуальності проблеми підвищення надійності і ресурсу сучасних авіаційних ГТД, які значною мірою визначаються статичною і динамічною міцністю робочих лопаток турбін, при проектуванні яких широко використовуються монокристалічні матеріали, були сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи.

Питанню моделювання охолоджуваних та неохолоджуваних робочих лопаток турбін, які представлено на рис. 1, присвячено другий розділ. При вирішенні цього питання необхідно, як відзначалось, враховувати конструктивні особливості робочих лопаток турбін сучасних авіаційних ГТД та можливі умови їх експлуатації. Що стосується їх конструкції, тору, повзучість матеріалу, втрата натягу по полицях та залишковий розворот пера, перерозподіл напружень в процесі наробітку і виникнення залишкових напружень, інтенсивність та тривалість експлуатації та інше. З урахуванням цих факторів розроблені тривимірні скінченноелементні моделі вибраних робочих лопаток турбін. Запропонована також модель взаємодії лопаток по контактуючим поверхням бандажного і замкового з'єднань, яка дозволяє враховувати можливі контактні умови, що виникають в експлуатації, і забезпечує можливість дослідження і прогнозування їх змін.

Для підтвердження достовірності розроблених моделей лопаток та їх переваг проведено порівняння результатів розрахунку напруженого стану лопаток, отриманих з використанням моделей різного рівня, і показано, що їх одно- і двомірні моделі не дозволяють у достатньому обсязі установити закономірності впливу КГО на характеристики статичного і динамічного станів лопаток, що обмежує можливість її обґрунтованого призначення і допустимого відхилення від заданої, а також з достатньою точністю врахувати зазначені вище фактори.

Здійснено адаптацію розрахункових методів на основі МСЕ з застосуванням тривимірних розрахункових моделей монокристалічних лопаток для визначення їх НДС.

В третьому розділі розглянуто результати досліджень із встановлення закономірностей впливу як аксіальної, так і азимутальної КГО монокристалу (рис. 2) щодо осей досліджуваних робочих лопаток турбін, виготовлених з матеріалів ЖС26 та ЖС32, на їх статичний НДС.

Для реалізації поставленої задачі були обрані робочі лопатки турбіни високого і низького тиску відповідно. Слід зазначити, що для розглянутих лопаток, особливо охолоджуваних, неможливо забезпечити сприятливу КГО в усіх точках зовнішнього і внутрішніх їх контурів через складну геометрію пера. Однак міцність і надійність лопатки в даному випадку можуть бути підвищені за рахунок раціональної регламентації КГО в самій небезпечній точці пера.

Важливою задачею при проектуванні монокристалічних лопаток з погляду підвищення їх надійності і ресурсу є вибір раціональної кристалографічної орієнтації щодо діючих напружень. Для її вирішення були проведені дослідження зі встановлення закономірностей впливу кристалографічної орієнтації матеріалу робочих лопаток турбін на їх статичний напружений стан.

Спочатку, для підтвердження правомірності запропонованих розрахункових моделей, були проведені розрахунки з визначення залежностей зміни напружень лопаток від азимутальної орієнтації в деяких характерних точках поперечного перетину для випадку, коли поздовжня вісь співпадає з напрямком <001>. При цьому розрахунки проводилися з використанням моделей різного рівня. Показано, що за допомогою стержневої моделі неможливо встановити закономірності впливу азимутальної орієнтації на її напружений стан, оскільки враховуються тільки поздовжні напруження. Напівпросторова модель дозволяє врахувати та оцінити вплив азимутальної орієнтації на величину не тільки поздовжніх, але і поперечних напружень, однак тільки для випадку, коли поздовжня вісь лопатки співпадає з кристалографічним напрямком <001>.

Далі, з огляду на особливості механізмів руйнування та технології виробництва охолоджуваних монокристалічних лопаток, були виконані розрахунки з визначення розподілів як максимальних головних, так і приведених дотичних напружень в залежності від азимутальної орієнтації для випадків, коли поздовжня вісь лопатки z' співпадає з кристалографічним напрямком <001> ( = 00) і відхиляється від нього на кут = 200 у різних довільних напрямках. Були отримані залежності максимальних головних і приведених дотичних напружень від азимутальної орієнтації, приклад яких приведено на рис. 3. Видно, що існує таке оптимальне азимутальне положення головних осей монокристала стосовно осей лопатки в площині її поперечного перетину, при якому має місце мінімальний рівень напружень і статична міцність лопатки максимальна. Однак відхилення поздовжньої осі від кристалографічного напрямку <001> приводить до того, що зростає не тільки рівень напружень, але і збільшується вплив азимутальної орієнтації на напруженість лопатки. Крім того, змінюється і вид розподілів максимальних головних і приведених дотичних напружень у залежності від азимутальної орієнтації лопатки, внаслідок чого встановлене її оптимальне положення вже не буде відповідати мінімальному рівню максимальних напружень.

За результатами проведених розрахунків також було підтверджено, що для охолоджуваних лопаток, які характеризуються великими перепадами температур по перетину, неможливо забезпечити сприятливу кристалографічну орієнтацію у всіх точках зовнішнього і внутрішнього їх контурів.

Використовуючи визначені залежності, були отримані розподіли максимальних значень головних і приведених дотичних напружень при співпаданні поздовжньої осі лопатки з кристалографічним напрямком <001> та її відхиленні в різних напрямках, які представлено на рис. 4.

Встановлено, що при наявності такого відхилення поздовжньої осі існує найбільш несприятливий його напрямок, при якому має місце максимальний рівень напружень лопатки. Так, наприклад, при відхиленні на = 200 у напрямку між вхідною кромкою і спинкою величина максимальних головних напружень зростає в 1. 2 рази, а при такому відхиленні в напрямку між вхідною кромкою і коритом у 1. 3 рази зростають максимальні приведені дотичні напруження.

Досвід виробництва монокристалічних лопаток показує, що внаслідок можливих порушень технології виробництва монокристалічні лопатки відливаються з відхиленням поздовжньої осі на кут , який перевищує 200. Тому був проведений аналіз найбільш небезпечних напрямків відхилення, а саме уздовж границь стереографічного трикутника <001>-<011> і <001>-<111>. З представлених на рис. 5 даних випливає, що відхилення поздовжньої осі лопатки на = 200 в напрямку <011> може привести до зниження статичної міцності в 1. 3, а в напрямку <111> - 1. 6 рази. При цьому характер зміни максимальних приведених дотичних напружень при відхиленні осі лопатки від напрямку <001> обумовлюється не тільки зміною механічних властивостей матеріалу, що характерно для максимальних головних напружень, але й особливостями механізмів його деформування і руйнування в залежності від КГО.

Аналогічні дослідження були виконані для неохолоджуваної лопатки, характерною рисою якої є відсутність великих перепадів температур по перетину і виникнення високих напружень кручення внаслідок розкручування лопатки під дією відцентрових сил. У даному випадку розрахунки проводилися в припущенні, що вісь лопатки співпадає з кристалографічним напрямком <001> чи <111>, оскільки в цих напрямках вона має найкраще поєднання механічних властивостей в існуючому температурно-часовому діапазоні умов експлуатації.

З огляду на зазначені особливості та враховуючи зсувний механізм деформування і експериментальну залежність критичних напружень зсуву від температури та часу до руйнування, на основі отриманих розподілів максимальних головних і приведених дотичних напружень у найбільш небезпечних перетинах пера, були визначені коефіцієнти запасу К, що відповідають розрахунковим КГО, значення яких приведені на рис. 6 у вигляді діаграми. Встановлено, що відхилення поздовжньої осі лопатки від напрямку <001> до напрямку <111> приводить до зниження її статичної міцності в 1. 2-1. 3 рази і, як наслідок, зменшенню надійності і ресурсу. При цьому імовірність руйнування в тій чи іншій зоні пера лопатки залежить від її КГО, як аксіальної, так і азимутальної, оскільки зміна азимутальної орієнтації лопатки може привести до зміни небезпечної зони лопатки, якій відповідає мінімальний коефіцієнт запасу міцності.

На прикладі неохолоджуваної лопатки було розглянуто також вплив азимутальної орієнтації на напруженість її хвостовика. Показано, що зміна зазначеної орієнтації практично не впливає на рівень максимальних головних напружень у хвостовику, хоча для лопатки з кристалографічним напрямком <111> в порівнянні з <001> він у 1. 3 рази нижче. При цьому її вплив на рівень максимальних приведених дотичних напружень складає 13%, а їх різниця для лопаток із КГО <111> і <001> не перевищує 7%.

На основі проведеного аналізу результатів досліджень з вивчення впливу КГО на статичну міцність робочих лопаток турбін з урахуванням конструктивно-технологічних і експлуатаційних факторів розроблені рекомендації з раціонального вибору КГО щодо підвищення їх надійності і ресурсу.

Аналіз стану бандажованих робочих лопаток після експлуатації ГТД показує, що в ряді випадків спостерігається інтенсивне вироблення контактуючих поверхонь полиць, поява тріщин і залишкових напружень, зміна їх геометрії та втрата натягу. Тому, внаслідок відсутності досить достовірних методик прогнозування надійної роботи бандажних полиць протягом необхідного ресурсу, виникла необхідність у вивченні впливу особливостей взаємодії лопаток по бандажних полицях на їх напружений стан з урахуванням характерних для них експлуатаційних режимів навантаження, результати якого представлені в четвертому розділі.

Характерне для сучасних ГТД підвищення температури газу перед турбіною обумовлює зростання швидкості повзучості і, як наслідок, збільшення темпу накопичення її деформацій. На основі проведених досліджень було встановлено, що внаслідок цього спостерігається зменшення натягу по бандажних полицях і виникнення залишкового розвороту пера робочих лопаток турбіни в умовах експлуатації двигуна, а також значний перерозподіл і зміна рівня їх напружень. Зі зростанням напрацювання двигуна, незалежно від температури газу перед турбіною, відбувається зменшення напружень у пері лопатки. Але його темп істотно залежить від перетину лопатки і температури газу перед турбіною. Отримані закономірності дозволяють прогнозувати величини залишкового розвороту лопатки, втрату натягу по контактуючим поверхням бандажних полиць і зміни напруженості лопаток ще на стадії проектування двигуна.

Основною умовою ефективності бандажування робочих лопаток є гарантований натяг по контактуючим поверхням їх полиць на всіх режимах роботи двигуна протягом заданого ресурсу, що значною мірою визначається величиною попереднього монтажного натягу. Тому були проведені обчислювальні експерименти, за результатами яких отримані залежності контактних напружень по полицях і максимальних головних напружень у різних перетинах пера лопатки від напрацювання двигуна для значень монтажного натягу, рівних 0. 1; 0. 2 і 0. 3 мм. Встановлено, що зі зростанням напрацювання відбувається зменшення зазначених характеристик напруженого стану лопаток і його швидкість тим вище, чим більша величина монтажного натягу. Слід зазначити, що, як видно з приведених залежностей, характер зміни максимальних головних напружень від напрацювання залежить як від величини монтажного натягу, так і перетину лопатки, який розглядається.

Збільшення величини монтажного натягу може обумовити також зростання величини залишкового розвороту і, як наслідок, зменшення натягу по полицях, внаслідок чого його ефективність знижується.

Використовуючи отримані результати розрахунків, була показана можливість вибору на стадії проектування двигуна такого попереднього монтажного натягу, який забезпечував би гарантований натяг по бандажних полицях протягом необхідного ресурсу робочих лопаток.

Інтенсивне вироблення контактуючих поверхонь, а також характер дефектів свідчать як про наявність контактних напружень, так і процесів тертя. Тому знання закономірностей його впливу на напруженість робочих лопаток турбін є необхідною умовою при розробці заходів щодо забезпечення їх надійності.

Використовуючи розроблені розрахункові моделі взаємодії контактуючих поверхонь бандажних полиць і замкових з'єднань, були виконані розрахунки з визначення закономірностей впливу тертя контактуючих поверхонь на напружений стан робочих лопаток турбін. Показано, що зміна величини коефіцієнта тертя в одному із з'єднань лопаток (бандажному чи замковому) при незмінній його величині в іншому не викликає істотного впливу на напруженість пера лопатки.

З отриманих даних випливає, що збільшуючи величину коефіцієнта тертя в замковому з'єднанні, можна зменшити в ньому рівень контактних напружень і тим самим підвищити надійність і довговічність лопаточного апарату. Крім того, необхідний рівень контактних напружень в бандажному з'єднанні може бути досягнуто не тільки за рахунок збільшення попереднього монтажного натягу, що, як правило, приводить до росту напруженості лопатки, але і за рахунок вибору коефіцієнта тертя в зоні контакту бандажних полиць.

Показано, що напруженість бандажних полиць в процесі експлуатації двигуна піддається значним змінам. Основною причиною такого явища є процес повзучості матеріалу в умовах підвищених температур і навантажень, що обумовлює високі залишкові напруження в бандажних полицях, які можуть значно впливати на роботоздатність розглянутих робочих лопаток турбін. Встановлено теж, що повзучість матеріалу впливає не тільки на напруженість бандажних полиць в процесі експлуатації, але і змінює їх форму.

Таким чином, можна зробити висновок, що знання встановлених закономірностей дозволить підвищити достовірність прогнозування надійності і довговічності робочих лопаток. З іншої сторони, це забезпечить усунення можливості виникнення в бандажних полицях високих залишкових напружень в процесі експлуатації, як однієї з причин появи статичних чи втомних тріщин у лопатках і їх руйнування.

У п'ятому розділі представлені результати проведених розрахунково-експериментальних досліджень з визначення закономірностей впливу кристалографічної орієнтації на формування спектра власних коливань монокристалічних робочих лопаток турбін та їх опору втомі.

Порівняння результатів обчислювальних експериментів з даними випробувань лопаток на вібростенді підтвердило правомірність запропонованих розрахункових моделей. Розбіжність експериментальних даних з чисельними результатами у першу чергу пояснюється тим, що для реальних лопаток характерне відхилення їх поздовжньої осі від кристалографічного напрямку <001>.

Для підтвердження висновку про причини розкиду експериментальних даних були проведені обчислювальні експерименти із встановлення закономірностей впливу зміни кристалографічної орієнтації поздовжньої осі лопаток на частоти їх власних коливань. Рішення цієї задачі здійснювалося в рамках стереографічного трикутника <001>-<011>-<111>. Виходячи з характеру зміни модулів пружності першого та другого роду матеріалу в його межах, розглядалося тільки можливе відхилення поздовжньої осі лопатки від кристалографічного напрямку <001> уздовж границь <001>-<011> і <001>-<111>. Результати виконаних розрахунків представлялися у вигляді залежностей власних частот деяких форм їх коливань від величини кутів ц і б, що характеризують азимутальну й аксіальну орієнтації лопатки відповідно. Їх аналіз показав, що вплив азимутальної орієнтації на розкид власних частот коливань розглянутих лопаток незначний. Більш істотний вплив викликає аксіальна орієнтація, який для охолоджуваної лопатки менш значний, ніж для неохолоджуваної. Але для неохолоджуваної лопатки зміна КГО може впливати не тільки на спектр власних частот, але і на форми коливань. Так, якщо для охолоджуваної лопатки максимальна величина розкиду власних частот розглянутих форм її коливань не перевищує 11%, то для неохолоджуваної вона досягає 38%. При цьому має місце тенденція до зменшення впливу аксіальної орієнтації на розкид власних частот лопаток із зростанням номера форми їх коливань.

Показано, що обмеження існуючого допуску на відхилення поздовжньої осі лопатки від напрямку <001> з 20о до 10о дозволить підвищити ресурс лопаток. Крім того, в даному випадку виникає можливість відокремити розкид частот коливань лопаток, обумовлений технологічними допусками в розмірах на виготовлення лопаток, з таким, який пов'язаний з їх КГО.

На формування спектра власних частот коливань монокристалічних лопаток крім кристалографічної орієнтації істотно впливають такі експлуатаційні фактори, як температура і частота обертання ротора. Наочно це видно із отриманих частотних діаграм, приклад яких приведений на рис. 8, де заштриховані області характеризують можливий розкид власних частот відповідних форм коливань лопаток, обумовлений зміною їх КГО з урахуванням впливу температури і частоти обертання ротора.

Аналіз результатів проведених обчислювальних експериментів показав, що величина зміни власних частот коливань монокристалічних лопаток на робочих режимах двигуна в першу чергу визначається температурою і складає для охолоджуваних лопаток 12-14%, а неохолоджуваних - 11-13%. При цьому її вплив мало залежить від КГО лопаток. Що стосується частоти обертання ротора, то в порівнянні з температурою її вплив на зміну власних частот коливань охолоджуваної лопатки менш суттєвий. Не спостерігається також вплив КГО на їх величину при зміні частоти обертання. Для неохолоджуваної лопатки характерне зменшення впливу частоти обертання ротора на зміну власних частот коливань лопатки з 31% до 2% зі зростанням номера форми її коливань і воно істотно залежить від КГО лопатки. Діапазон розкиду власних частот кожної з розглянутих форм коливань лопаток внаслідок зміни їх КГО більше залежить від форми коливань і менше від температури та частоти обертання ротора.

Таким чином, обмеження відхилення поздовжньої осі лопатки від напрямку <001> дозволяє значно зменшити розкид власних частот коливань, знижуючи тим самим імовірність попадання окремих лопаток у резонансний стан на робочих режимах двигуна і зростання рівня їх динамічних напружень. Крім того, істотно спрощується відстроювання від небезпечних резонансних режимів експлуатації.

Внаслідок значної анізотропії характеристик механічних властивостей монокристалічних матеріалів їх використання, як одного з можливих способів підвищення опору втомі робочих лопаток турбін, викликає необхідність уточнення існуючих, а також розробки нових методів з визначення та оцінки їх границі витривалості.

На відміну від лопаток з рівноосною структурою, використання монокристалічних лопаток вимагає проведення втомних випробувань їх партій для кожної із заданих КГО. Тому був розроблений метод визначення границі витривалості таких лопаток, який дозволяє визначати її з будь-якою заданою КГО при істотному скороченні витрат на проведення випробувань. Його основні положення полягають у наступному:

Спочатку, застосовуючи розроблені тривимірні скінченноелементні моделі монокристалічних лопаток, проводиться розрахунок спектру їх власних коливань в залежності від кристалографічної орієнтації.

Використовуючи форму коливань як масштабний множник, визначається коефіцієнт перерахунку напружень К () у будь-якій точці пера для будь-якої КГО з урахуванням механізмів деформування і руйнування монокристалів жароміцних нікелевих сплавів.

Використовуючи розрахункові залежності коефіцієнта перерахунку напружень від положення кристалографічних осей, досить показань тензорезистора, розміщеного в зручному місці пера лопатки будь-якої кристалографічної орієнтації, щоб визначити границю витривалості лопатки з іншою заданою кристалографічною орієнтацією.

Для апробації запропонованого способу спочатку було проведено порівняння результатів розрахункового та експериментального визначення частот коливань і відносних динамічних напружень охолоджуваної лопатки при її випробуваннях на вібростенді за першою згинною формою коливань. Задовільне узгодження отриманих результатів підтвердило можливість його використання.

Далі були виконані розрахунки з визначення коефіцієнту перерахунку при коливаннях за першою згинною і крутною формами, як такими, що найчастіше збуджуються в умовах експлуатації ГТД. Як приклад їх результатів, на рис. 9 приведені залежності коефіцієнта перерахунку за приведеними дотичними напруженнями від положення кристалографічних осей для неохолоджуваної лопатки при коливаннях за першою згинною формою. Встановлено, що зміна величини коефіцієнта перерахунку за приведеними дотичними напруженнями для неохолоджуваної лопатки при зміні азимутальної орієнтації не перевищує 7%, а аксіальної від напрямку <001> до <111> - досягає 24%.

Для охолоджуваної лопатки результати розрахунків показали, що зони руйнування можуть знаходитися як на зовнішньому її контурі, так і на внутрішній поверхні стінок. Зміна величини коефіцієнта перерахунку за приведеними дотичними напруженнями у розглянутому діапазоні зміни азимутальної орієнтації в кожній конкретній зоні лопатки не перевищує 10%, що свідчить про незначний її вплив на границю витривалості лопатки. Зміна ж аксіальної орієнтації обумовлює більш істотний вплив на зміну величини коефіцієнта перерахування. Так, наприклад, у внутрішньому каналі з боку вхідної кромки вона досягає 70%. При цьому слід зазначити, що характер такої зміни в кожній конкретній зоні пера різний і, на відміну від неохолоджуваної лопатки, імовірність руйнування в тій чи іншій її зоні залежить від КГО.

Дані втомних випробувань з визначення впливу КГО вибраних лопаток на границю їх витривалості наведені в таблиці. Вони якісно узгоджуються з результатами обчислювальних експериментів, що підтверджує можливість розрахункового визначення границь витривалості монокристалічних лопаток з урахуванням їх КГО.

Аналогічні результати були отримані і для випадку коливань лопаток за першою крутною формою. Було встановлено, що, як і для згинної форми коливань, опір втомі монокристалічних лопаток значною мірою залежить від аксіальної орієнтації. Однак, на відміну від згинної форми коливань, де зміна азимутальної орієнтації обумовлювала незначну зміну границі витривалості, в даному випадку цей вплив більш істотний і складає для неохолоджуваної лопатки 23%, а охолоджуваної - 28%. Крім того, імовірність руйнування в тій чи іншій зоні пера лопатки залежить від її КГО і форми коливань. Таким чином, обмеження існуючого допуску на відхилення поздовжньої осі лопатки від напрямку <001> дозволить значно зменшити розкид величини границі витривалості та імовірність постановки на двигун монокристалічних робочих лопаток з її низьким значенням.

Таблиця

Результати втомних випробувань монокристалічних лопаток

Діапазон зміни кута відхилення б поздовжньої осі від напрямку <001>	Відносна деформація е-1, %
	Неохолоджувана лопатка	Охолоджувана лопатка
б<20	1, 5	0, 90
20<б<40	1, 2	0, 65
б>40	1, 4	0, 75

На підставі виконаних обчислювальних експериментів було здійснено ряд конструкторських заходів щодо зниження рівня напружень у небезпечних зонах пера лопаток. Їх проведення дозволило не тільки домогтися зниження рівня напружень на 26%, але й не допустити зниження статичної міцності лопаток. Втомні випробування лопаток удосконаленої конструкції показали, що внаслідок впровадження запропонованих заходів було забезпечено підвищення границі витривалості лопаток з у-1=140 МПа до у-1=180 МПа (на 28, 5%) і, як наслідок, помітне зростання їх надійності та довговічності.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Розроблено тривимірні скінченноелементні моделі охолоджуваних і неохолоджуваних монокристалічних робочих лопаток турбін, для визначення НДС яких здійснена адаптація розрахункових методів на основі МСЕ, а також запропонована модель взаємодії лопаток по контактуючим поверхням бандажного і замкового з'єднань, яка дозволяє враховувати виникаючі в експлуатації можливі контактні умови, досліджувати і прогнозувати їх зміну.

Встановлено закономірності впливу кристалографічної орієнтації на НДС монокристалічних лопаток і розроблені рекомендації з її раціонального вибору для забезпечення підвищення надійності і ресурсу розглянутих робочих лопаток турбін. Показано, що незалежно від виду лопатки (охолоджувана чи неохолоджувана) найбільш сприятливим з погляду як розподілу, так і рівня виникаючих напружень є напрямок кристалізації <001>.

Показано, що підвищення температури газу перед турбіною, яке викликає значне зростання швидкості повзучості і темпу накопичення її деформацій, обумовлює зменшення натягу по бандажним полицям і виникнення залишкового розвороту пера робочих лопаток турбін, а також значний перерозподіл і зміну рівня напружень в пері лопатки та підвищення напруженості бандажних полиць. Зі зростанням напрацювання двигуна, незалежно від температури газу перед турбіною, відбувається зменшення напружень у пері лопаток, темп зниження яких істотно залежить від перетину лопатки і температури газу перед турбіною.

Встановлено закономірності впливу тертя контактуючих поверхонь бандажних полиць і замкових з'єднань на напружений стан робочих лопаток турбін. Показано, що зміна коефіцієнта тертя в одному із з'єднань лопаток (бандажному чи замковому) при незмінній його величині в іншому істотно не впливає на напруженість пера лопатки.

Отримані закономірності впливу кристалографічної орієнтації, а також таких експлуатаційних факторів як температура і частота обертання ротора на формування спектра власних частот і форм коливань монокристалічних робочих лопаток турбін.

Запропоновано розрахунково-експериментальний метод визначення границі витривалості монокристалічних лопаток.

Розроблені розрахункові моделі охолоджуваних і неохолоджуваних лопаток турбін, встановлені закономірності впливу кристалографічної орієнтації монокристалічних матеріалів на їх НДС з урахуванням експлуатаційних режимів навантаження і запропоновані рекомендації з раціонального вибору кристалографічної орієнтації знайшли безпосереднє застосування при встановленні і подовженні ресурсу робочих лопаток турбін серійних двигунів Д-18Т, Д-436, ТВ3-117ВМА-СБМ1, а також створюваних перспективних двигунів Д-27, АИ-222-25, АИ-450, АИ-22, що підтверджується відповідними актом впровадження і довідкою використання.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертаційної роботи

Колесников В.И., Придорожный Р.П. К ресурсному проектированию монокристаллических охлаждаемых лопаток турбины // Тр. Междунар. науч. -техн. конф. «Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования», Харьков, 29 сент. -2 окт., 1997. - Харьков: ИПМ НАН Украины, 1997. С. 522 - 526.

Здобувачем запропоновані підходи до визначення ресурсу монокристалічних лопаток турбін.

Колесников В.И., Придорожный Р.П., Шереметьев А.В. Влияние кристаллографической ориентации на статическую прочность и сопротивление усталости монокристаллических рабочих лопаток // Авіційно-космічна техніка і технологія. - 2001. - Вип. 26. - С. 132 - 135.

Здобувачем проведено дослідження впливу орієнтації осей монокристала на статичну і динамічну міцність лопаток турбін.

Придорожный Р.П. Расчетное исследование объемного напряженного состояния монокристаллической охлаждаемой лопатки турбины // Авіційно-космічна техніка і технологія. - 2002. - Вип. 34. - С. 119 - 123.

Здобувачем проведено розрахунки з визначення раціональної кристалографічної орієнтації, що забезпечує максимальний ресурс охолоджуваної лопатки в експлуатації.

Придорожный Р.П., Шереметьев А.В. Влияние кристаллографической ориентации на объемное напряженно-деформированное состояние монокристаллической неохлаждаемой лопатки турбины // Вестник двигателестроения. - 2003. - № 1. - С. 47 - 51.

Здобувачем проведено дослідження напруженого стану і визначення можливості оптимізації аксіальної та азимутальної орієнтацій неохолоджуваної лопатки з урахуванням механізмів деформування і руйнування монокристалів жароміцних нікелевих сплавів.

Придорожный Р.П. Использование метода конечных элементов для определения потери натяга по контактным граням бандажных полок и остаточного разворота лопаток с учетом ползучести // Авіційно-космічна техніка і технологія. - 2003. - Вип. 40/5. - С. 109 - 113.

Здобувачем проведено визначення впливу повзучості на втрату натягу по контактних поверхнях бандажних полиць в процесі експлуатації.

Придорожный Р.П. Расчетное определение ориентационной зависимости динамических характеристик монокристаллических лопаток // Вібрації в техніці та технологіях. - 2004. - №6 (38). - С. 51 - 53.

Здобувачем проведено дослідження впливу кристалографічної орієнтації на частоту власних коливань і границю витривалості лопаток.

Придорожный Р.П., Шереметьев А.В., Артюшенко А.Н. Динамика изменения напряженности бандажных полок в условиях повышенных температур // Вестник двигателестроения. - 2004. - № 2. - С. 124 - 127.

Здобувачем проведено вивчення динаміки зміни напружено-деформівного стану бандажної полиці охолоджуваної робочої лопатки турбіни високого тиску в процесі експлуатації.

Придорожный Р.П., Шереметьев А.В., Якушев Ю.В. Моделирование контактного взаимодействия и расчет напряжений в зоне контакта бандажных полок и замкового соединения лопатки турбины // Вестник двигателестроения. - 2004. - № 4. - С. 72 - 76.

Здобувачем проведено дослідження можливості оптимізації напруженого стану лопатки з урахуванням тертя на контактних поверхнях бандажних полиць і замкового з'єднання.

Придорожный Р.П., Шереметьев А.В. Улучшение эффективности охлаждения турбинных лопаток изменением положения охлаждающего канала // Вестник двигателестроения. - 2005. - № 1. - С. 9 - 11.

Здобувачем проведено розрахунки з визначення раціонального розташування охолоджуючого каналу лопатки турбіни.

Придорожный Р.П., Шереметьев А.В. Особенности влияния кристаллографической ориентации на усталостную прочность монокристаллических рабочих лопаток турбин // Авиационно-космическая техника и технология. - 2005. - № 10 (26). - С. 55 - 59.

Здобувачем розроблено метод визначення границі витривалості монокристалічних лопаток і проведено дослідження їх опору втом.

Придорожный Р.П. Обеспечение прочности монокристаллических лопаток турбин методами физического моделирования // Тез. докл. Всерос. науч. -техн. конф. молодых учен. и специал. «Проблемы создания перспективных авиационных двигателей», Москва, 27 - 30 сент., 2005. - Москва: ЦИАМ, 2005. С. 298 - 300.

Здобувачем проведено дослідження впливу кристалографічної орієнтаці матеріалу на міцність монокристалічних лопаток.

Придорожный Р.П., Шереметьев А.В., Зиньковский А.П. Влияние монтажного натяга на напряженно-деформированное состояние турбинной лопатки и потерю натяга по полкам в процессе эксплуатации // Авиационно-космическая техника и технология. - 2006. - № 8 (34). - С. 95 - 99.

Здобувачем проведено дослідження і аналіз впливу монтажного натягу по бандажних полицях і повзучості на напружений стан лопатки.

Придорожный Р.П., Шереметьев А.В., Зиньковский А.П. Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных частот и форм колебаний монокристаллических рабочих лопаток турбин // Вестник двигателестроения. - 2006. - № 2. - С. 42 - 48.

Здобувачем досліджено вплив температури і частоти обертання ротора на спектр власних частот і форм коливань монокристалічних лопаток.

Придорожный Р.П., Шереметьев А.В., Якушев Ю.В. Возможность повышения усталостной прочности и ресурса охлаждаемых рабочих лопаток турбины расчетным методом // Надійність і довговічність машин і споруд. - 2006. - № 27. - С. 38 - 44.

Здобувачем досліджено вплив форми коливань і кристалографічної орієнтації на зміну напруженого стану і границі витривалості лопаток.

АНОТАЦІЯ

Придорожний Р.П. Вплив кристалографічної орієнтації монокристалічних матеріалів на напружений стан робочих лопаток турбін. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05. 02. 09 - Динаміка та міцність машин. ДП ЗМКБ «Прогрес» ім. О. Г. Івченка, Запоріжжя, 2008.

У роботі викладені результати розрахунково-експериментальних досліджень щодо встановлення закономірностей статичного і динамічного станів монокристалічних робочих лопаток турбін газотурбінних двигунів з урахуванням впливу орієнтаціонної анізотропії матеріалів і експлуатаційних режимів навантаження. Описано тривимірні скінченноелементні моделі охолоджуваних і неохолоджуваних лопаток, а також їх взаємодії по контактних поверхнях бандажного і замкового з'єднань. На підставі встановлених закономірностей впливу конструктивно-технологічних і експлуатаційних факторів на НДС монокристалічних лопаток розроблені рекомендації з раціонального вибору КГО, які забезпечують додаткове підвищення надійності і ресурсу лопаток та дозволяють обґрунтовано призначати гранично припустимі відхилення КГО від заданої щодо забезпечення їх міцності. Представлено результати досліджень з визначення впливу тертя контактуючих поверхонь бандажного і замкового з'єднань на напружений стан лопаток. Встановлено закономірності впливу КГО, а також таких експлуатаційних факторів, як температура і частота обертання ротора на формування спектра власних коливань монокристалічних лопаток. Описано основні положення розробленого розрахунково-експериментального методу визначення границі витривалості таких лопаток. Отримані автором результати знайшли використання при проектуванні, а також встановленні і подовженні ресурсу робочих лопаток турбін сучасних ГТД.

Ключові слова: робочі лопатки турбін, монокристалічні матеріали, кристалографічна орієнтація, напружено-деформівний стан, спектр власних коливань, границя витривалості.

Аннотация

Придорожный Р.П. Влияние кристаллографической ориентации монокристаллических материалов на напряженное состояние рабочих лопаток турбин. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 02. 09 - Динамика и прочность машин. ГП ЗМКБ «Прогресс» им. А. Г. Ивченко, Запорожье, 2008.

В работе изложены результаты расчетно-экспериментальных исследований по установлению закономерностей статического и динамического состояний монокристаллических рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей с учетом влияния ориентационной анизотропии материалов и эксплуатационных режимов нагружения. Описаны трехмерные конечноэлементные модели охлаждаемых и неохлаждаемых лопаток, а также их взаимодействия по контактным поверхностям бандажного и замкового соединений. На основании установленных закономерностей влияния конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов на НДС монокристаллических лопаток разработаны рекомендации по рациональному выбору КГО, которые позволяют получить дополнительное повышение надежности и ресурса работы лопаток и обосновано назначать предельно допустимые отклонения КГО от заданной с точки зрения обеспечения их прочности. Представлены результаты исследований по определению влияния трения контактирующих поверхностей бандажного и замкового соединений на напряженное состояние лопаток. Установлены закономерности влияния КГО, а также таких эксплуатационных факторов, как температура и частота вращения ротора на формирование спектра собственных колебаний монокристаллических лопаток. Описаны основные положения разработанного расчетно-экспериментального метода определения предела выносливости таких лопаток. Полученные автором результаты нашли применение при проектировании, а также установлении и продлении ресурса рабочих лопаток турбин современных ГТД.

Ключевые слова: рабочие лопатки турбин, монокристаллические материалы, кристаллографическая ориентация, напряженно-деформированное состояние, спектр собственных колебаний, предел усталости.

Аbstract

Pridorozhny R.P. The influence of crystallographic orientation of monocrystalline materials on the stress state of turbine rotor blades. - Manuscript.

Thesis for the degree of a Candidate of Technical Science in speciality 05. 02. 09 - Dynamics and strength of machines. ZKMB «Progress», Zaporozhie, 2008.

The manuscript presents the results of calculation and experimental investigations aimed at establishing the regularities in the static and dynamic states of monocrystalline rotor blades of gas turbine engines taking into account the influence of the material orientation anisotropy and service loading conditions. 3D finite element models for cooled and uncooled blades are described as well as their interaction along the contact surfaces of the shroud and interlocking joints. Based on the established regularities in the influence of the design, manufacturing and in-service factors on the stress-strain state of monocrystalline rotor blades, recommendations have been elaborated as to the rational choice of Crystallographic Orientation (CGO), which make it possible to obtain an additional increase in the blade reliability and service life and specify reasonably the maximum permissible deviations of the CGO from the prescribed one from the viewpoint of ensuring their strength. Also presented are the results of investigations into the influence of the friction of contact surfaces of the shroud and interlocking joints on the blade stress state. The regularities in the influence of the CGO, as well as of the service factors such as temperature and rotor speed, on the formation of the natural vibration spectrum of monocrystalline blades have been established. Basic theses of the developed calculation and experimental method for determining the fatigue limit for such blades are described. The results obtained by the author have found application in designing turbine rotor blades of modern GTE, as well as in the determination of their service life and its extension.

Размещено на Allbest. ru

...