Вплив кристалографічної орієнтації монокристалічних матеріалів на напружений стан робочих лопаток турбін

Для підтвердження достовірності розроблених моделей лопаток та їх переваг проведено порівняння результатів розрахунку напруженого стану лопаток, отриманих з використанням моделей різного рівня, і показано, що їх одно- і двомірні моделі не дозволяють у достатньому обсязі установити закономірності впливу КГО на характеристики статичного і динамічного станів лопаток, що обмежує можливість її обґрунтованого призначення і допустимого відхилення від заданої, а також з достатньою точністю врахувати зазначені вище фактори.

Здійснено адаптацію розрахункових методів на основі МСЕ з застосуванням тривимірних розрахункових моделей монокристалічних лопаток для визначення їх НДС.

В третьому розділі розглянуто результати досліджень із встановлення закономірностей впливу як аксіальної, так і азимутальної КГО монокристалу (рис. 2) щодо осей досліджуваних робочих лопаток турбін, виготовлених з матеріалів ЖС26 та ЖС32, на їх статичний НДС.

Для реалізації поставленої задачі були обрані робочі лопатки турбіни високого і низького тиску відповідно. Слід зазначити, що для розглянутих лопаток, особливо охолоджуваних, неможливо забезпечити сприятливу КГО в усіх точках зовнішнього і внутрішніх їх контурів через складну геометрію пера. Однак міцність і надійність лопатки в даному випадку можуть бути підвищені за рахунок раціональної регламентації КГО в самій небезпечній точці пера.

Важливою задачею при проектуванні монокристалічних лопаток з погляду підвищення їх надійності і ресурсу є вибір раціональної кристалографічної орієнтації щодо діючих напружень. Для її вирішення були проведені дослідження зі встановлення закономірностей впливу кристалографічної орієнтації матеріалу робочих лопаток турбін на їх статичний напружений стан.

Спочатку, для підтвердження правомірності запропонованих розрахункових моделей, були проведені розрахунки з визначення залежностей зміни напружень лопаток від азимутальної орієнтації в деяких характерних точках поперечного перетину для випадку, коли поздовжня вісь співпадає з напрямком <001>. При цьому розрахунки проводилися з використанням моделей різного рівня. Показано, що за допомогою стержневої моделі неможливо встановити закономірності впливу азимутальної орієнтації на її напружений стан, оскільки враховуються тільки поздовжні напруження. Напівпросторова модель дозволяє врахувати та оцінити вплив азимутальної орієнтації на величину не тільки поздовжніх, але і поперечних напружень, однак тільки для випадку, коли поздовжня вісь лопатки співпадає з кристалографічним напрямком <001>.

Далі, з огляду на особливості механізмів руйнування та технології виробництва охолоджуваних монокристалічних лопаток, були виконані розрахунки з визначення розподілів як максимальних головних, так і приведених дотичних напружень в залежності від азимутальної орієнтації для випадків, коли поздовжня вісь лопатки z' співпадає з кристалографічним напрямком <001> ( = 00) і відхиляється від нього на кут  = 200 у різних довільних напрямках. Були отримані залежності максимальних головних і приведених дотичних напружень від азимутальної орієнтації, приклад яких приведено на рис. 3. Видно, що існує таке оптимальне азимутальне положення головних осей монокристала стосовно осей лопатки в площині її поперечного перетину, при якому має місце мінімальний рівень напружень і статична міцність лопатки максимальна. Однак відхилення поздовжньої осі від кристалографічного напрямку <001> приводить до того, що зростає не тільки рівень напружень, але і збільшується вплив азимутальної орієнтації на напруженість лопатки. Крім того, змінюється і вид розподілів максимальних головних і приведених дотичних напружень у залежності від азимутальної орієнтації лопатки, внаслідок чого встановлене її оптимальне положення вже не буде відповідати мінімальному рівню максимальних напружень.

За результатами проведених розрахунків також було підтверджено, що для охолоджуваних лопаток, які характеризуються великими перепадами температур по перетину, неможливо забезпечити сприятливу кристалографічну орієнтацію у всіх точках зовнішнього і внутрішнього їх контурів.

Використовуючи визначені залежності, були отримані розподіли максимальних значень головних і приведених дотичних напружень при співпаданні поздовжньої осі лопатки з кристалографічним напрямком <001> та її відхиленні в різних напрямках, які представлено на рис. 4.

Встановлено, що при наявності такого відхилення поздовжньої осі існує найбільш несприятливий його напрямок, при якому має місце максимальний рівень напружень лопатки. Так, наприклад, при відхиленні на  = 200 у напрямку між вхідною кромкою і спинкою величина максимальних головних напружень зростає в 1.2 рази, а при такому відхиленні в напрямку між вхідною кромкою і коритом у 1.3 рази зростають максимальні приведені дотичні напруження.

Досвід виробництва монокристалічних лопаток показує, що внаслідок можливих порушень технології виробництва монокристалічні лопатки відливаються з відхиленням поздовжньої осі на кут , який перевищує 200. Тому був проведений аналіз найбільш небезпечних напрямків відхилення, а саме уздовж границь стереографічного трикутника <001>-<011> і <001>-<111>. З представлених на рис. 5 даних випливає, що відхилення поздовжньої осі лопатки на  = 200 в напрямку <011> може привести до зниження статичної міцності в 1.3, а в напрямку <111> – 1.6 рази. При цьому характер зміни максимальних приведених дотичних напружень при відхиленні осі лопатки від напрямку <001> обумовлюється не тільки зміною механічних властивостей матеріалу, що характерно для максимальних головних напружень, але й особливостями механізмів його деформування і руйнування в залежності від КГО.

Аналогічні дослідження були виконані для неохолоджуваної лопатки, характерною рисою якої є відсутність великих перепадів температур по перетину і виникнення високих напружень кручення внаслідок розкручування лопатки під дією відцентрових сил. У даному випадку розрахунки проводилися в припущенні, що вісь лопатки співпадає з кристалографічним напрямком <001> чи <111>, оскільки в цих напрямках вона має найкраще поєднання механічних властивостей в існуючому температурно-часовому діапазоні умов експлуатації.

З