CC BY
11
УДК 539.4+621.438
Б. А. Грязное, И. С. Пиняк
ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ ВОЗРАСТАЮЩИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ТЕПЛОВОГО И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ
КОНСТРУКЦИЙ
Максимальные значения величин на линейной зависимости между возрастающими температурным градиентом и термическими напряжениями в точке указывает на момент интенсивного трещинообразования в ней и экстремальную величину воздействующего фактора (факторов).
Введение
Модернизированная газотурбинная установка ГТК-10-4 работает в качестве привода на компрессорных станциях магистральных газопроводов [1]. Она работает в стационарном (установившемся во времени) и нестационарном (пуске, останове и переменном - неустановившемся во времени) тепловых режимах. Остановка газотурбинной установки (аварийное отключение) вызывает резкое охлаждение рабочих лопаток, что приводит к появлению в них наиболее опасных зон растягивающих термических напряжений [2]. Наиболее опасная зона лопатки является локальным очагом ее разрушения [2, 3]. При запуске газотурбинной установки происходит резкий нагрев лопаток, что также вызывает появление локальных зон, но уже сжимающих напряжений, которые несут меньшую опасность зарождения трещин [3]. Установившемуся режиму характерно появление опасных зон растягивающих, а неустановившемуся - сжимающих и растягивающих термических напряжений небольшого значения [3]. Таким образом, наиболее опасным тепловым режимом работы газотурбинной установки ГТК-10-4 является режим ее остановки.
Для каждого теплового режима лопаткам (лопатке) свойственно свое температурное поле. Параметром, характеризирующим на локальном уровне за весьма короткое время (секунды, доли секунды) режима температурное поле лопатки является температурный градиент дгаСГ,К/м (вектор, показывающий направление наискорейшего изменения температуры от одной точки лопатки к другой) [2]. Темпера -турное поле лопатки изменяется с разной скоростью охлаждения или нагрева в течении теплового режима и обусловливает наиболее опасную локальную зону с максимальными растягивающими или сжимающими термическими напряжениями. Распределение в лопатке напряжений определяет ее напряженно-деформированное состояния (НДС).
Расчет НДС при резком охлаждении (остановке газотурбинной установки) лопатки 1 ступени турбины высокого давления ГТК-10-4 (рис. 1), рас-
пределения на ее поверхности температурных градиентов (рис. 2) и скорости охлаждения лопатки в точках А, Б, С, Д, Е, Ж (рис. 3) выполнен с помощью программы "ишдгарЫсэ" твердотельного моделирования геометрической модели (рис. 4) и программного комплекса ДЫБУБ в работе [2].
370
248
126
-118
-240
/ -__ 7Г
1 V -
Г
А
1
14
28
42
56 Т, с
Рис. 1. Напряжения в точках пера лопатки [2]
етас! Т,
32
24
103КУм
16
\
ТР? Б
| ■-- —
16
32
48
64 Т, с
Рис. 2. Градиенты в точках пера лопатки [2]
© Б. А. Грязнов, И. С. Пиняк 2006 г.
- 54 -
800
680
560
440
320
200
]
N
1
А „ Д
в
Ж с
Ь,
14
28
42
56 Т. с
Рис. 3. Тепловой режим лопатки [2]
напряжений соответственно как локальной характеристики температурного поля и характеристики напряженно-деформированного состояния лопатки. Изучали влияние на их значения коэффициента конвективного теплообмена, толщины кромок пера лопатки и температуры потока продуктов сгорания.
Анализ графических зависимостей между температурным градиентом и термическими напряжениями (рис. 5) позволил определить на возрастающем участке, несущем опасность кратковременного зарождения трещины (точка С), их функциональную зависимость. Зависимость при растягивающих термических напряжениях имеет следующий вид
= кх ■ {ёга^Тх
(1)
Рис. 4. Геометрическая модель лопатки [2]
Геометрическая модель лопатки газотурбинной установки ГТК-10-4, а также расчет ее теплового и напряженно-деформированного состояния при установившемся и неустановившемся (переменном) тепловом режимах приведены в работе [3].
Возрастающий температурный градиент харак-теризирует на локальном уровне температурное поле, обусловливающее опасно напряженную зону (несущую опасность кратковременного зарождения трещины) с максимальным значением напряжений [2].
Такое толкование определило цель работы - установить кратковременную зависимость между возрастающими характеристиками теплового и напряженного состояний исследуемой лопатки.
Результаты исследований
Графические зависимости между температурным градиентом и термическими напряжениями в точках А, Б, С, Д на поверхностях пера лопатки 1 ступени турбины высокого давления ГТК-10-4 при ее резком охлаждении приведены на рис. 5 (зависимости строили совместно с Ровковым В.А.).
Проводили исследования, а также анализ значений температурного градиента и термических
где ъ1х - напряжения по оси г при воздействии фактора X; кх = 1,21 ...4,38 - коэффициент; дггдТх - температурный градиент; Т - участок возрастания температурного градиента; пх < 0,98 - показатель степени.
Температурный градиент в точке С входной кромки пера лопатки на 1 с охлаждения достигает наибольшего значения gradтC Т= 31,9К/мм (рис. 2, 5), а термические напряжения растяжения в ней равняются ъ\сС Т= 337,7МПа (рис. 1, 5). Значения максимальных температурных градиентов и напряжений в точках А, Б, Д намного ниже, чем в точке С. Они возникают позже, в разное время, и при незначительной неравномерности распределения температур на поверхности лопатки (рис. 3).
При охлаждении лопатки в течение времени 1.1,8 с значения температурного градиента в точке С уменьшились до величины
О"?, кГ/мм2 40
♦ - 1 К - 4
а - з / \
§1 ас! 1, К/мм
-20
Рис. 5. Зависимости между температурным градиентом и термическими напряжениями в точках: с (1), а (2), д (3), б (4); 5 - максимумы значений градиентов; ^ - направление изменения градиентов
/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 55 -
а
2, X
Ф= 27,7 К/мм, а напряжений - возросли
до ^с Т= 370МПа. Произошло плавное и незначительное подрастание уровня растягивающих термических напряжений в точке С входной кромки за счет увеличения неравномерности распределения температур на поверхности пера лопатки (рис. 3). При охлаждении лопатки в промежутке времени 1,8......3,4 с напряжения в точке С остаются постоянными ^'С"3'4 = 370 МПа, а градиент продолжает уменьшаться gradтCs^^3'4 Ф. После 3,4 с охлаждения лопатки напряжения в точке С входной кром-
3 4 I
ки пера начинают уменьшаться а2'с Ф.
Таким образом, при заданных параметрах исследования [2] в наиболее опасно напряженной зоне лопатки точке С температурный градиент достигает максимального, но не экстремального значения, поскольку термические напряжения продолжают возрастать под влиянием неравномерности температурного поля лопатки. Растягивающие термические напряжения в точках С, А, Д и сжимающие в точке Б не несут кратковременную опасность трещинообразования в лопатке.
Расчет НДС при неустановившемся тепловом режиме (переменном режиме) лопатки 1 ступени турбины высокого давления ГТК-10-4 (рис. 6) выполнен в работе [3], а распределения на ее поверхности температурных градиентов представлено на рис. 7.
Расчет производили при постоянном коэффициенте конвективного теплообмена Ь = 450 Вт/ м2К, температуре газовой среды при нагреве 1050 °С и охлаждении 300 °С, толщине входной кромки 9,8 мм и выходной 2,9 мм на длине 10 мм профиля пера лопатки при одинаковых радиусах. В данном случае максимумы значений возрастающих температурного градиента (gradтA Т= 77, 1К/мм ) и сжимающих термических
О 20 4 и 60 КО 100 т.с
Рис. 6. Напряжения в точках пера лопатки [3]
gra.il Т^Ю-'К/м
0 25 50 75 100 Т, с
Рис. 7. Градиенты в точках пера лопатки
напряжений (а1,А Т= 740 МПа) в точке А выходной
кромки наступают, одновременно, на 1 с нагрева. При этом графическая зависимость между возрастающим температурным градиентом и сжимающими термическими напряжениями в точке А становится линейной. Под влиянием указанных факторов X функциональная степенная зависимость (1) приобретает линейный вид
аг,* = кх \gradTx Т), (2)
а показатель степени пх = 1. Коэффициент пропорциональности зависимости (2) кх = -9,6.
Следовательно, максимумы значений температурного градиента и сжимающих термических напряжений на их линейной зависимости при экстремальной величине фактора X указывает на момент интенсивного образования термических трещин в наиболее опасно напряженной зоне элемента. Разрушенная рабочая лопатка в точке А с раскрытой термомеханической и закрытыми термическими трещинами показана в работе [3].
При установившемся тепловом режиме значения наибольшего температурного градиента gradTA = 10 ,8 К/мм , а растягивающих напряжений а г А = 350 МПа [3].
Заключение
Линейная зависимость между возрастающими температурным градиентом и термическими напряжениями в точке указывает на момент интенсивного трещинообразования в ней и экстремальную величину воздействующего фактора (факторов).
Список литературы
1. Фрейман В.Б., Тульский В.Ф. Уменьшение неравномерности температурного поля за камерой сгорания газотурбинного агрегата ГТК-10-4 // Энергомашиностроение, 1985. - №6. - С. 3-5.
2. Пиняк И.С., Белявин А.Ф., Ровков В.А. Тем -пературный градиент как локальная характе-
ристика температурного поля с опасными деформациями и напряжениями в образцах и элементах конструкций // Надмнють i дов-говiчнiсть машин i споруд. - 2006. - Вип.26. -С. 109-115.
3. Пиняк И.С, Белявин А.Ф., Махоткин А.В., Ров-ков В.А. Влияние температурных градиентов на деформации и напряжения в элементах конструкций // Вюник двигунобудування. - 2005.
- №3. - С. 31-36.
Поступила в редакцию 01.06.2006 г.
Максимальн1 значення величин на л1н1йн1й залежност1 м ¡ж зраостаючими температур-ним град1ентом i терм1чними напруженнями в точи,1 вказуе на момент ¡нтенсивного ут-ворювання трiщин в нй та екстремальну величину дiючого чинника (чинникiв).
The maximum values on the linear dependence between the increasing thermal gradient and thermal stresses in a point indicate the instance of intensive cracking in this point and the extreme value of the acting factor (factors).
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
57
