Предельные состояния и ресурс лопаток турбин при многофакторном неизотермическом нагружении

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 однофакторных 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 со стояния лопаток при термоциклическом нагружении с изменением температуры по пилооб-

цикл

Рис.1. Влияние выдержек при максимальной температуре цикла нагружения на термоциклическую долговечность лопаток сек при максимальной температуре цикла нагружения, которая составляла Т_мах =950 °С 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 s = 80 МПа соответствовал статистически максималь-

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 s = 80 МПа на пилообразное термоциклическое нагружение снижает долговечность лопаток, в-среднем, в 2,5^3 раза, а наложение пилообразного термоциклического нагружения с размахом деформации As = 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

цикл

Рис.3. Влияние термоциклического нагружения на характеристики выносливости лопаток

(рис.4). Результаты испытаний представлены зависимостью отношения долговечностей Z*/ Z, где Z* и Z - долговечности лопаток при испытаниях соответственно с подциклами и без подциклов, от отношения размахов деформации As */ As , где As* и As - 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:

ружения;

N_p - предельное число циклов вибронагружения;

a , b , 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:

a = 0,8; р = 0,7; X = 0,1; у = 0,3. (2)

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

Z „ф = Z р

1 -

^E t i

b

1 -

k t р 0

k

N p >

1/ x

, (1)

7. = 7.

Z_j мф t-t р

где Z p - термоциклическая долговечность при пилообразном изменении температуры в

заданном диапазоне;

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

тр - время до разрушения по кривой длительной прочности;

E N i - суммарное число циклов вибронаг-

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

… n=10

0     0,25 0,50 0,75 1,0 As */ As

Рис. 5. Отношение размахов деформации

t

Рис.4. Отношения долговечностей лопаток

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 s v = 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 As = 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.