симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 1), страница 11

В результате из-за температурных градиентов возникают термические напряжения, вызывающие малоцикловую усталость и усталостное растрескнвание. 58 В некоторых случаях аэродинамические нагрузки в сочетании с давлением охлаждающего воздуха могут сами по себе провоцировать ползучесть и деформировать металл при очень высоких рабочих температурах. Эти деформации, меняя форму лопаток, ухудшают кзьд.

турбины и вынуждают время от Времени лопатки заменять. Ползучесть может привести и к растрескиванию лопаток со снижением их несущей способности. Таким образом, материал сопловых лопаток должен обладать свойствами, которые в совокупности подавляют малоцикловую усталость, обеспечивают низкое тепловое расширение, высокую пластичность и теплопроводность. Желательны также хорошее сопротивление ползучести, сна риваем ость (ремонтопригодность) и возможность обработки резанием. В связи со спецификой своего расположения в двигателе сопловые лопатки последующих ступеней (в отличие от первой ступени) не могут быть закреплены и на внутренней, и на внешней стенке сопла.

Поэтому напряжения от аэродинамических нагрузок в них выше, и конструктор должен остерегаться ползучести материала внешней стенки и направляющей лопатки, ибо в результате ползучести лопатки по внутреннему диаметру сопла могут непрерывно отклоняться в направлении рабочего потока. В отношении материала сопловых лопаток последующих ступеней главным требованием (помимо тех, что предъявляют к сопловым лопаткам первой ступени) является хорошее сопротивление ползучести. Рабочие лопатки турбины Вращающиеся лопатки турбины служат для превращения кинетической энергии горячих газов, истекающих из сопла, в "лошадиные силы" рабочего вала, которые используются для привода компрессора и силовых устройств.

Лопатки состоят из лопасти, располагающейся в газовом потоке, и доветалевого замка ("ласточкиного хвоста"), закрепляющего лопатку на турбинном диске. Часто лопатка имеет еще и "голень", которая позволяет замковой части лопатки работать при температуре более низкой, чем корневая часть лопасти. В зоне голени происходит переход от формы корневой части к форме замковой части. Между голенями соседних лопаток помещают устройство для гашения механических колебаний. В некоторых конструкциях рабочие лопатки снабжены "вершин- 59 ным кожухом", повышающим их аэродинамические качества, а также частоту собственных колебаний.

В конструкции, приведенной на рис. 2.7, предусмотрено конвекционное и пленочное охлаждение турбинных лопаток. В целом разность температур между газами и рабочими лопатками ниже, чем в рассмотренной выше системе сопловых лопаток. Это связано со скоростью смещения лопаток относительно рабочих газов и добавлением в их поток более холодного воздуха. В связи с вращением лопатки испытывают действие нацряжений от центробежных нагрузок. Пентробежное усилие, приложенное к единице массы на полувысоте рабочей лопатки, в 13-90 тыс. раз превышает силу тяжести.

Напряжения от центробежных сил находятся в диапазоне от 69 МПа в среднем сечении лопастей лопаток первой ступени промышленных турбин до 277 МПа в сечении корневой части интенсивно охлаждаемых рабочих лопаток турбины авиадвигателей и последней ступени промышленных газовых турбин. Напряжения около 17 МПа возникают на последних ступенях турбовентиляторов авиадвигателей. Стремясь извлечь максимум энергии рабочего потока в промышленных газотурбинных установках, размеры кольцевой зоны последней ступени делают больше чем в турбинах авиадвигателей.

Поэтому у первых напряжения в корневом сечении рабочих лопаток обычно выше, чем у последних. Сочетание повышенных температур и напряжений порождает проблему ползучести рабочих лопаток и делает ее предметом главной заботы конструкторов, которые обычно выбирают для изготовления лопаток один из сплавов, обладающих наиболее высоким сопротивлением ползучести. Вместе с вращающимся турбинным диском рабочие лопатки перемешаются в пространстве, где расположены направляющие лопатки, камера сгорания, система опор.

В таких условиях результирующие усилия, приложенные к лопаткам, колеблются, и это может породить явления многоцикловой усталости. Чтобы их избежать, конструкторы придают лопаткам форму, исключающую, насколько возможно, резонанс этих колебаний с собственными колебаниями лопаток. Нередко оказывается невозможным избежать вибраций во всем диапазоне рабочих скоростей вращения, и конструкторы вынуждены применять виброгасящие устройства или ограничиваться предотвращением лишь наиболее опасных резонансных ситуаций. бе В двигателях боевых самолетов последних двух десятилетий и промышленных газовых турбинах второго поколения применено, по крайней мере на первой ступени турбины, воздушное охлаждение рабочих лопаток.

Снижение температуры в среднем сечении лопастей лопаток повышает их живучесть в условиях ползучести. Как и в случае с направляю- шими лопатками, равномерное охлаждение рабочих лопаток практически невозможно. Наиболее горячие точки возникают на ведущих и задних кромках. "Холодные" точки — на внутренних поверхностях, где охлаждение наиболее интенсивное.

Они расположены по периметру хладопроводных полостей и на ребрах между углублениями в лопатках со спиральным охлаждающим каналом ("змеевиком"). Необходимость пуска и остановов двигателя делает неизбежным колебание тепловых деформаций, что приводит к возникновению малоцикловой усталости. Присущие авиадвигателям (особенно боевых самолетов) потребность в ускоренном нагреве и более значительные температурные градиенты между рабочими газами и охлаждаемой зоной привели к термомеханической усталости. Именно она определяет характер разрушения рабочих лопаток турбин авиадвигателей. Проявляется это обычно просто в виде растрескивания по границам зерен, ориентированных поперек оси нагружения в сплавах с равноосной микроструктурьй.

В борьбе с подобными явлениями очень скоро стали изготавливать рабочие лопатки турбин авиадвигателей путем направленной кристаллизации и в монокристаллическом состоянии. Воздух и топливо, поступающие в двигатели, особенно вертолетных и наземных установок, содержат небольшие количества Ма, К, 14 и РЬ, которые вступают в реакцию сульфидообразования и, таким образом, вызывают коррозию лопастей лопаток. Уже при концентрации порядка 10 4 % (ат.) эти элементы способны привести к деструкции набора турбинных лопаток в течение немногих часов. Чтобы устранить эту проблему, разработчики-материало- веды продолжают действовать в двух направлениях: модифицируют сплавы, чтобы повысить их сопротивление коррозионному воздействию, и разрабатывают для сплавов антикоррозионные защитные покрытия.

Однако заботы конструкторов на этом не кончаются, поскольку уже известно, что покрытия снижают сопротивление усталости. В список кандидатных б1 материалов для рабочих лопаток промышленнъэх турбин включают только те, которые достаточно активно сопротивляются коррозии или могут быть успешно использованы в сочетании с подходящими антикоррозионными покрытиями.

Применительно к авиадвигателям аналогичное внимание уделяют окислительным процессам. Таким образом, материал рабочих лопаток турбин должен надежно сопротивляться коррозии и окислению или для его зашиты должно существовать надежное покрытие. Требуются достаточно высокие сопротивления усталости и ползучести, активному растяжению (предел прочности), вязкость. В настоящее время необходимы и хорошие литейные свойства.

Возможность локальной обработки резанием к числу обязательных требований не относится, поскольку ее задачи успешно решают посредством шлифования, электрохимического или электроэрозионного воздействия. Турбинные диски На турбинные диски, к которым доветалевым замком прикреплены рабочие лопатки, действуют радиальные центробежные ра стягивающие усилия. В результате вращения диска они возникают в его теле и непосредственно, и путем передачи от лопаток.

Дополнительные напряжения создаются из-за постоянно существующих колебаний температуры диска. Температурный режим последнего определяется действием охлаждающего воздуха и воздуха, движущегося в потоке рабочих газов, а также любыми утечками рабочего потока в пространство над и под дисковым ободом. В практических условиях температура диска близка, и если выше, то ненамного, к температуре на выходе компрессора. Поэтому для дисков выбирают в основном материалы, способные работать при температурах до 670'С.

В промышленных турбинах для этих целей обычно применяют легированные стали, а в авиадвигателях- сплавы типа 1Х-718. Катастрофический множественный разрыв диска приводит к выбросу его кусков из турбины с высокими скоростями. Поэтому не допустить такого разрыва — первейшая задача конструкторов турбинного ротора. Подобное разрушение наступало, когда скорости вращения ротора превышали критический предел и средние окружные напряжения приближались 62 к пределу прочности. (Испытания показывают, что уровень средних окружных напряжений, достаточный для вязкого разрушения диска, ниже 0,9е .) Во многих случаях разрушение турбинных дисков оказывалось хрупким. Следовательно, в список основных требований к материалу диска включается достаточно высокая вязкость разрушения, малая скорость роста трещин, возможность инспектировать состояние диска. Чтобы свести к минимуму совокупные термические напряжения, желательно добиваться низкого коэффициента термического расширения.

2.3. Модели поведения материалов Инженер-конструктор создает продукцию двух видов: проект деталей и узлов, представленный чертежами и описательными ведомостями, и прогнозную оценку (расчет) их надежности и работоспособности. Именно второй вид продукции требует самых больших усилий и наиболее активного сотрудничества с разработчиками материалов, Предметом рассмотрения в данном случае является такой аспект работоспособности деталей, как рабочая долговечность. Чтобы предсказать ее, инженер должен определить напряжения, температуру, химический состав рабочей среды и характеристики поведения материала. Для этого он может воспользоваться собственными расчетами, проведением испытаний или консультацией специалистов. Чтобы описать поведение, можно использовать характеристики как связанные, так и не связанные с разрушением.