Вплив кристалографічної орієнтації монокристалічних матеріалів на напружений стан робочих лопаток турбін

Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України

 

Придорожний Роман Петрович

 

УДК 621.438.62-226-2

 

 

Спеціальність 05.02.09 – Динаміка та міцність машин

 

 

Київ – 2008

 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на Державному підприємстві «Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро «Прогрес» імені академіка О.Г. Івченка» Міністерства промислової політики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук Зіньковский Анатолій Павлович Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України (м. Київ) завідувач відділу коливань і вібраційної надійності.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кравчук Леонід Васильович Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України (м. Київ) завідувач відділу міцності елементів конструкцій з функціональними покриттями доктор технічних наук, професор Воробйов Юрій Сергійович Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (м. Харків) завідувач відділу нестаціонарних механічних процесів.

Захист відбудеться « 12 » червня 2008 р. у 1000 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.241.01 в Інституті проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України за адресою: 01014, Київ-14, вул. Тимірязєвська, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України.

Автореферат розісланий « 8 » травня 2008 р.

 

 

Актуальність теми. Надійність авіаційних газотурбінних двигунів (ГТД) у значній мірі визначається роботоздатністю робочих лопаток турбін. Це пов'язано з високим безупинно зростаючим рівнем діючих температур і навантажень, а також необхідністю істотного підвищення їх ресурсу при одночасному скороченні витрат на етапах від проектування і виробництва до експлуатації.

Удосконалення конструкції робочих лопаток турбін і підвищення ефективності їх охолодження, впровадження технології лиття монокристалів жароміцних нікелевих сплавів, які характеризуються істотною анізотропією фізичних і механічних властивостей, а також особливостями механізмів їх деформування і руйнування, обумовлюють необхідність підвищення достовірності визначення напружено-деформівного стану (НДС) і створення ефективних методів оцінки міцності турбінних лопаток як визначального моменту в забезпеченні надійності і ресурсу двигуна в цілому. Крім того, оскільки серійна технологія виготовлення лопаток допускає відхилення кристалографічної орієнтації (КГО) від заданої, актуальним також стає визначення можливості експлуатації таких лопаток і забезпечення їх ресурсу.

З огляду на викладене, достовірне визначення характеристик статичного і динамічного станів монокристалічних робочих лопаток турбін з урахуванням неминучої анізотропії властивостей матеріалу і впливу реальних експлуатаційних режимів навантаження представляє собою актуальну і разом з тим складну науково-технічну задачу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відділі міцностних розрахунків і досліджень ДП «Івченко-Прогрес» у рамках планів науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт, що відповідають Державній комплексній програмі розвитку авіаційної промисловості України до 2010 року (Постанова Кабінету міністрів України від 12.12.2001 р.).

Мета роботи полягає в удосконаленні розрахунково-експериментальних методів аналізу статичного і динамічного станів монокристалічних робочих лопаток турбін і визначенні закономірностей впливу кристалографічної орієнтації монокристалічних матеріалів на напружений стан таких лопаток з урахуванням експлуатаційних режимів навантаження.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

розробити моделі охолоджуваних і неохолоджуваних робочих лопаток турбін та взаємодії по контактуючим поверхням бандажного і замкового з'єднань, які дозволяють враховувати їх конструктивно-технологічні особливості;

вибрати критерій оцінки напруженого і граничного станів монокристалічних лопаток з урахуванням кристалографічної орієнтації, а також механізмів деформування і руйнування монокристалів жароміцних нікелевих сплавів;

здійснити адаптацію розрахункових методів на основі методу скінченних елементів (МСЕ) із застосуванням тривимірних розрахункових моделей для визначення напруженого і граничного станів монокристалічних робочих лопаток;

провести аналіз впливу повзучості матеріалу, монтажного натягу по бандажних полицях і тертя по їх контактуючим поверхням на напружений стан лопаток і зміну умов їх контакту по полицях;

дослідити вплив таких експлуатаційних факторів як температура і частота обертання ротора на спектр власних частот і форм коливань лопатки в залежності від орієнтації осей монокристалічного матеріалу;

запропонувати розрахунково-експериментальний метод визначення границі витривалості монокристалічних лопаток;

розробити рекомендації з раціонального вибору кристалографічної орієнтації осей матеріалу, які забезпечують підвищення надійності і ресурсу робочих лопаток турбін.

Об'єктами дослідження є охолоджувані і неохолоджувані монокристалічні робочі лопатки турбін авіаційних ГТД, а предметом дослідження – їх характеристики статичного і динамічного станів.

Для вирішення сформульованих у роботі задач були використані сучасні методи вирішення наукових задач, а саме:

фізичного і математичного моделювання для побудови адекватних моделей об'єктів дослідження, що дозволяють враховувати їх конструктивні особливості, властивості матеріалу і характер зовнішніх факторів;

метод скінченних елементів і відповідні ліцензійні програмні комплекси для розрахунку НДС моделей монокристалічних робочих лопаток турбін.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в адаптації розрахункових методів на основі МСЕ з застосуванням тривимірних розрахункових моделей монокристалічних лопаток для визначення їх напруженого стану та встановленні закономірностей впливу кристалографічної орієнтації матеріалів на характеристики статичного і динамічного станів, а саме: розподіл напружень в лопатках та зміну умов їх взаємодії по бандажних полицях, формування спектру власних частот і форм коливань, а також розробці методу визначення границі витривалості лопаток з урахуванням експлуатаційних режимів навантаження, на основі яких