|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Метод оценки ресурса лопаточного аппарата газотурбинного двигателя при асимметричном нагружении центробежными и аэродинамическими силамидипломная работа (Специалист)
- Научный руководитель: Завойчинская Э.Б.
- Автор: Соколов Сергей Дмитриевич
- Тип: Специалист
- Организация, в которой проходила защита: МГУ имени М.В. Ломоносова
- Год защиты: 2020
- Аннотация: Одной из современных задач оценки безопасности эксплуатации турбин и компрессоров в газо- и паротурбостроении является исследование закономерностей стохастического процесса зарождения и развития усталостных микро- и макротрещин в конструкциях лопаточного аппарата при эксплуатационном нагружении. Лопатки компрессора или турбины газотурбинных двигателей рассматриваются в виде консолей, которые в процессе эксплуатации подвергаются динамическому растяжению при вращении вала двигателя, изгибу и скручиванию от набегающего газодинамического потока. В них возникают изгибающие и крутящие моменты от центробежных и аэродинамических сил при сложном напряженном состоянии. Лопатки турбин под действием динамической нагрузки от вращения ротора подвергаются нагреву, вследствии чего в них возможно возникновение ползучести или термоциклическое разупрочнение металла в результате теплосмен по циклу эксплуатации. В данной работе полагается, что лопатка равномерно охлаждается отводом тепла в диск, температурные напряжения и вопросы ползучести и термоусталости лопаток не рассматриваются. Лопатки также подвержены негативному влиянию процессов газовой коррозии. Разрушение охлаждаемых рабочих лопаток вызывается, в основном, высоким уровнем переменных напряжений в областях их концентрации, возникающих при их резонансных вынужденных колебаниях. Анализ отказов промышленных турбоагрегатов показал, что в 80% случае аварии происходят из-за усталостных повреждений лопаток. Известно, что с точки зрения разрушения свободные колебания лопаток опасности не представляют. Автоколебания характерны для длинных рабочих лопаток последних ступеней паровых турбин при работе в режимах малых обьемов пропусков пара и в данной работе не рассматриваются. Основной причиной разрушений являются вынужденные колебания и, особенно, в состоянии резонанса, когда частота возмущающей силы совпадает с частотой собственных колебаний. Усталостные разрушения лопаток энергетических стационарных газотурбинных установок при длительной эксплуатации происходят сравнительно редко, т.к. они отстраиваются по частотам в процессе доводки и работают преимущественно на стационарных режимах. Усталостные разрушения турбинных и компрессорных лопаток газоперекачивающих агрегатов магистральных трубопроводов связаны, как правило, с трудностями виброотстройки и с образованием и накоплением коррозионных повреждений. Усталостным разрушениям наиболее подвержены турбинные и компрессорные лопатки авиационных газотурбинных двигателей, т.к. за цикл работы: запуск– основной режим–остановка, лопатка попадает на короткий период времени в условия вынужденных резонансных колебаний по одной из частот. В условиях длительной эксплуатации энергетических газовых турбин возникает необходимость обоснования сроков периодичности их технического контроля и продления ресурса лопаточного аппарата, в связи с чем актуальными являются исследования процессов разрушения в областях многоцикловой и гигацикловой усталости. Известен ряд следующих причин возникновения вынужденных колебаний, приводящих к зарождению усталостных трещин, их росту и последующему хрупкому разрушению лопаток: – турбулентность газового потока при вращении вала, которая связана с образованием вихрей газа по всей длине лопатки на входных и выходных кромках вследствие различных параметров газового потока по окружности проточной части перед и за ступенью, при которой аэродинамические силы, действующие со стороны газа на лопатку, оказываются переменными при различных углах поворота вала; – парциальность подвода газа к рабочей лопатке в цикле работы: запуск– основной режим–остановка, с полным снятием подвода газа и увеличением давления до максимальных значений, характерная, в основном, для регулирующих ступеней; – неоднородная периодическая нагрузка вследствие неравномерности потока из различных сопловых каналов с разной скоростью и под разными углами к вращающейся лопатке при прохождении ее через сопло; – изменения частоты собственных колебаний по сравнению с проектной; – изменения частоты вращения диска, связанные с дневными (например, вследствии нехватки электроэнергии) и ночными колебаниями, не учтенные в проектной документации. Усталостные трещины развиваются в местах концентрации напряжений от различных микро- и макротрещин (при некачественной сборке или монтаже и т.п.), коррозионных повреждений, повреждений в результате попадания посторонних предметов; вследствие фреттинга по контактирующим поверхностям основания лопатки и межпазового выступа диска, образования вмятин, надрывов пера, разрушения бандажных полок и других связей. В общем случае лопатка находится в условиях асимметричного сложного нагружения, представляющего собой случайный набор разнообразных по частоте и амплитуде циклов, число которых может варьироваться в широких пределах. Экспериментально обнаруживается, что микро- и макротрещины возникают перпендикулярно оси лопатки в корневом сечении в зоне концентрации напряжений от изгибных форм колебаний. Поэтому с точки зрения исследований усталости определяющим можно считать осевое напряжение в корневом сечении лопатки. В наиболее общем виде, осевое напряжение в некоторой точке корневого сечения лопатки можно представить в виде суммы постоянной составляющей и дискретного спектра с набором амплитуд, шагом, равным частоте вращения диска, и сдвигами фаз между компонентами. В данной работе исследуется асимметричное одночастотное нагружение. В качестве переменной составляющей рассматривается член ряда с наибольшей амплитудой. Постоянная составляющая напряжения определяется из известных соотношений для упругой консольной балки с прямолинейной осью, проходящей через центры масс сечений, как максимальное значение суммы растягивающего напряжения от центробежных сил и изгиба от действия аэродинамических сил. Зависимость между амплитудой напряжений и прогибом в точке лопатки определяется по известному решению задачи изгиба упругой консольной балки, жестко закрепленной в обод диска. Метод оценки ресурса лопатки основывается на теории масштабно-структурного разрушения, согласно которой стохастический процесс усталостного разрушения рассматривается на шести масштабно-структурных уровнях, отвечающих разным стадиям эволюции материала по различным физическим механизмам. Для определения вероятности разрушения лопатки при одноосном нагружении с несимметричным циклом предлагается иерархическая система определяющих соотношений, в которых в качестве переменной выбирается амплитуда напряжения, а материальные функции определяются по данным стандартных испытаний на усталостную прочность с учетом результатов физических исследований по развитию хрупких трещин. Проводится идентификация материальных функций для материалов, имеющих предел выносливости (с выраженным горизонтальным участком на кривой Велера) и материалов, у которых предел усталости с ростом числа циклов уменьшается в области гигацикловой усталости. В соответствии с известными критериями усталостной прочности выписываются зависимости материальных функций от параметра асимметрии цикла. Исследуются процессы усталостного разрушения для лопаток из двух алюминиевых и одного никелевого сплава. При заданной геометрии лопаток и диска, числе лопаток, частоте вращения диска и известных характеристик потока газа определяется постоянная составляющая осевого напряжения и область ее наибольших значений. Рассматривая разные возможные прогибы лопатки, из решения задачи изгиба консольной балки, жестко закрепленной в обод диска, без связей, определяются амплитуды колебаний. Находится асимметрия соответствующих циклов нагружения. Далее для рассматриваемых материалов определяются материальные константы для симметричного цикла и с учетом асимметрии цикла. Определяются области развития дефектов. Строятся кривые усталости по образованию микротрещин, коротких и макротрещин в лопатке для симметричного цикла и для асимметричных циклов с рассматриваемыми параметрами асимметрий. Обсуждаются полученные результаты. Производится анализ известных данных по усталостному разрушению лопаток из рассмотренных алюминиевых и никелевого сплавов турбины и компрессора в области многоцикловой и гигацикловой усталости. Метод расчета подтверждается сравнением полученных теоретических результатов с известными данными.
- Добавил в систему: Завойчинская Элеонора Борисовна