Предельные состояния и ресурс лопаток турбин при многофакторном неизотермическом нагружении Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

НАДЁЖНОСТЬ, ДИНАМИКА И ДИАГНОСТИКА МАШИН

УДК 620.172.251.224

ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ И РЕСУРС ЛОПАТОК ТУРБИН ПРИ МНОГОФАКТОРНОМ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

© 1999 Д.С. Еленевский, В.А. Солянников

Самарский научно-инженерный центр автоматизированных прочностных испытаний и диагностики машин

В статье представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований предельного состояния лопаток турбин одного из авиационных газотурбинных двигателей при различных программах многофакторного неизотермического нагружения, включающего совместное термоциклическое и вибрационное, а также термоциклическое с выдержками нагружения, на базе которых получены закономерности взаимного влияния составляющих нагрузок на исчерпание ресурса лопаток, позволившие построить критериальное уравнение предельного состояния лопаток турбин при многофакторном неизотермическом нагружении.

Развитие авиационного двигателестрое-ния происходит в направлении возрастающей интенсификации рабочего процесса и повышения требований к весу, долговечности, надежности. Сочетание таких противоречивых требований ставит новые проблемы перед создателями современных газотурбинных двигателей. Одной из наиболее важных является проблема освоения высоких температур газа перед турбиной, поскольку прогресс в освоении более высоких температур сопровождается серьезными изменениями основных параметров двигателей в направлении обеспечения оптимального термоциклического цикла для получения более высокого термического коэффициента полезного действия и связанного с ним улучшения экономичности.

Однако, с ростом температуры возрастает интенсивность газодинамических и тепловых процессов, что приводит к ужесточению условий работы ответственных деталей горячей части газотурбинного двигателя, одними из которых являются рабочие лопатки турбины, которые в процессе эксплуатации подвергаются сложному многофакторному нагружению, реализующемуся в условиях теплосмен, и во-мно-гом ограничивающие ресурс двигателя.

С целью исследования закономерностей взаимного влияния составляющих нагрузок на исчерпание ресурса лопаток турбин и прогнозирования их эксплуатационной долговечности был выполнен комплекс расчетно-экспериментальных исследований предельного состояния неохлаждаемых лопаток турбины одного

из авиационных газотурбинных двигателей, выполненных из материала типа ЖС, при многофакторном неизотермическом нагружении в диапазоне изменения параметров составляющих нагрузок, охватывающем эксплуатационный.

Программа исследований включала следующие основные этапы:

- исследование характеристик термоусталости и выносливости лопаток при однофак-

торных нагружениях;

- исследование предельного состояния лопаток при термоциклическом нагружении с выдержками при максимальной температуре цикла;

- исследование предельного состояния лопаток при совместном термоциклическом и вибрационном нагружениях.

Экспериментальные исследования проводились на автоматизированном комплексе тер-мовиброциклических испытаний [1], позволяющем осуществлять многофакторное неизотермическое нагружение лопаток.

Лопатка в процессе испытаний нагревалась с помощью профилированного индуктора, форма и положение которого относительно профильной части лопатки определялись из условия обеспечения необходимых температурных полей с максимальным нагревом кромок. В полуцикле охлаждения лопатка обдувалась потоком воздуха, истекающим из сопла. Вибрационное нагружение осуществлялось путем возбуждения резонансных колебаний лопатки по первой изгибной форме посредством элек-

тродинамического вибратора.

Параметры напряженно-деформированного состояния лопатки определялись расчетным путем с помощью разработанного пакета прикладных программ [2], включающего программы расчета нестационарного теплового состояния и кинетики неупругого деформирования сечения лопатки при циклическом неизотермическом нагружении, программу расчета долговечности лопаток при многофакторном неизотермическом нагружении, а также программы автоматизированной обработки и графического представления результатов расчета.

В качестве модели материала (жаропрочный никелевый сплав типа ЖС) использована структурная модель упруговязкопластической среды [3].

Результаты исследований предельного состояния лопаток при термоциклическом нагружении с изменением температуры по пилообразному циклу и с введением выдержки тв=30

50 100 200 500 1000 2000 Z,

цикл

Рис.1. Влияние выдержек при максимальной температуре цикла нагружения на термоциклическую долговечность лопаток

сек при максимальной температуре цикла нагружения, которая составляла Тмах=950оС и соответствовала максимальной эксплуатационной, представлены на рис. 1.

Из анализа результатов следует, что введение выдержки тв=30 сек при максимальной температуре цикла снижает долговечность данной конструкции лопаток, выраженную в циклах, в-среднем, на 30.. .50%.

Результаты исследований предельного состояния лопаток при совместном термоциклическом и вибрационном нагружении, а также кривые выносливости при нормальной и эксплуатационной температурах представлены на рис.2 и 3.

Уровень переменных напряжений av= 80 МПа соответствовал статистически максималь-

Де,%

цикл

Рис.2. Влияние вибронагружения на характеристики термоусталости лопаток

ным переменным напряжениям, замеренным на лопатках при работе двигателя, с учетом возможности раззазоривания по бандажным полкам. Размах деформации при испытаниях был форсирован по сравнению с размахом деформации за обобщенный полетный цикл работы двигателя при сохранении одинаковости механизма деформирования (упругая работа) в лабораторных и эксплуатационных условиях.

Из анализа результатов следует, что наложение вибрационного нагружения с амплитудой переменных напряжений ау= 80 МПа на пилообразное термоциклическое нагружение снижает долговечность лопаток, в-среднем, в 2,5...3 раза, а наложение пилообразного термоциклического нагружения с размахом деформации Ав = 0,52% на вибрационное нагружение снижает предел выносливости данной конструкции лопаток в 5 раз.

Важным моментом при прогнозировании долговечности лопаток турбин является оценка влияния переменных режимов работы двигателя на исчерпание ресурса лопаток и их учет. С этой целью был проведен комплекс исследований долговечности лопаток при термоциклическом нагружении с введением дополнительных подциклов в цикл термонагружения

СТу, МПа

цикл

Рис.3. Влияние термоциклического нагружения на характеристики выносливости лопаток

(рис.4). Результаты испытаний представлены зависимостью отношения долговечностей Ъ*/ Ъ, где Ъ* и Ъ - долговечности лопаток при испытаниях соответственно с подциклами и без подциклов, от отношения размахов деформации Ав*/Ав , где Ав* и Ав - размахи деформации соответсвенно в подциклах и за полный цикл термонагружения (рис.5).

Анализ результатов показывает, что введение дополнительных подциклов в цикл термонагружения, размах деформации в которых не превышает 30% от полного размаха деформации, не оказывает существенного влияния на долговечность лопаток: снижение долговечности при этом не превышает 4%. Это означает, что в первом приближении при прогнозировании эксплуатационной долговечности лопаток можно не учитывать такие подциклы, имеющие место в реальных условиях эксплуатации.

Среди подходов к описанию предельного состояния материалов и элементов конструкций при многофакторном неизотермическом нагружении [4,5,6 и др.] наиболее перспективным представляется подход [7], в соответствии с которым предельное состояние описывается критериальным уравнением, имеющим вид:

^2 мф 2 >

” Ґ \ Р " 1/а ~ ґ \ г

1- £ Т і 1- £ N

V Т Р ) V ^ р У

1/X

(1)

где Ър - термоциклическая долговечность при пилообразном изменении температуры в заданном диапазоне;

- суммарное время выдержки при максимальной температуре и статическом напряжении в цикле нагружения;

тр - время до разрушения по кривой длительной прочности;

£№ - суммарное число циклов вибронаг-

2*/2

-\Л ...

п=10

\

ружения;

N - предельное число циклов вибронагружения;

а, Р, X, У - константы, определяющие степень взаимного влияния действующих факторов нагружения на исчерпание ресурса.

По результатам испытаний лопаток при двухфакторных нагружениях (термоциклическое с выдержками, совместное термоциклическое и вибрационное нагружения), представле-ным выше, из условия минимума среднеквадратического отклонения экспериментальных значений долговечности от расчетных значений были определены константы уравнения (1), значения которых составили:

а = 0,8; Р = 0,7; X = 0,1; у = 0,3. (2)

Окончательно уравнение предельного состояния данной конструкции лопаток для уровня максимальной температуры Тмах = 950°С при многофакторном неизотермическом нагружении, включающем малоцикловые, статические и вибрационные нагрузки, записывается следующим образом:

2 мф = Z,

- Ґ N0,71 1/0,8 “ ( \ 0,3

1- £ Т і 1- £ N і

V ТР ) V ^р )

(3)

Сопоставление с результатами стендовых испытаний полноразмерных двигателей показало, что расчетные значения долговечности лопаток, полученные с помощью уравнения (3), отличаются от фактической долговечности не более, чем на 15% «в запас».

Сопоставление с результатами исследований, полученными применительно к другим конструкциям лопаток турбин из аналогичного материала, выявило незначительный разброс значений констант уравнения (3) , что позволяет использовать его для широкого класса

Рис. 4. Отношения долговечностей лопаток

0 0,25 0,50 0,75 1,0 Ав*/Ав

Рис. 5. Отношение размахов деформации

1/0,1

лопаток турбин из материала типа ЖС, работающих в диапазоне температур 20.. .950°С.

Выводы

1. Исследованы закономерности взаимного влияния составляющих нагрузок на исчерпание ресурса лопаток при многофакторном неизотермическом нагружении, позволившие построить критериальное уравнение предельного состояния для широкого класса лопаток турбин, изготовленных из материалов типа ЖС и работающих в диапазоне температур 20.950 °С.

2. Выявлено значительное влияние вибрационного нагружения на характеристики термоусталости лопаток и термоциклического нагружения на характеристики выносливости лопаток: наложение вибрационного нагружения с амплитудой переменных напряжений ау = 80 Мпа на термоциклическое нагружение снижает долговечность лопаток, выраженную в циклах, в-среднем, в 2,5.3 раза, а наложение термоциклического нагружения с размахом деформации Ав = 0,52% на вибрационное нагружение снижает предел выносливости лопаток в 5 раз.

3. Проведен комплекс исследований долговечности лопаток турбины при сложных программах нагружения, в результате которых установлено, что присутствие в глобальном цикле нагружения дополнительных подциклов, вызывающих размахи деформации в опасных точках сечения лопатки, не превышающие 30% от размаха деформации за полный цикл нагружения, не оказывает существенного влияния на долговечность лопаток, что позволяет не учитывать такие подциклы, имеющие место в реальных условиях эксплуатации, при прогнозировании долговечности лопаток.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Научные основы и методы повышения надежности и долговечности газотурбинных двигателей/ Под ред. В. Т Трощенко, Г С.Пи-саренко.- Киев: Наукова думка, 1979.- 194 с.

2. Колотников М.Е., Солянников В.А. Программный комплекс для исследования кинетики напряженно-деформированного состояния и прогнозирования долговечности лопаток турбин// Проектирование и доводка авиационных газотурбинных двигателей: Сб. науч. трудов/ Самарск. Авиац. Ин-т.-Самара, 1992.- С. 23-28.

3. Гохфелъд Д.А., Садаков О.С. Пластичность и ползучесть элементов конструкций при повторных нагружениях.- М.: Машиностроение, 1984.- 256 с.

4. Биргер И.А. Детерминированные и статистические модели долговечности// Надежность и качество. Проблемы надежности летательных аппаратов.- М.: Машиностроение, 1985.- С. 105-150.

5. Цейтлин В.И. Оценка прочности деталей в условиях многокомпонентного нагружения/ / Труды КуАИ.- Куйбышев, 1975.- Вып. 63.-С. 123-131.

6. Лозицкий Л.П. Расчет долговечности в условиях трехкомпонентного нагружения// Надежность и долговечность авиационных газотурбинных двигателей.- Киев: КИИГА, 1971.- Вып. 1.- С. 17-25.

7. Колотников М.Е., Солянников В.А., Святы-шев К.Г. Оценка запаса прочности лопаток турбины при действии термоциклических и вибрационных нагрузок// Пробл. Прочно-сти.-1990.- №8.- С. 97-100.

LIMITING STATE AND SERVICE LIFE OF TURBINE BLADES UNDER MULTIFACTOR NON-ISOTHERMAL LOADING

© 1999 D.S. Yelenevsky, V.A. Solyannikov

Samara Scientific-Engineering Centre of Automated Strength Tests and Diagnostics of Machines

This paper presents the results of analytical and experimental research of turbine blades limiting state of an aircraft gas turbine engine. The research was carried out for different programs of multifactor nonisothermal loading including simultaneous thermocyclic and vibration loads and also thermocyclic loads with loading hold time. Regularities of loading components combined effect upon blade service life exhaustion were obtained on the base of the research results. These regularities afford to form the criterion equation of turbine blade limiting state under multifactor non-isothermal loading.