CC BY
19
УДК 620.178.3:620.171.32
М.Б. Милешкин, И. В. Библик Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины,
Украина
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ ЛОПАТОЧНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
Рассмотрена возможность применения специального расчетно-эксперименталъного метода, основанного на компьютерном моделировании процесса разрушения материалов и элементов конструкций, для прогнозирования длительной прочности жаропрочных сплавов на никелевой основе. Проведено сравнение полученных результатов с имеющимися экспериментальными литературными данными. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о необходимости учета соответствующих изменений характеристик длительной прочности при проведении оценки остаточного ресурса лопаток газовых турбин после длительной эксплуатации.
Компьютерное моделирование, расчетно-экспериментальный метод, жаропрочные сплавы, длительная прочность, эквивалентная повреждаемость.
1. Введение и постановка задачи
Одними из наиболее ответственных деталей авиационных двигателей являются лопатки турбины. Именно они определяют максимальную температуру газа в турбине, надежность и ресурс работы турбины, удельную мощность, удельный вес и экономичность двигателя. На рабочие лопатки турбины действуют центробежные и газодинамические силы, вызывающие в лопатках растяжение, изгиб и кручение. Высокий уровень напряжений, температур, нестабильность режимов нагрева и нагружения, возможность возникновения резонансных колебаний делает рабочие лопатки одним из наиболее сложных элементов современной техники. Более 50 лет для изготовления лопаток используют никелевые жаропрочные сплавы. Они занимают одно из первых мест по масштабам производства и объему применения среди высокотемпературных материалов конструкционного назначения [1].
Проблема предотвращения разрушения конструкций в процессе их длительной эксплуатации в экстремальных температурно-силовых условиях является одной из наиболее актуальных задач прочности. Особое значение имеет задача прогнозирования ресурса по данным ограниченных во времени испытаний, поскольку проведение опытов на весь рассчитываемый период работы конструкций весьма затруднительно и часто практически невыполнимо. В связи с этим большое значение приобретает разработка мето-
дов прогнозирования длительной прочности с использованием испытаний на укороченной временной базе.
Для оценки ресурса оборудования, работающего при высоких температурах, необходима такая характеристика материалов, как длительная прочность. При этом предельное состояние оборудования может определяться либо чрезмерными деформациями (ползучестью), либо состоянием разрушения. Чтобы определить предел длительной прочности опытным путем, необходимо проводить очень длительные и дорогостоящие эксперименты, которые не всегда возможны. Кроме того, полученные данные можно применить только к узкому диапазону температур и определенной марке стали или сплава.
В то же время, применение известных параметрических методов и метода базовых диаграмм [2] не всегда целесообразно из-за отсутствия необходимых исходных и эксплуатационных данных. В связи с этим для прогнозирования длительной прочности лопаточных жаропрочных сплавов в настоящей работе был применен специальный расчетно-экспериментальный метод (РЭМ) [3,4], который уже показал хорошие результаты в решении ряда задач определения прочностной надежности. В РЭМ материал рассматривается как система структурных элементов, каждый из которых обладает конкретными прочностными и деформационными свойствами. Учитывая, что РЭМ разрабатывался для компьютерного моделировании процесса разрушения конст-
© М.Б. Милешкин, И.В. Библик, 2008
рукционных материалов, в настоящей работе оценка наступления предельного состояния элемента конструкции (длительная прочность) рассматривается исключительно по состоянию разрушения.
2. Оценка возможности применения компьютерного моделирования
Проблема достоверной экстраполяции длительной прочности жаропрочных сплавов, использующихся для изготовления лопаток газовых турбин, является одной из важнейших для обеспечения их эксплуатационной надежности.
Имеющиеся в литературе экспериментальные результаты о длительной прочности сталей и сплавов в температурных интервалах их возможного использования открывают дополнительные возможности для проверки достоверности расчетов с помощью РЭМ на большие сроки службы, что крайне необходимо при решении задач остаточного ресурса поврежденных в процессе эксплуатации материалов.
Отличительной особенностью применения РЭМ для определения длительной прочности материалов при температурах эксплуатации является установление минимального количества характеристик, необходимых для таких расчетов [5].
Вначале рассмотрим возможность применения РЭМ для оценки длительной прочности некоторых жаропрочных сплавов.
В справочной литературе в основном представляются весьма ограниченные данные о свойствах отдельных жаропрочных сплавов, в частности о характеристиках длительной прочности.
В связи с этим в настоящей работе исследование проведено на трех жаропрочных сплавах ХН35ВТ (ЭИ612), ХН55ВМТКЮ (ЭИ929) и ХН80ТБЮ (ЭИ607). Механические характеристики этих сплавов приведены в таблице 1 [6].
Таблица 1
Механические характеристики исследуемых сплавов
Мех. характеристики Температура, °С
ХН35ВТ ХН55ВМТКЮ ХН80ТБЮ
600 650 700 900 650 700
^0,2, МПа 400 370 700 400 550 500
Св, МПа 640 510 900 550 700 680
8,% 15 10 8 12 7 7
Е10-5, МПа 1,69 1,65 1,85 1,66 1,83 1,78
Предлагаемый подход позволяет получить зависимости длительной прочности материалов в широком температурном диапазоне.
3. Результаты исследования
Для проверки предлагаемого подхода к оценке длительной прочности, использовались экспериментальные справочные данные для этих сплавов.
В таблицах 2—4 приведены значения пределов длительной прочности для исследованных жаропрочных сплавов, полученные с помощью РЭМ, и справочные данные [6,7].
Таблица 2
Длительная прочность сплава ХН80ТБЮ
Предел длительной прочности, МПа
Температура, °С 650 700
Время, ч 103 5103 104 103 5103 104
РЭМ 450,5 319,8 280,2 293 205 176
Справочные данные [6,7] 450 320 280 280 220 170
Таблица 3 Длительная прочность сплава ХН35ВТ
Предел длительной прочности, МПа
Температура, °С 600 650
Время, ч 103 104 105 103 104 105
РЭМ 324,5 256 211 224 197 162
Справочные данные [6,7] 320 260 210 220 200 160
Таблица 4
Длительная прочность сплава ХН55ВМТКЮ
Предел длительной прочности, МПа
Температура, °С 700 900
Время, ч 102 103 104 102 103 104
РЭМ 730 600 500 215 125 71,5
Справочные данные [6,7] 730 600 500 210 130 70
На рис. 1 приведены зависимости длительной прочности для одного из исследованных сплавов а, МПа
Рис. 1. Зависимости длительной прочности для сплава ХН80ТБЮ (1 - Т = 650 °С, 2 - Т = 700 °С)
(точки — значения, полученные с помощью РЭМ, прямые — зависимости, соответствующие справочным данным [6,7]).
Из рис. 1 и таблиц 2 — 4 видно, что наблюдается достаточно хорошее соответствие.
Учитывая, что РЭМ позволяет не только получать диаграммы длительной прочности, но и определять степень и характер поврежденности материала на любом этапе длительного нагруже-ния, для решения задачи прогнозирования состояния материала в процессе эксплуатации представляло интерес проверить гипотезу эквивалентной повреждаемости [8].
В основу гипотезы эквивалентной повреждаемости, накапливаемой в материале в процессе эксплуатации при различных уровнях температур и напряжений за разное время (меньшее для более высоких температур), положено предположение о том, что при близких температурных уровнях имеет место превалирующее влияние одного механизма деформирования, приводящего к разрушению одного типа в результате накопления в материале равноценных структурных изменений.
Проверка гипотезы эквивалентной повреждаемости с помощью РЭМ проведена для сплава ХН55ВМТКЮ. По диаграммам длительной прочности для двух температурных уровней (700 °С и 900 °С) были определены эквивалентные напряжения. Они составили: для Т = 700 °С - 500 МПа и для Т = 900 °С - 238,5 МПа. Для этих эквивалентных напряжений проведено сравнение зависимостей изменения числа разрушенных структурных элементов (N) в модели материала (изменения степени повреждаемости) от относительной долговечности (тотн) в процессе длительного нагружения (рис. 2).
N
j| 11 I < _I_
0,2 5 0,50 0,75 т^
Рис. 2. Накопление повреждений при длительном нагружении сплава ХН55ВМТКЮ при двух эквивалентных напряжениях:
• - 500 МПа при 700 °С, ♦ - 238,5 МПа при 900 °С
Из рис. 2 видно, что процесс накопления повреждений в обоих случаях характеризуется практически одинаковой скоростью. Вышеприведенные результаты свидетельствуют о том, что если известна (или построена с помощью РЭМ) диаграмма длительной прочности материала для одного температурного уровня, то используя гипотезу эквивалентной повреждаемости с помощью РЭМ можно, определяя скорость и характер процесса накопления повреждений этого же материала в процессе длительного нагружения при другом (близком) температурном уровне, определить для него эквивалентное напряжение.
По диаграмме длительной прочности для исходного состояния материала с помощью РЭМ можно получить диаграмму длительной прочности и для материала после определенного срока эксплуатации (с эксплуатационными повреждениями).
Так, например, на рис. 3 приведены диаграммы длительной прочности сплава ХН35ВТ при температуре 600 °С для исходного состояния и после эксплуатации на длительную прочность с учетом возможных «эксплуатационных» коррозионных повреждений поверхности (предположим, что после 1000 часов эксплуатации в материале лопатки была обнаружена равномерная коррозия с относительной глубиной 0,1). «Эксплуатационные» повреждения вносились в модель материала, соответствующую исходному состоянию материала. При этом из точки, соотвествующей 1000 часов эксплуатации на зависимости 1 проведена линия, параллельная зависимости 2, отвечающей изменению длительной прочности материала с эксплуатационными повреждениями [ 9].
а, МПа
О 10J 10* t,4
Рис. 3. Длительная прочность сплава ХН35ВТ при Т = 600 °С:
1 — исходное состояние, 2 — после 1000 часов эксплуатации, 3 — участок экстраполяции длительной прочности (3 параллельно 2)
Видно, что наличие эксплуатационных повреждений в лопатках из сплава ХН35ВТ может оказать существенное влияние на характеристики длительной прочности.
В принципе, с помощью РЭМ можно промоделировать любые эксплуатационные повреждения, внося соответствующие изменения в модель материала, провести расчет на длительную прочность и, экстраполируя зависимость длительной прочности для исходного состояния материала (как показано на рис. 3), прогнозировать характеристики длительной прочности применительно к условиям увеличения срока службы.
4. Выводы
В результате проведенных исследований показано, что разработанный расчетно-эксперимен-тальный метод, основанный на имитационном компьютерном моделированиии, позволяет получать диаграммы длительной прочности, оценивать степень поврежденности на различных этапах длительного нагружения (эксплуатации) и определять предел длительной прочности при различных температурах эксплуатации жаропрочных сплавов, используемых для изготовления лопаток газовых турбин.
Проведено сравнение полученных результатов с имеющимися экспериментальными литературными данными для этих сплавов. Получено хорошее совпадение.
Показано, что с помощью РЭМ возможно построение диаграмм длительной прочности материалов элементов турбомашин, работающих при повышенных температурах, для решения задач оценки остаточного ресурса поврежденных в процессе эксплуатации материалов.
Проведена проверка гипотезы эквивалентной повреждаемости, накапливаемой в материале в процессе эксплуатации при различных уровнях температур и напряжений.
Показано, что если известна (или построена с помощью РЭМ) диаграмма длительной прочности материала для одного температурного уровня, то, используя гипотезу эквивалентной повреждаемости, с помощью РЭМ можно, определяя скорость и характер процесса накопления повреждений в этом материале в процессе длительного нагружения при другом температурном уровне, определить для него эквивалентное напряжение.
Таким образом, применение специального РЭМ для прогнозирования длительной прочности жаропрочных сплавов может оказаться по-
лезным дополнением к широко используемым параметрическим методам и методу базовых диаграмм.
Литература
1. Качанов Е.Б. Состояние и перспективы развития работ по жаропрочным сплавам для лопаток турбин // Технология легких сплавов. — 2005. №1. — С. 10-18.
2. Прочность материалов и конструкций / Под ред. Трощенко В.Т. — Киев: Академпериодика, 2005. - 1088 с.
3. Милешкин М.Б., Библик И.В. Новый метод исследования особенностей механического поведения материалов и оценки прочностной надежности элементов конструкций // Надежность и долговечность машин и сооружений: Международный научно-технический сборник. - Киев, 2006. Вып. 26. - С. 302-310.
4. Милешкин М.Б., Библик И.В. Новый подход к оценке остаточного ресурса элементов конструкций // Deformation & Fracture of Materials (DFM2006): Сборник статей по материалам Первой междунар. конф. «Деформация и разрушение материалов»: — Москва, 2006.- Т.2. — С. 771-773.
5. Милешкин М.Б., Библик И.В. Применение компьютерного моделирования для определения предела выносливости жаропрочных сплавов // Вестник двигателестроения. 2007. — С. 90-94.
6. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. — М.: Металлургия, 1969. — 432 с.
7. Масленков С.Б., Масленкова Е.А. Стали и сплавы для высоких температур: Справочное издание. В 2-х кн.: Кн. 2. — М.: Металлургия, 1991.— 832 с.
8. Ковпак В.И. Об эквивалентной повреждаемости при испытаниях на длительную прочность / Ковпак В.И., Марусий О.И. // Проблемы прочности. 1972. — № 4. — С. 38-44.
9. Опыт длительной эксплуатации стационарных ГТУ на магистральных газопроводах. Часть II. Методология продления ресурса лопаток / А.И. Рыбников, Л.Б. Гецов, Н.В. Дашунинидр. // Вестник двигателестроения. 2007. — № 3. — С. 127-134.
Поступила в редакцию 01.06.08
Рецензент: д-р техн. наук, зав. отделом нестационарных механических процессов Воробьев Ю.С. Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков.
Розглянуто можливжтъ застосування спещалъного розрахунково-експерименталъного методу, заснованого на комп'ютерномумоделюванш процесуруйнуванняматергалгв i еле-ментгв конструкцй, для прогнозування тривалог мiцностi жаромщних сплавiв на ткелевш основi. Проведено порiвняння отриманих резулътатiв з наявними експерименталъними лтературними даними. Резулътати проведених долдженъ свiдчатъ про необхiднiстъ урахування вiдповiдних змт характеристик тривалог мiцностi при проведены оцтки за-лишкового ресурсу лопаток газових турбт тсля тривалог експлуатацП.
The opportunity of application of the special calculated - experimental method based on computer modelling of materials and elements of designs fracture is considered for prediction of long-term strength of nickel-based heat resisting alloys. Comparison of the received results with the available experimental literary data is carried out. Results of applied researches testify to necessity to take into account corresponding changes of characteristics of long-term strength at carrying out of residual resource estimation of gas turbine blades after long operation.
