Вплив кристалографічної орієнтації монокристалічних матеріалів на напружений стан робочих лопаток турбін

Таким чином, можна зробити висновок, що знання встановлених закономірностей дозволить підвищити достовірність прогнозування надійності і довговічності робочих лопаток. З іншої сторони, це забезпечить усунення можливості виникнення в бандажних полицях високих залишкових напружень в процесі експлуатації, як однієї з причин появи статичних чи втомних тріщин у лопатках і їх руйнування.

У п'ятому розділі представлені результати проведених розрахунково-експериментальних досліджень з визначення закономірностей впливу кристалографічної орієнтації на формування спектра власних коливань монокристалічних робочих лопаток турбін та їх опору втомі.

Порівняння результатів обчислювальних експериментів з даними випробувань лопаток на вібростенді підтвердило правомірність запропонованих розрахункових моделей. Розбіжність експериментальних даних з чисельними результатами у першу чергу пояснюється тим, що для реальних лопаток характерне відхилення їх поздовжньої осі від кристалографічного напрямку <001>.

Для підтвердження висновку про причини розкиду експериментальних даних були проведені обчислювальні експерименти із встановлення закономірностей впливу зміни кристалографічної орієнтації поздовжньої осі лопаток на частоти їх власних коливань. Рішення цієї задачі здійснювалося в рамках стереографічного трикутника <001>-<011>-<111>. Виходячи з характеру зміни модулів пружності першого та другого роду матеріалу в його межах, розглядалося тільки можливе відхилення поздовжньої осі лопатки від кристалографічного напрямку <001> уздовж границь <001>-<011> і <001>-<111>. Результати виконаних розрахунків представлялися у вигляді залежностей власних частот деяких форм їх коливань від величини кутів φ і α, що характеризують азимутальну й аксіальну орієнтації лопатки відповідно. Їх аналіз показав, що вплив азимутальної орієнтації на розкид власних частот коливань розглянутих лопаток незначний. Більш істотний вплив викликає аксіальна орієнтація, який для охолоджуваної лопатки менш значний, ніж для неохолоджуваної. Але для неохолоджуваної лопатки зміна КГО може впливати не тільки на спектр власних частот, але і на форми коливань. Так, якщо для охолоджуваної лопатки максимальна величина розкиду власних частот розглянутих форм її коливань не перевищує 11%, то для неохолоджуваної вона досягає 38%. При цьому має місце тенденція до зменшення впливу аксіальної орієнтації на розкид власних частот лопаток із зростанням номера форми їх коливань.

Показано, що обмеження існуючого допуску на відхилення поздовжньої осі лопатки від напрямку <001> з 20о до 10о дозволить підвищити ресурс лопаток. Крім того, в даному випадку виникає можливість відокремити розкид частот коливань лопаток, обумовлений технологічними допусками в розмірах на виготовлення лопаток, з таким, який пов’язаний з їх КГО.

На формування спектра власних частот коливань монокристалічних лопаток крім кристалографічної орієнтації істотно впливають такі експлуатаційні фактори, як температура і частота обертання ротора. Наочно це видно із отриманих частотних діаграм, приклад яких приведений на рис. 8, де заштриховані області характеризують можливий розкид власних частот відповідних форм коливань лопаток, обумовлений зміною їх КГО з урахуванням впливу температури і частоти обертання ротора.

Аналіз результатів проведених обчислювальних експериментів показав, що величина зміни власних частот коливань монокристалічних лопаток на робочих режимах двигуна в першу чергу визначається температурою і складає для охолоджуваних лопаток 12-14%, а неохолоджуваних – 11-13%. При цьому її вплив мало залежить від КГО лопаток. Що стосується частоти обертання ротора, то в порівнянні з температурою її вплив на зміну власних частот коливань охолоджуваної лопатки менш суттєвий. Не спостерігається також вплив КГО на їх величину при зміні частоти обертання. Для неохолоджуваної лопатки характерне зменшення впливу частоти обертання ротора на зміну власних частот коливань лопатки з 31% до 2% зі зростанням номера форми її коливань і воно істотно залежить від КГО лопатки. Діапазон розкиду власних частот кожної з розглянутих форм коливань лопаток внаслідок зміни їх КГО більше залежить від форми коливань і менше від температури та частоти обертання ротора.

Таким чином, обмеження відхилення поздовжньої осі лопатки від напрямку <001> дозволяє значно зменшити розкид власних частот коливань, знижуючи тим самим імовірність попадання окремих лопаток у резонансний стан на робочих режимах двигуна і зростання рівня їх динамічних напружень. Крім того, істотно спрощується відстроювання від небезпечних резонансних режимів експлуатації.

Внаслідок значної анізотропії характеристик механічних властивостей монокристалічних матеріалів їх використання, як одного з можливих способів підвищення опору втомі робочих лопаток турбін, викликає необхідність уточнення існуючих, а також розробки нових методів з визначення та оцінки їх границі витривалості.

На відміну від лопаток з рівноосною структурою, використання монокристалічних лопаток вимагає проведення втомних випробувань їх партій для кожної із заданих КГО. Тому був розроблений метод визначення границі витривалості таких лопаток, який дозволяє визначати її з будь-якою заданою КГО при істотному скороченні витрат на проведення випробувань. Його основні положення полягають у наступному:

Спочатку, застосовуючи розроблені тривимірні скінченноелементні моделі монокристалічних лопаток, проводиться розрахунок спектру їх власних коливань в залежності від кристалографічної орієнтації.

Використовуючи форму коливань як масштабний множник, визначається коефіцієнт перерахунку напружень К() у будь-якій точці пера для будь-якої КГО з урахуванням механізмів деформування і руйнування монокристалів жароміцних нікелевих сплавів.

Використовуючи розрахункові залежності коефіцієнта перерахунку напружень від положення кристалографічних осей, досить показань тензорезистора, розміщеного в зручному місці пера лопатки будь-якої кристалографічної орієнтації, щоб визначити границю витривалості лопатки з іншою заданою кристалографічною орієнтацією.

Для апробації запропонованого способу спочатку було проведено порівняння результатів розрахункового та експериментального визначення частот коливань і відносних динамічних напружень