симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 1), страница 14

Рассчитав и изучив возбудители колебаний, получают базу данных, которые обычно представляют диаграммой Кемп- бэлла (рис.2.15). Конструктор старается избежать резонанса с обнаруженными возбудителями в диапазоне тех скоростей, при которых предполагается длительная эксплуатация турбины. Это удается не всегда.

Вынужденный выбирать, конструктор предпочитает избегать . тех резонансов, которые приведут к наиболее высоким относительным напряжениям. Он конструирует виброгасящие устройства, позволяющие смягчить влияние колебательных мод, которые внушают наибольшие опасения. Как бы то ни было, рассчитывают и измеряют переменные напряжения, порождаемые каждой модой. Рис.2,15. Диаграмма Кэмпбелла для рабочей лопатки турбины: ( — — — ) — рас- четные уровни собстненной частоты колебаний; ( — ) — линии, отражаюшие зависимость частоты колебаний от числа оборотов ротора (выраиенпого в % от числа оборотов, соответствуюшего номинальной мошностя) Рис.2.16.

Типичная диаграмма Гудмэна для рабочей лопатки никелевого сплава, подвергнутой 10е пиклам нагруиения. Цифры на кривых — температура металла лопаток,оС Уже ранние исследования продемонстрировали важную роль среднего напряжения для живучести материала в условиях многоцикловой усталости. Для их характеристики используют диаграмму, известную под названием видоизмененной диаграммы Гудмена (рис.2.16). Долговечность детали определяют, нанося рассчитанные значения среднего и переменного напряжений и интерполируя число циклов до разрушения. Анализ характеристик многоцикловой усталости включает оценку допускаемого размера дефектов рассматриваемой детали с помощью методов механики разрушения. Применительно к малоцикловой усталости такие методы можно использовать для прогнозирования роста трещины и назначения сроков проверки или замены детали.

При таком подходе сроки службы деталей могут превысить время до возникновения трещины. Однако вполне вероятно, что в условиях многоцикловой усталости любая трещина, распространяющаяся в результате колебания напряжений, связанного с оборотами двигателя, приведет к разрушению за весьма короткое время.

Долустиаый разлхер трещины. Процедура назначения допустимых размеров дефекта начинается с того, что определяют размер, которого трещина не достигнет при ожидаемом уровне переменных напряжений. Затем придают этому размеру смысл предельного роста трещины за число циклов нагружения, предусмотренное паспортом для запуска турбины. Определив размер, начиная с которого трещина вьграстает до предельного за расчетный срок службы турбины, принимают его за начальный допустимый размер трещины. Однако решение задачи этим не исчерпывается.

Чтобы паспортное значение допустимого исходного размера трещины гарантировало низкую скорость ее роста до недопустимого уровня, это значение уточняют на базе статистических оценок и методов неразрушающего контроля. Коррозия — одна из главных причин, заставляющих менять лопатки в промышленных турбинах. Помимо вклада в разрушение, осуществляемого за счет других механизмов (в основном за счет малоцикловой усталости), она способна вызвать отказ и сама по себе. Это происходит, когда коррозия изменяет до недопустимой степени аэродинамическую форму и 75 вершинный зазор деталей газового тракта, так что снижается выходная мошность турбины до уровня, требуюшего замены деталей, нарушается система охлаждения или становится сомнительной несущая способность детали.

Рабочие лопатки всегда были в большей степени подвержены высокотемпературной коррозии, чем сопловые лопатки или детали камеры сгорания, поскольку для их изготовления применяли преимущественно сплавы на никелевой основе. При некоторых режимах эксплуатации коррозионная долговечность исчерпывается значительно раньше, чем долговечность, обусловленная ползучестью и усталостью. Представление о подлинном механизме высокотемпературной коррозии пока остается спорным (см.гл.12), однако большинство специалистов согласно, что ее необходимым условием является присутствие солей щелочных металлов вроде ХазВО4.

Эту соль образуют г4а (К ведет себя аналогичным образом) и 3, которые в изобилии вносятся топливом и воздухом. Коррозию вызывают также оксиды т' и сульфаты или оксиды РЬ. Управление содержанием серы как метод подавления коррозии оказалость неэффективным, однако ослабить коррозию можно путем точной регулировки расхода топлива, применения входных фильтров и ингибиторов. Чтобы повысить сопротивление лопаток коррозии, их изготавливают из специально разработанных и модифицированных сплавов. Теперь в авиадвигателях и промышленных турбинах применяют защитные покрытия, что также существенно продляет срок службы лопаток (рис.2.17).

Повысить живучесть лопаток в условиях коррозии можно и путем изменения их конфигурации, в частности, оптимизировав толщину их стенки, т.е, расстояние между наружной поверхностью и поверхностью внутренних охлаждающих каналов; в результате обеспечивается улучшенное сочетание температуры поверхности лопатки с корроэионными потерями (16). Для проведения подобной оптимизации и прогнозирования живучести детали требуется достаточно точная модель развития коррозии.

До недавних пор считали, что модель коррозионных потерь проста: скорость коррозии (толшина слоя металла, уносимого с поверхности детали за один час) есть возрастаюшая функция количества Ха, К, »У или РЬ, поступающего в рабочую среду (из топлива и воздуха), и температуры поверхности металла по газовому тракту. Этот взгляд 76 7427» аь чй Рве.2.17. Ретроспективная дваграмма разработки покрытий. Стойкость покрытвй определена в стендовой камере сгорания прв 871 оС: 1 — алюманнд днффузвонного провсконденвя; 2 — модвфнннрованный алюмнннд; 3 — облвповочные слои (тяпа МС»А1»); 4 — РГА1; 5 — композитные аблвповочные слов ГР5Р ГР2П ГР5а ГИь~ изменился под влиянием двух наблюдений.

Во-первых, случаи агрессивного воздействия среды были отмечены на охлажденных частях рабочих и сопловых лопаток. Во-вторых, на рабочих лопатках последней ступени, где температура ниже той, что считалась пороговой для развития высокотемпературной коррозии, обнаружили питтинговую коррозию. В настоящее время полагают, что охлаждение лопасти ускоряет коррозию за счет конденсации расплавов солей на ее поверхности. Явлению коррозии рабочих лопаток последней ступени дали название "коррозия при умеренных температурах"", чтобы подчеркнуть отличие ее механизма от механизма классической высокотемпературной коррозии, обнаруженной при температуре металла выше 900 оС. Полагают, что за коррозию при умеренных температурах ответственны жидкие фазы, скомбинированные из ХазбО» с сульфатами ЬЯ и Со, устойчивыми при температурах ниже 800 оС. Практически полезная модель коррозии включает в себя несколько назависимых переменных: температуру поверхности металла, температуру газа, химический состав покрытия, его толщину, допустимые коррознон;1ые потери, химический состав металлических деталей, уровень загрязнения продуктов сгорания.

Изготовители турбин разработали подобные пАдаптвровано переводчиком от орнгвнального Чоюлстрсгагигс Ло» со»гонов". Прим, перса 77 модели и создали ряд испытательнь1х методов, позволяющих исследовать влияние этих независимых переменных на процесс коррозии, Данные модели являются предметом частной собственности, поскольку их применение связано с особенностями конструкции, а расходы на получение результатов весьма велики. Проверенные модели имеют вид массива численных данных или наборов кривых, характеризующих коррозионные потери для конкретных сочетаний независимых переменных.

2А. Многоосные напряженные состояния и анизотропия В охлаждаемых сплавах и рабочих лопатках напряженное состояние в критических участках гораздо сложнее, чем в образцах, используемых для испытаний на ползучесть и усталость. Вообще говоря, общедоступны только данные по одноосному нагружению, так что при конструировании деталей приходится прогнозировать служебную долговечность в условиях двух- или трехосного нагружения, пользуясь данными для одноосного напряженного состояния. Методы анализа напряжений в деталях сложной конфигурации становятся все более тривиальными, поэтому определить характер напряженного состояния и уровень напряжений проще, чем установить точную модель поведения материла.

Многоосные налряэкенные актояния охлазсдае.аых лоластей Температурно-зависимые напряженные состояния ведущих кромок рабочих лопаток с круглыми концентрическими охлаждающими каналами анализировали методом замкнутой формы [17[. Нашли, что в точке застоя на наружной поверхности напряженное состояние двухосное, причем компонента напряжения, направленная по контуру (а,), и компонента, направленная вдоль кромки (а ), перпендикулярны друг другу. Перпендикулярная к ним компонента (а„), нормалъная к поверхности, равна нулю (рис.2.18). Компоненты а, и а суть главные напряжения, одинаковые по величине и знаку. Исходя из этого и расчитав эффективное напряжение по Хуберу-Мизесу-Хенки (НпЬег — М)яев-Нелиу), найдем его равным по вели- 7$ Риса.1ц Няпряжсинсе состояние идсялиэироввннпа всдушса кромки лопасти лопатки в условиях коивскнионного охдяждсния (б 6, аэ — гдявнмс няпряжения): н я' 1 — охлаждянщна поток 1 ! 1 бе ! б и ! чине любому из двух главных напряжений, не равных нулю.

На напряжение, возникающее из-за температурного градиента, накладывается действие центробежной силы. У большинства охлаждаемых сопловых лопаток, облицовочных плиток камеры сгорания и рабочих лопаток, снабженных пленочной, отражательной или змеевиковой системами охлаждения, напряженное состояние более сложное. Чтобы оценить его достаточно точно, нужны разносторонние совершенные методы. На практике для расчета деталей, которые будут работать в сложнонапряженном состоянии, конструкторы пользуются данными испытаний на ползучесть и усталость при одноосном нагружении, однако при этом они проводят опытную проверку принятых решений.

Таким образом, например, используют внеплоскостную компоненту напряженного поля рабочих и сопловых лопаток турбины для расчета их долговечности в условиях ползучести [17[. Принимая подобный подход, исходят из предположения, что компоненты напряжения в плоскости лопасти возникают исключительно из-за температурных эффектов (а не под воздействием рабочих нагрузок) и в дальнейшем постепенно релаксируют. Локальное внеплоскостное напряжение используют для расчета мгновенных значений скорости локальной внеплоскостной деформации ползучести; в свою очередь, результаты этого расчета включают в компьютерный анализ перераспределения напряжений, расчета новой скорости ползучести и так далее с конечным результатом в виде расчетного значения долговечности детали. Практика дает множество данных, подтверждающих справедливость такого подхода.