Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей под ред. Хронина Д. В. (1014169), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Изгибающие моменты н температурные напряжения продольной силы в сечении не создают. Тогда йоов = (5,44) оов оов ' Задача состоит в том, чтобы найти сечение лопатки, где эапц прочности имеет минимальное значение. Для компрессорных лопаток, у которых изменение температуры вдоль лопатки незначительно, предел длительной прочности является постоянной величиной.
Поэтому опасным сечением лопатки, где запас прочности имеет минимальное значение, будет или корневое сечение, или сечение, лежащее в зоне, близкой к корневому сечению. В турбинных лопатках предел длительной прочности материала изменяется вдоль лопатки соответственно изменению температур. ас выбирается по средней температуре сечения. Опасное сечение лопатки, где запас прочности минимальный, не совпадает с сечением, где напряжение максимально. На рис. 5.23 показаны изменения напряжений и запасов прочности по средним напряжениям для турбинной лопатки.
Опасное сечение находится на расстоянии (0,25 ... 0,4) 1 от корневого сечения. Запас прочности по местным напряжениям определяется по суммарному напряжению в отдельных точках сечения о учетом изгибающих моментов и температурных напряженийл й, = асс'ав. (5,45) Для компрессорных лопаток минимальный запас прочности будет в том сечении и в тех точках, где суммарное напряжение растяжения максимально. Такие точки лежат в зоне входной и выходной кромок лопатки. Суммарное напряжение в этих точках определяется по формуле (5.46) са ' га Следует напомнить, что суммарные изгибающие моменты Мз и М„для компрессорной лопатки отрицательны (см.
рис. 5.10). Координаты т), точек входной и выходной кромок также отрицательны. Поэтому первые два члена формулы имеют определяющее значение, так как напряжения складываются и имеют большие величины. 255 Рнс. 5.24. Определенна запасок прочности по суммарным местным напряженкам: »,ии »гр », а — температура гана пе ред и аа турбиной у — тем пература лопатки; С вЂ” сум кариме иапраменин и ка рактернай точке, "аа н /аа аапао месту ной прочности у »ар уор ура уаа г,'с р»оо г»та -, и»» и Оценка запаса прочности лопатки по одному из режимов, хотя бы и самому тяжелому, не является достаточно точной, так как работа на других режимах оставляет в материале лопатки определенные повреждения, снижая ее запас прочности, Более точная оценка надежности лопатки, ее ресурса, основывается на представлении о повреждаемости материала лопатки за время нахождения ее под нагрузкой и возможности суммирования повреждений на всех основных режимах работы лопатки.
Простейшее допущение при суммировании повреждений, получившее широкое распространение, заключается в том, что повреждение ЛП», полученное за время 1» работы на режиме с определенным напряжением а» и температурой Ть считается равным относительной продолжительности работы на этом режиме [5): »» г 4 а*с Местное напряжение в турбинных лопатках определяется по формуле (5.38). Ввиду того что предел длительной прочности меньше предела текучести материала, параметр а' пластических деформаций в этих формулах можно положить равным нулю.
В каждом сечении лопатки отыскиваются точки с минимальным запасом прочности, При большой разности температур между входной и выходной кромками и средней частью сечения лопатки опасные точки находятся на контуре средней части сечения с вогнутой стороны. Вследствие различия температур в отдельных точках, модулей упругости Е и пределов длительной прочности а»" точки сечения с минимальным запасом прочности не совпадают . с точками максимальных напряжений. Задача сводится к тому, чтобы с помощью формулы (5.45) найти сечение в нижней половине лопатки и точку в этом сечении, где запас прочности по местному напряжению имеет минимальное значение, На рнс.
5.24 показано распределение запасов местной прочности по длине лопатки, связанное с распределением температур, по ее длине. Запас прочности устанавливается на основании экспериментальных данных и опыта эксплуатации и доводки двигателей. Запас прочности лопаток по средним напряжениям лежит в пределах 1,5 ... 1,8 [31) и является определяющим, так как показывает общее напряженное состояние и наличие резервов прочности у лопатки, а запас прочности по местным напряжениям — в пределах 1,3 ... 1,5 П 7) и показывает очаги пластических деформаций и возможных разрушений. 5.1.8. Оценка запасов длительной прочности лопаток турбин Лопатки турбин ГТД работают на многих режимах, отличаю- шихся уровнем напряжений и температурами. Время пребывания на каждом режиме определяется условиями эксплуатации двигателя, его рабочими и переходными режимами. 256 ЛП = — » (5.47) где» вЂ” время до разрушения при данных значениях о» и Т;.
Отношение !»/!»р, как правило, меньше единицы. Если окажется наоборот, что»» больше !»р, то это будет означать, что материал не выдерживает заданной длительности работы 1» с напряжением а» при температуре Т». Для определения связи между 1»р и действующими в опасном сечении или точке условиями нагружения а» и Т» можно воспользоваться степенной аппроксимацией зависимости предела длительной прочности от времени разрушения: (5.48) одл(р - С (7 ) где С (Т) — постоянная величина, зависящая только от температуры; и — показатель степени, который зависит от температуры и материала (табл. 5.1 [5)).
Значения лтт соответствуют длительности !р от 1 до 1О ч, значения та — большей длительности. Константу С (Т) можно определить, если известен предел дчнтельиой прочности для данного материала и температуры Т». Например, Таблнца 51 Материал Материал г, с ХН77ТЮР ЖС6К 21,3 10,9 10,3 ХН55ВМТФКЮ 20,0 17Я 12,5 9,2 ХН70ВМТЮ 9 п»р д. в. хроанна 600 700 800 900 700 850 900 950 21,0 !5,8 !2,8 10,0 14,0 10,8 7,2 5,7 45 14,7 6,9 6,2 5,4 700 800 900 1000 1050 600 700 800 900 5,9 5,0 4,1 8,5 6,0 4,8 для сплава ЭИ437Б при Т = 700 'С предел длитель и л ной прочности р м„ вЂ” — 0 МПа. Тогда значение константы будет равно С(Т = 700') = 440т' 100 = 1,05 10". Зная константу, по формуле (5.48) можно определить время до разрушения 11р для действующего напряжения п~ и по форм ле (5.47) — степень повреждаемости материала АП Соответственно и ла т за время »и,= (~ П ри последовательной работе на различных е х режимах повреу ру ся.
Общая степень повреждения за определенный ресурс двигателя равна сумме повреждений, полученных на отдельных режимах, составляющих ресурс1 ь » ,, ~,;1р/ Сумма относительных повреждений дол б олжна ыть меньше едиицы. противном случае это будет свидетельствовать о что материал лопатки не вь е ь о том, аб .Д и не выдерживает всего заданного ресурса ра оты. Для новой лопатки П = О. По ме е на аб мер наработки степень Ее растает, а надежность лопатки уменьшается. е можно оценивать разностью 1 — П. Степень суммарной повреждаемости П явл т рактеристикой и является важной ха- ' запас п ой надежности лопатки, дополняюще" й оценку по лопаток по ес у рочности.
Она позволяет вести проект р б р урсу. и ование тур инных ' 5.1.7, Понятия о ма лоцикловои термической усталости лопаток п В конструкционных материалах, особ од действием статических нагрузок п оисхо евно в жа оп очных Р Р и повреждений„что приводит к их разрушению че ез вполне определенный промежуток времени. шению через Если напряжение в материале превышает предел вы нослир ура достаточно высока, то многократные изменения напряжений или темпе ат ц с накопления повреждений и выносливость материала уменьшается в сотни и тысячи раз. В этих сл чаях учаях работоспособность циклов изме яется не в еменем р до разрушения, а количеством в изменения напряжений и темпе ат Р УР к~~орое способен ваемых материалом, не менее 1О'.
Если те и наряду с упругими деформациями возникают пластические, то материал способен выдержать не более 10' .„10» цнк- 258 5,5п»,1 — о,л + р» (5.50) где о, и Š— предел прочности и модуль упругости материала при 1 температуре испытания; 17 = 1п; ф — поперечное сужение »9 ~ при разрыве (обычно равно 0,1 ... 0,4). Формула используется при симметричном цикле изменения деформаций. Малоцикловая термическая усталость существенно зависит от длительности цикла, т. е. от времени выдержки материала при высокой температуре.
Число циклов до разрушения прн этом Резко уменьшается. 9» 259 Различают две разновидности малоциклового нагружения, Если температура в течение всего времени сохраняется постоянной и имеет место циклическое изменение напряжений, то разрушение происходит от малоцикловой усталости. Если напряжение в детали сохраняется постоянным, а происходит циклическое изменение температуры без изменения напряжения, то разрушение происходит также быстро от термической усталости. На практике в неравномерно нагретых деталях изменение температуры всегда сопровождается изменением напряжений.
Обе разновидности малоциклового нагружения существуют одновременно, дополняя друг друга. Поэтому вся область работы материала при циклическом изменении температур и напряжений получила название малоцикловой термической усталости. Долговечность деталей ГТД, таких, как, например, рабочие и сопловые лопатки, диски турбин, детали камеры сгорания, реактивного сопла, определяется малоцикловой усталостью. Это определяет ресурс всего двигателя в целом.
В лопатках турбин ГТД условия малоцикловой термоусталости возникают вследствие неравномерности распределения температур по объему лопатки и их изменения при смене режима работы двигателя. Эти изменения дополняются изменением внешних рабочих нагрузок. Приведенные выше методы расчета прочности лопаток позволяют определить распределение напряжений по сечению лопатки и по ее длине с учетом распределения температур для любого режима работы двигателя. Расчеты с учетом пластических деформаций и ползучести дают значения остаточных деформаций во всех точках лопатки по истечении определенного времени работы на режиме. Эти данные являются исходными для оценки малоцикловой термоусталости лопатки турбины и определения ее наиболее опасной зоны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
