CC BY
28
УДК 539.4
Н. Г. Бычков, Ю. А. Ножницкий, А. Р. Лепешкин, А. В. Першин
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ ПЕРФОРИРОВАННЫХ МОДЕЛЕЙ ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК ТУРБИН С РАЗЛИЧНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ОХЛАЖДАЮЩИХ КАНАЛОВ
Приведен анализ экспериментальных исследований влияния угла наклона охлаждающих каналов на термоциклическую долговечность моделей лопаток турбин из монокристаллического сплава. При изменении угла наклона каналов к поверхности моделей от 90 до 30 ° термоциклическая долговечность понизилась в 2,3-5,2раз в зависимости от параметров комбинированного термомеханического нагружения. Приведены оценки долей статического и термоциклического повреждений материала моделей лопаток в зависимости от угла наклона охлаждающих отверстий при комбинированном термомеханическом нагружении. Предложены рекомендации для выбора параметров охлаждающих каналов лопаток турбин авиационных двигателей.
Введение
В обеспечении ресурса и надежности ГТД важное место занимает термоциклическая прочность лопаток турбин [1-3]. Широко используемые для изготовления лопаток никелевые сплавы в настоящее время работают при предельно допустимых температурах. Совершенствование методов внутреннего охлаждения деталей сопровождаются ростом их термонапряженности.
Для создания на наружной поверхности лопатки воздушной заградительной пленки в стенке изготавливаются охлаждающие каналы, наклоненные к поверхности, воздух из которых направляется вдоль стенки. Канал при этом становится весьма эффективным концентратором напряжений. Зависимость теоретического коэффициента концентрации напряжений от угла наклона канала показана на рис. 1 [4].
Результаты исследований
Экспериментальной оценке термоциклической долговечности моделей охлаждаемых лопаток при углах наклона 30 45 ° и 90 ° посвящена данная работа.
Модели лопаток коробчатой формы отливались из монокристаллического сплава ЖС-32 [001] (рис. 2). Охлаждающие каналы изготавливались электроэрозионным способом. Разогрев образцов производился индукционным методом на частоте 440 кГц.
Глубина прогреваемого слоя, на котором выделяется до 80 % тепловой энергии для деталей из сплава на основе никеля составляет » 0,1 мм, что хорошо имитирует поверхностный разогрев в газовом потоке продуктов сгорания. Наружная поверхность образца нагревалась специально спрофилированным индуктором с заданной
Рис. 1. Зависимость коэффициента концентрации напряжений от угла наклона к поверхности в
© Н. Г. Бычков, Ю. А. Ножницкий, А. Р. Лепешкин, А. В. Першин, 2009
- 54 -
неравномерностью. Воздух для охлаждения внутренней полости модели подавался через захваты. Характер изменения температурного поля в разогреваемом сечении в течении цикла показан на рис. 3.
Нагружение модельного образца растягивающей силой, имитирующей центробежную, осуществлялось сервогидравлическим нагружающим
устройством синхронно с циклом изменения температуры.
Структурная схема испытательной машины показана на рис. 4.
Результаты испытаний на термомеханическую усталость 4-х партий охлаждаемых образцов без перфорации и с перфорацией представлены в таблице 1.
Рис. 2. Конструкция модельного образца из сплава ЖС-32 MOHO [001] Т.°С
З.шш -
Рис. 3. Изменение температуры и нагрузки в цикле испытаний:
кривая 1 — режим изменения температуры на управляющей термопаре, 2 — изменение нагрузки на образцах без каналов, 3 — изменение нагрузки на образцах с каналами
Слив
Рис. 4. Структурная схема установки на базе ВЧГ4-25/0,44
Таблица 1 — Средняя термоциклическая долговечность «NЦ» моделей охлаждаемых рабочих лопаток турбин из монокристаллического сплава ЖС-32МОНО [001] при испытаниях по режиму ^шт^^шах = 400^1000 °С до образования трещины длиной 0,5 мм
Без отверстий С отверстиями 0 0,5 под углом к поверхности в
90° | 45° | 30°
Ораст = 0 кг/мм2
^=19097 ^=9261 | ^ = 7389 1 N = 1938
Ораст = 19 кг/мм2
Nu = 2101 Nu = 1448 | N = 659 1 N =276
Ораст = 28 кг/мм2
N = 536 N = 408 | N = 281 1 N = 176
Термоциклическая долговечность моделей охлаждаемых лопаток после изготовления вертикальных каналов, для которых теоретический коэффициент концентрации напряжений а0 ~3 (рис. 1), снизилась примерно в 2 раза при отсутствии осевой растягивающей силы. В случае комбинированного нагружения для враст =19 кг/мм2 в 1,5 раза, а для напряжений араст = 28 кг/мм2 в
1.3 раза.
Уменьшение угла наклона отверстий перфорации до 45 ° и 30 ° приводит к повышению коэффициента концентрации напряжений а0 до
3.4 и 7, сопровождающегося снижением термоциклической долговечности.
При отсутствии растягивающей силы Лр90/ К/5 =1,25 раза, а Лр90/ Л^30 =4,78. При комбинированном нагружении с растягивающими напряжениями о = 19 кг/мм2 — Лф90/ Лср45 =2,19, а Л90/ Лат0 =5,2. При напряжении о т = 28 кг/мм2 - Лср90/Лср45 =1,45, а Лр90/ ЛСр30 =2,3. Нагружение растягивающей силой, создающей враст =19 кг/мм2, увеличивает эффект снижения наработки при изменении угла наклона каналов с 90 ° до 45 ° и 30 ° до 2,19 и 5,2 соответственно. Увеличение статических растягивающих напряжений с 19 кг/мм2 до 28 кг/мм2 снижает эффективность концентрации напряже-
ний, т.е. Луи/ ЛСрМ уменьшилось с 5,2 до 2,3.
Доля термоусталостной наработки к моменту образования трещины в случае комбинирован-
—в0 В0
ного нагружения NCр = ——
N.
0=0
■ составит:
- при ораст = 19 кг/мм2 (оэкв « 34 кг/мм2 ): для образцов без отверстий Ыб!о = 0,11, для об-
разцов с р = 90 ° NСр = 0,156 , для в =45 N45° = 0,09, для в = 30° N,30° = 0,14;
р
при ораст = 28 кг/мм2 (оэкв « 38 кг/мм2 ):
экв
б/о
для образцов без отверстий N о = 0,028, для об
разцов с в = 90 ° N90° = 0,044 , для в = 45 ° N,4/ =
0,038, для в = 30° N30 = 0,091.
Повреждение от длительной прочности за время испытаний до образования трещины
г N
- 1нагр1у
у =- при наличии дополнительных растя-
гивающих напряжений определялось по методике [5]. Суммарные растягивающие напряжения в термоцикле составляли оэкв ~ 34 кг/мм2 и оэкв ~ 38 кг/мм2. Время до разрушения при испытаниях на длительную прочность сплава ЖС-32 определялось с использованием параметра Ларсе-на-Миллера. Для 1000 °С и оэкв = 34 кг/мм2, р = 15,8 часа а для оэкв = 38 кг/мм2 р = 3,16 часа. Таким образом доля длительного статического повреждения образца без отверстий к моменту образования трещины составляла при оэкв = 34 кг/мм2
1б/о = 0,11, а при оэкв = 38 кг/мм2 ^/о = 0,14.
Доля термоусталостной наработки « N »при комбинированном нагружении с растягивающими напряжениями 0раст = 19 КГ/мм2 и 0раст = 28 КГ/мм2
составляет: у моделей с отверстиями под углом в = 90 ° - Ж0=19 = 0,156, ^=28 = 0,044, с отверстиями под углом в = 45 ° — N0=ш = 0,09, No=28 = 0,035, с отверстиями под углом в = 30 ° — N^9 =
0,14, ^=28 = 0,091. Доли статического и термоциклического повреждений при комбинированном нагружении моделей из сплава ЖС-32МОНО [001] с наклоном охлаждающих каналов 30 ° при 0раст=28 кг/мм2 близки. Суммарное повреждение N + г при этом к моменту образования трещины существенно меньше 1 (менее 0,3). Линейный закон суммирования повреждений при оценке ресурса непригоден в условиях комбинированного термомеханического нагружения.
Аналогичные результаты наблюдались в работе [6], где суммарно накопленные повреждения SDj к моменту разрушения образцов из монокристалла с ориентировкой [001] испытанных по режиму 150^900 °С и 250^1000 °С, составило 0,11и0,43 соответственно.
Заключение
Экспериментально установлено, что уменьшение угла наклона охлаждающих отверстий с 90 ° до 30 ° в моделях лопаток турбин из монокристаллического сплава сопровождается снижением их термоциклической долговечности в 2,3...5,2 раза в зависимости от параметров комбинированного термомеханического нагружения.
Приведены оценки долей статического и термоциклического повреждений материала моделей лопаток в зависимости от угла наклона охлаждающих отверстий при комбинированном термомеханическом нагружении. Суммарная накопленная повреждаемость при термоциклическом нагружении монокристаллических моделей составляет 0,3.
На основании проведенных исследований циклической долговечности моделей лопаток с наклонными охлаждающими каналами не рекомендуется на лопатках турбин располагать охлаждающие каналы под углами 30 ° к поверхности.
Предложенную методику исследований можно использовать при разработке конструкций охлаждаемых лопаток турбин авиационных двигателей для выбора параметров охлаждающих каналов.
Перечень ссылок
1. Бычков Н. Г. Экспериментальная оценка эффективности ремонтных технологий охлаж-
даемых лопаток ГТД с жаростойкими покрытиями при испытаниях на термоусталость с индукционным нагревом / Н. Г. Бычков, А. Р. Лепешкин, А. В. Першин // Вестник дви-гателестроения. — 2006. — № 2. — С. 143—146.
2. Кувалдин А. Б. Скоростные режимы индукционного нагрева и термонапряжения в изделиях : Монография / А. Б. Кувалдин, А. Р. Лепешкин. — Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2006. - 286 с.
3. Бычков Н. Г. Методика испытаний лопаток турбин ГТД и моделей жаровых труб с керамическими ТЗП на термическую усталость / Н. Г. Бычков, А. Р. Лепешкин, А. В. Першин // Вестник двигателестроения. - 2008. - № 2. -С. 146-150.
4. Сухинин В. П. Концентрация напряжений в толстой пластине с косым отверстием / Су-хинин В. П., Волькович И. В., Лукина Э. В. // Проблемы прочности. — 1976. — № 9. — С. 5961.
5. Кинасошвили Р. С. Определение запаса прочности в общем случае нестационарных условий работы детали / Кинасошвили Р. С. // Вестник машиностроения. — 1964. — № 6.
6. Гецов Л. Б. Методы определения термоусталостной прочности деталей ГТУ / Л. Б. Гецов, А. И. Рыбников // Газотурбинные технологии. — 2007. — № 9. — С. 38—43.
Поступила в редакцию 29.06.2009
Наведено анал1з експерименталъних дослгдженъ впливу кута нахилу охолоджуючих ка-налгв на термоциклгчну довговгчтстъ моделей лопаток турбт з монокристаличного сплаву. При змш кута нахилу каналгв до поверхш моделей вгд 90 до 30 ° термоциклгчна довговгчшстъ знизилася в 2,3-5,2раз1в залежно вгд параметргв комбтованого термомеха-шчного навантаження. Наведенi оцтки часткою статичного i термоциклгчного ушкод-женъ матерiалу моделей лопаток в залежностi вiд кута нахилу охолоджуючих отворiв при комбтованому термомехатчному навантажент. Запропоновано рекомендацп для ви-бору параметрiв охолоджуючих каналiв лопаток турбт авiацiйних двигутв.
The analysis of experimental investigations of influence of a corner of an inclination of cooling channels on thermocycle durability of turbine blade models from a monocrystal alloy is resulted. At change of a corner of an inclination of channels for a surface of models from 90 up to 30 ° the thermocycle durability has gone down in 2,3-5,2 times depending on parameters combined thermomechanical loading. The estimations of shares static and thermocycle damages of a material of blade models depending on a corner of an inclination of cooling channels are resulted at combined thermomechanical loading. The recommendations for a choice ofparameters of cooling channels of turbine blades of aviation engines are offered.
