Вплив кристалографічної орієнтації монокристалічних матеріалів на напружений стан робочих лопаток турбін

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що використані тривимірні розрахункові моделі і методи розрахунку дозволяють істотно підвищити достовірність визначення характеристик статичного і динамічного станів монокристалічних лопаток, забезпечують можливість оперативного внесення змін у конструкцію і таким чином дозволяють істотно скоротити терміни створення лопаток заданого ресурсу. На підставі встановлених закономірностей впливу конструктивно-технологічних і експлуатаційних факторів на НДС лопаток розроблені рекомендації з раціонального вибору кристалографічної орієнтації матеріалу, які дозволяють обґрунтовано призначати гранично припустимі її відхилення від заданої з точки зору забезпечення міцності лопаток. Використання розробленого розрахунково-експериментального методу з визначення границі витривалості лопаток дозволяє істотно скоротити матеріальні витрати і час випробувань. Отримані результати роботи впроваджені і застосовуються на провідних двигунобудівних підприємствах України – ДП «Івченко-Прогрес» і ВАТ «Мотор Січ» при встановленні і подовженні ресурсу робочих лопаток серійних двигунів Д-18Т, Д-436, ТВ3-117ВМА-СБМ1, а також створюваних перспективних двигунів Д-27, АИ-222-25, АИ-450, АИ-22.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень, отримані в дисертаційній роботі, належать її автору. Вибір теми, постановка задач і обговорення результатів роботи виконані разом з науковим керівником, а також керівництвом ДП «Івченко-Прогрес».

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на 6-11 Міжнародних конгресах двигунобудівників (Харків – Рибаче, 2001-2006); 2 і 3 Міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні» (Київ, 2004, 2007); 3 і 4 Міжнародних науково-технічних конференціях «Нові технології, методи обробки і зміцнення деталей енергетичних установок» (Запоріжжя-Алушта, 2004, 2006); Міжнародній науково-технічній конференції «Динаміка, міцність і ресурс машин і конструкцій» (Київ, 2005); Всеросійській науково-технічній конференції «Проблеми створення перспективних авіаційних двигунів» (Москва, 2005), а також тематичному семінарі Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України «Коливання, хвильові процеси й імпульсне навантаження» (Київ, 2005, 2007).

Публікації. Основні результати виконаних досліджень по темі дисертації опубліковані в 14 наукових працях, з них 12 статей – у виданнях, затверджених ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури з 184 найменувань і додатків. Обсяг роботи складає 223 сторінки і включає 99 рисунків та 22 таблиці.

 

 

У вступі приведено обґрунтування обраної теми дисертаційної роботи, її наукове і практичне значення, сформульовані мета і задачі дослідження.

У першому розділі проведено аналіз численних результатів досліджень механічних властивостей монокристалічних матеріалів, динаміки і міцності виготовлених з них робочих лопаток турбін сучасних авіаційних газотурбінних двигунів з урахуванням конструктивно-технологічних і експлуатаційних факторів.

На основі результатів проведеного аналізу було встановлено, що використання існуючих прикладних теорій стержнів та інших спрощених підходів на основі МСЕ не дозволяє, як правило, з необхідною точністю і достовірністю визначити статичний і динамічний НДС монокристалічних лопаток турбін. При цьому в неповній мірі враховуються їх конструктивні особливості та анізотропія фізико-механічних властивостей матеріалів з направленою кристалізацією. Таке моделювання монокристалічних охолоджуваних і неохолоджуваних лопаток недостатньо для врахування істотних особливостей їх НДС у поздовжніх і поперечних перетинах, особливо на периферії та при кореневій частині пера, а також для розрахунку бандажних полиць з необхідною для практики точністю.

Достовірна оцінка міцності досліджуваних лопаток не може здійснюватися на основі існуючих критеріїв міцності для турбінних лопаток, виготовлених з литих рівноосних матеріалів, оскільки вони не враховують особливості механізмів деформування та руйнування монокристалічних жароміцних нікелевих сплавів. При цьому залишається невирішеним питання про переваги тієї чи іншої КГО монокристалічної лопатки з погляду її міцності.

Аналіз відомих результатів досліджень показує, що актуальною задачею є розробка на основі тривимірних моделей методів оцінки деформування пера розглянутих лопаток з урахуванням впливу умов їх контактної взаємодії в бандажному і замковому з'єднаннях (монтажного натягу і тертя по контактуючим поверхнях), а також анізотропії механічних властивостей і повзучості монокристалічних матеріалів.

Недостатньо вивчений вплив анізотропії монокристалічних матеріалів і таких експлуатаційних факторів, як температура і частота обертання ротора, на спектр власних частот і форм коливань лопаток в залежності від КГО їх осей.

Існуючі експериментальні методи визначення границі витривалості монокристалічних лопаток турбін ґрунтуються на методиці її оцінки для лопаток з рівноосною структурою, що обумовлює необхідність випробувань партій лопаток з різними КГО. Такий підхід вимагає значних матеріальних витрат і часу.

Тому, виходячи з актуальності проблеми підвищення надійності і ресурсу сучасних авіаційних ГТД, які значною мірою визначаються статичною і динамічною міцністю робочих лопаток турбін, при проектуванні яких широко використовуються монокристалічні матеріали, були сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи.

Питанню моделювання охолоджуваних та неохолоджуваних робочих лопаток турбін, які представлено на рис. 1, присвячено другий розділ. При вирішенні цього питання необхідно, як відзначалось, враховувати конструктивні особливості робочих лопаток турбін сучасних авіаційних ГТД та можливі умови їх експлуатації. Що стосується їх конструкції, тору, повзучість матеріалу, втрата натягу по полицях та залишковий розворот пера, перерозподіл напружень в процесі наробітку і виникнення залишкових напружень, інтенсивність та тривалість експлуатації та інше. З урахуванням цих факторів розроблені тривимірні скінченноелементні моделі вибраних робочих лопаток турбін. Запропонована також модель взаємодії лопаток по контактуючим поверхням бандажного і замкового з'єднань, яка дозволяє враховувати можливі контактні умови, що виникають в експлуатації, і забезпечує можливість дослідження і прогнозування