симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 1), страница 13

Сначала резулыаты усталостных испытаний изображали в форме (Я вЂ” Ф)-кривых (число циклов до разрушения Ф как функция амплитуды переменного напряжения Я), характеризующих ев полное разрушение образца при постоянной температуре испытания. Кривые такого рода позволяли неплохо прогнозировать число циклов до полного разрушения других образцов при равномерном распределении напряжения и температуры по их рабочему объему. Затем последовало усовершенствование, согласно которому в расчет принимали не фактическое напряжение, пластическую деформацию и полную деформацию как независимые переменные, а некоторое псевдонапряжение (т.е.

напряжение, вычисленное в терминах абсолютно упругой деформации) материала. Проанализировали вклад от среднего напряжения цикла и появились сведения, по которым строили кривые Я-Ф, у которых Ф вЂ” число циклов до возникновения трещины, а не до полного разрушения образцов. Двухлинейная логарифмическая зависимость между обратимой пластической деформацией и числом циклов до разрушения была обнаружена в начале 50-х гг.

независимо Менсоном [11[ и Коффином [12[. Позднее Менсоном был выработан подход [13[, направленнъй на построение (о-Ф)-кривых при минимальном количестве экспериментальных данных. В данном случае в качестве независимой переменной была избрана полная амплитуда деформации. Этот подход, под названием "метод универсальных наклонов", представлял собой комбинированную функцию Коффина-Менсона, из которой получается функция Бесквина, позволяющая описать всю лиаграмму в координатах деформация — число циклов до разрушения. Нередко для отбора материалов и расчета долговечности используют модели поведения материала, разработанные на базе такого подхода. Усталостная модель Коффина-Менсона и метод универсальных наклонов, разработанный Менсоном, в большей мере относились к высокопластичным материалам малой прочности. Суперсплавы для рабочих лопаток — высокопрочные и мало- пластичные — служат при высоких температурах и под воздействием термомеханических нагрузок.

Подвергаясь к тому же воздействию химически агрессивных сред, они должны сопротивляться ползучести и усталости. В таких условиях слепо следовать упомянутым моделям для прогнозирования усталостной долговечности не рекомендуется. Надо опираться на реальные, достоверные данные испытаний на малоцикловую усталость. 69 г,'и впо бпо 400 т,'а гиа б% п,г !поп ви воп аз й бп о с. 40 и Ог а! Р,г ба0 саи а баи гооа т,'а гп И 400 Воо ггаи Се гоо 71 Увязка физики твердого тела и результатов лабораторных испытаний с прогнозированием долговечности деталей газовых турбин усложняется множеством факторов.

Рассмотрим один участок, где образуются трещины малоцикловой усталости, — место на ведущей кромке рабочей лопатки, удаленное от вершинной и корневой частей лопасти. В простейшем случае цепочка событий в работе турбины состоит из пуска, ускорения, нагружения, разгрузки и осталова. Этой цепочке соответствует некоторая последовательность изменений температуры на входе турбины и скорости вращения двигателя (рис.2.11), вызывающая, в свою очередтч последовательность в изменении температуры двигателя (рис.2.12). Все три последовательности очень важны, ибо для простой системы охлаждения можно показать, что деформация в направлении натяжки по поверхности лопасти есть функция разницы между температурой в рассматриваемой точке и средней температурой в поперечном сечении лопасти.

Это условие не выполняется для тонкостенных лопастей, но сохраняет значимость в случаях, когда локальная деформация сильно зависит от некоторой пары температур, поразному реагирующих на скорость изменения температуры рабочей среды. На рис.2.13 показана последовательность изменения температуры на ведущей кромке лопасти, а на рис.2.14 — диаграмма совместного изменения деформации и температуры. На п гоп гоо био соо и гг гб гп гс Опеля,с Рис.2.11.

Нормальные характерястяки пуска (а) и останоаа (и) промышленной газовой турбины (показана температура на входе турбины) 70 о био вип !гоп !спи о спи вао !гоп Ппеня, с Рис.2.12. Изменение температуры лопаток на середине размаха их лопастей е период пуска (а) и и период останона (И) турбины (даны усредненные значения температуры металла Тмсг) 1 — на самом горячем участке; 2 — на участке средней нагретости; 3 — на са- мом холодном участке Рис2.1д Изменение степени деформации 1 на недушей кромке рабочей лопатки при пуске (о) и сстаноае (б) турбяны Рис2.14.Диаграмма совокупного юменения температуры металла Тач на аедушей кромке рабочей лопатки осях рис.2.14 величины, соответствующие типичным лабораторным испытаниям, были бы представлены вертикальными линиями.

Отсутствие хотя бы минимального сходства между реальным деформационно-температурным циклом и тем, который получен при испытаниях образцов, должно насторожить конструктора и лиц, ответственных за характеристику материала. К счастью, появились работы Осте ргрена ~14), Рассела ~15) и других авторов, сделавшие серьезные шаги к корреляции усталостных испытаний (при одноосном нагружении и неизменной температуре) с рабочим циклом для реальной и идеализированной детали двигателя. В поисках такой корреляции исследовали различные варианты температурной зависимости напряжения или деформации; при этом измеряли амплитуды полной деформации, максимальное напряжение, напряжение, соответствующее стационарному режиму работы двигателя, время действия стационарного режима, температуры, соответствующие максимальной деформации, максимальную температуру и другие характеристики.

Были предложены корреляционные подходы, однако все их пропагандисты в один голос предостерегают от непродуманного применения этих подходов. Корреляция была вполне удовлетворительной для определенных участков рабочих лопаток и определенных циклов работы двигателя. Но удовлетворительность зависела от того, насколько верно был идентифицирован микромеханизм усталости данного сплава при даннъэх характеристиках рабочего цикла.

Действительно, состояние прогнозирования длительности периода до возникновения трещин малоцикловой усталости в рабочих лопатках таково, что значительное улучшение точности прогноза по-прежнему может быть достигнуто только путем моделирования фактической локальной деформации детали и температурной картины на лабораторном образце, геометрия которого аналогична геометрии рассматриваемой детали. Сегодня масштабы прогнозирования долговечности сильно зависят и от наличия адекватных методов механики разрушения, особенно когда имеют дело с самыми высокопрочными суперсплавами, служащими материалом для рабочих лопаток. На интересующих сплавах проводят стандартные испытания, определяя момент возникновения трещины, характеристики ее роста и критический размер. Полученные результаты можно 72 использовать применительно к диапазону изменения 'рабочих напряжений для трехмерного твердого тела. Наложение ползуче сти и влияние среды затрудняет применение подходов механики разрушения, также как и применение обычных моделей возникновения трещины.

При оценке характеристик многоцикловой усталости методы механики разрушения также применяют. Речь об этом пойдет киже. Результаты изоте рмических у стал остных испытаний продолжают использовать для ранжирования кандидатных сплавов по их достоинствам применительно к той или иной роли; однако, чтобы прогнозировать долговечность, требуются дополнительные испытания, моделирование рассматриваемой детали, рабочего цикла, влияния среды. Многоциклоеая усталость. Справедливость мнения, что турбины подвержены действию многоцикловой усталости, впервые была признана в начале 20-х гг.

Многоцикловая усталость рабочих лопаток и деталей камеры сгорания неизменно сопряжена с резонансными колебаниями. Поэтому первая задача конструкторов — определение собственной частоты колебания различных деталей, в первую очередь рабочих лопаток и камеры сгорания. Вторая задача — определить возбудители колебаний, подавить их и затем рассчитать результирующие напряжения. Поскольку форма деталей камеры сгорания и рабочих лопаток сложна, расчет частоты колебаний не так-то прост. Чтобы рассчитать частоту и моду колебаний, а затем и величину локальных напряжений, приходящихся на единичный подавитель и единичный возбудитель колебаний в лопатках, применяют компьютерную программу, в основу которой положена теория сложного пучка или метод анализа конечных элементов.

Помимо сведений, необходимых для расчета температуры, конструктору нужны сведения о плотности, модуле Юнга и коэффициенте Пуассона материала. В некоторых конструкциях колебания настолько серьезны, что требуется расчет специальных подавляющих устройств, В качестве таковых используют механические приспособления в виде различного вида упоров распирающих комельные части соседних лопаток, установленных на диске данной ступени. Эффективность подобных устройств оценивают посредством испытаний. В паровых турбинах возбуждение колебаний на каждом обороте ротора может быть очень значительным при впуске пара не по всей окружности турбины.

В крупных па- 73 гп аппп о го попо аппп гопа и го сп по пп б, лсуммт о гп уо пп пп ьо ггп Ум , 'У Коррозия 74 ровых турбинах этот прием необходим из экономических соображений. В газовых турбинах его не применяют. Источником колебаний в газотурбинных двигателях служат аэродинамические эффекты от предшествующих направляющих лопаток, различных опор, обратное давление от последующих сопловых лопаток и опор, от дискретных "трубчатых" камер сгорания, если они установлены на данной турбине.