Диссертация (1025933), страница 14
Текст из файла (страница 14)
главу 3), где в качествеминимизируемого параметра задавалось эквивалентное напряжение в диске покритерию Мизеса при уровне оборотов 70000 об/мин. Это необходимо длямногократного использования данного ротора. Перед проведением расчѐтовбыла получена кривая деформирования на растяжение образца, вырезанного изштамповки материала ЭИ961ш для изготовления диска (Рис. П.3, Приложение).Рис. 4.2. Модельный ротор для испытания керамических лопатокИзготовленные элементы ротора показаны на Рис.
4.3. Профиль замкаполучен электроэрозионным методом.125Рис. 4.3. Элементы модельного ротора с керамическими лопаткамиПроводилосьдватипаэкспериментальныхисследований:1)безиспользования проставок в области контакта и 2) с медными проставкамитолщиной 0,1 мм, Рис. 4.4. В испытаниях устанавливались две лопатки впротивоположных пазах. Ротор предварительно балансировался.Рис. 4.4. Использование в контакте медных проставок толщиной 0,1 мм1264.2. Численное моделирование раскрутки ротораПеред проведением испытаний проводилось численное моделированиераскруткиротораРазработана[157].конечно-элементнаямодель,учитывающая, что проводится испытание 2-х лопаток. Она включает в себясектор металлического диска в 180 градусов – синий цвет, керамическуюлопатку – фиолетовый цвет, фторопластовую проставку – красный цвет,медную проставку толщиной 0,1 мм между диском и лопаткой (Рис.
4.5).При конечно-элементом моделировании задавались следующие граничныеусловия: поступенчатое увеличение частоты вращения от 0 до 100000 об/мин;условие контакта в замке с коэффициентом трения 0; условие циклическойсимметрии; ограничение перемещений нескольких узлов сектора диска восевом направлении, чтобы исключить перемещение модели как жѐсткогоцелого. Для металлического диска использовался материал ЭИ961ш с модельюупрочненияMultilinearKinematicкритерийHardening,возникновенияпластических деформаций ‒ Мизеса. Для керамических лопаток задавалсяматериал с упругими свойствами (Таблица 3.7).Предел прочности на растяжение керамического хвостовикаζРпризадаваемом уровне надѐжности с учѐтом эффективного объѐма Vи/Vef=1,05 иданных Таблицы 3.7 определялся из соотношения (1.8).Выделены 3 характерные зоны (Рис. 4.6): 1 – зона контакта хвостовикалопатки с диском (для неѐ определялись значения напряжения смятия σсм имаксимального контактного напряжения ζ max ); 2 – зона, в которой возникаютkмаксимальныерастягивающиенапряжениявлопатке(определялосьмаксимальное значение первого главного напряжения); 3 – зона паза диска, гдевозникаютмаксимальныепластическиедеформациимаксимальные значения эквивалентного напряжения σМИЗД(определялисьи пластической127деформации по Мизесу).
Оценка контактной прочности ζ изд производиласьkпо гипотезе из главы 2, соотношение (3.9).Рис. 4.5. Конечно-элементная модель ротораРис. 4.6. Характерные зоныВ Таблице 4.1 представлены результаты расчѐтов. На Рис. 4.7 показаноизменение значений первого главного напряжения в хвостовике лопатки иэквивалентной пластической деформации по Мизесу в пазе диска прираскрутке ротора, на Рис. 4.8 приведено изменение значений максимальныхконтактных напряжений в случаях (1) модели «без проставок», (2) «с меднымипроставками толщиной 0,1 мм» и напряжения смятия.Таблица 4.1.Результаты расчѐтов раскрутки модельного ротораRaζ р ,ζ,ω,миз дМПа об/мин МПаζ,смМПаmax , ζmax ,ζ изд , ζk(1)k(2)kМПаМПаМПа0,920367800730312150173213970,9918164000702278150154812510,99999911450800518193150974790128Рис. 4.7. Изменение значений первого главного напряжения в хвостовикелопатки и эквивалентной пластической деформации по Мизесу в пазе дискаРис.
4.8. Изменение значений максимальных контактных напряжений вслучаях (1), (2) и напряжения смятия129Распределение первых главных напряжений в модельной лопатке иэквивалентных напряжений по Мизесу в диске при ω 66845 об/мин показанона Рис. 4.9 и 4.10 соответственно. Распределение контактных напряжений длямоделей (1) и (2) при ω 66845 об/мин показано на Рис. 4.11 и 4.12соответственно.Рис. 4.9. Первые главные напряжения Рис. 4.10. Эквивалентные напряженияв лопатке, МПапо Мизесу в пазе диска, МПаРис. 4.11.
Контактные напряжения вРис. 4.12. Контактные напряжения вмодели (1), МПамодели (2), МПа1304.3. Описание экспериментального стендаИспытания проводились на разгонном стенде с установленной приводнойтурбиной фирмы Test Devices Inc в свинцовой камере, Рис. 4.13, 4.14.Основными контролируемыми параметрами являлись: частота вращения (припомощи датчика 1) и максимальное виброперемещение демпферной опоры (припомощи датчика 2) ‒ Таблица 2. Исследуемая модель присоединялась кразгонной турбине посредством вала 3 (Рис. 4.13).Таблица 4.2.Контролируемый параметр при испытании№п/п1.2.СредствоизмеренияТахометр Testo465 типа№48431-11Вихретоковыйдатчик BentleyNevadaКонтролируемыйпараметрЧастота вращенияВиброперемещениеопорыДиапазонизмеренийОграничение1…99999 об/мин 80000 об/миндо 2 ммРис. 4.13. Приводная турбина250 мкм131Рис.
4.14. Установка модельного ротора на стенд4.4. Программа и результаты стендовых испытаний модельнойконструкции ротораПроводилось два испытания модельного ротора (без нагрева объекта): 1 –без проставок в контакте; 2 – с медными проставками толщиной 0,1 мм [158,159].Порядок проведения эксперимента:1. Установить приводную турбину на разгонный стенд.2. Установить модельный ротор на стенд; подготовить стенд к запуску.Задать основные ограничения испытаний для аварийной остановки стенда,указанные в Таблице 4.2.3.
Настроить систему сбора данных для фиксации следующих значений повремени: частоты вращения n; виброперемещений на демпферной опоре.4. Подготовить стенд к запуску.1325. Провести проверку работоспособности всех систем в ручном режиме сувеличением частоты вращения до 8000 об/мин и последующим полнымостановомобъектаиспытаний.Припроведениипроверкиустановитьмаксимальную частоту вращения равной 99000 об/мин.6.
Испытания проводить до момента разрушения керамической лопаткимодельного ротора. Решение о снижении частоты вращения во времяпроведения испытаний принимает ответственный исполнитель.В случае вынужденной остановки испытаний при выполнении основногоэтапанагруженияпопричинеотказатехнологическогооборудованиязафиксировать в протоколе испытаний частоту вращения, при которойпроизошел отказ и причину отказа. После устранения причины отказапродолжить испытания по согласованию с ответственным исполнителем.7.
В случае разрушения керамической лопатки зафиксировать в протоколеразрушающую частоту вращения.8. Остановить стенд в соответствии с технологической инструкцией.9. Провести демонтаж объекта.На Рис. 4.15 показано изменение частоты вращения модельного ротора повремени и соответствующие виброперемещения демпферной опоры. Краснымиточкамивыделенымоменты,вкоторыепроисходилрезкийроствиброперемещений. Эти моменты приняты за моменты разрушения. Кадры,полученные при видеосъѐмке, представлены на Рис. 4.16.
На Рис. 4.17 показанротор без проставок после испытаний. Выделены две зоны разрушения: 1 ‒ вобласти максимальных растягивающих напряжений в хвостовике модельнойлопатки и 2-ая ‒ в области контакта модельной керамической лопатки сметаллическим диском.133Рис. 4.15. Результаты стендовых испытаний134Рис. 4.16. Разрушение керамической лопаткиРис.
4.17. Модельный ротор после испытаний1354.5. Сопоставление теоретических и расчѐтных данныхПри обоих типах испытания разрушение происходило в области переходаот контактной грани лопатки к ножке ‒ где действуют максимальныерастягивающие напряжения. В случае без проставок получено Nразр 1=67784об/мин, в случае с медными проставками толщиной 0,1 ммNразр 2=64702об/мин. Из диаграммы испытаний момент разрушения в области контактавыявитькрайнесложно.Порасчѐтно-экспериментальнойметодике,предложенной в данной работе (соотношение 2.9), момент разрушения вконтакте соответствует Nразр к=44600 об/мин. На Рис.
4.18 показаны лопатки(слева направо): до испытаний, после испытаний без проставок; послеиспытаний с медными проставками толщиной 0,1 мм. Сравнение результатовэксперимента и расчѐтов – Таблица 4.3.Рис. 4.18. Керамические лопатки до и после испытанийТабл. 4.3Сравнение полученных экспериментальных данных с расчѐтными значениямиразрушающей частоты вращенияNоб/минразр 167784Nразр 264702Nразр КЭ64000N разр к446001364.6.
Выводы к главе 41. Проведено исследование несущей способности замковых соединений слопатками из керамики «К» в составе модельного ротора без использованияпроставок и с медными проставками толщиной 0,1 мм. Моменты разрушенияопределялисьподиаграммамизменениячастотывращенияивиброперемещения демпферной опоры приводной турбины. В первом случаеразрушение произошло при частоте вращения 67784 об/мин, а во втором – при64702 об/мин.
Различие полученных разрушающих частот вращения, непревышает 5%, и объясняется разбросом характеристик керамики. Расчѐтноезначение разрушающей частоты вращения при уровне надѐжности 0,99составило 64000 об/мин. Экспериментальные данные хорошо согласуются срезультатами расчѐтов.2.Разрушениекерамическихлопатокпроисходиловобластисмаксимальным растягивающим напряжением – радиус перехода от контактнойграни лопатки к ножке. При отсутствии проставок разрушение происходилотакже и в области контакта, однако момент разрушения по диаграммам выявитьне удалось. Разрушающая частота в области контакта составила 44600 об/мин ибыла определена теоретически (см.
главу 2).3. Благодаря оптимальной форме паза, модельный металлический дисккратковременно сохраняет работоспособность до уровня растягивающихнапряжений в керамических хвостовиках не менее 430 МПа. По отношению ктиповому режиму «Крейсер» может быть обеспечена перегрузка R>2,3. Впредыдущих работах двигателестроительных фирм отмечалась сложностьобеспечения R>1,3 из-за недостаточной прочности металлических дисков.Поэтому предложенная модель пригодна для ресурсных испытаний сперегрузкой и для испытаний по отбраковке керамических лопаток с низкимихарактеристиками.137ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИИМагистральным1.направлениемвсозданииперспективныхгазотурбинных двигателей летательных аппаратов является применениевысокотемпературнойконструкционнойкерамикиикерамоматричныхкомпозитов.
Ведущиеся исследования в этой области сопровождаются поискомоптимальных конструкторских решений в узлах соединения керамическихлопатоксметаллическимидискамирабочихколес.Информацияопреимуществах тех или иных вариантов носит отрывочный и противоречивыйхарактер, что требует для решения междисциплинарных задач, возникающихприпроектировании,новыхинструментов,втомчислеметодик,вычислительных программ и формирования баз данных.2. При постановке исследования основное внимание было уделеноконструкции соединения лопаток с диском типа «ласточкин хвост», а длямоделирования температурного и напряженно-деформированного состояниябыли выбраны два вида керамик: на основе карбида кремния, армированногоалмазными частицами «К», и из горячепрессованного нитрида кремния «Н»,имеющих высокий уровень механических характеристик и отлаженнуютехнологию производства.
Разработаны универсальные методики расчетноэкспериментальногоопределенияконтактнойпрочностииконтактноготермического сопротивления, применимые и для других теплонагруженныхузловсоединения«керамика-металл»ваэрокосмическойтехнике.Предложенные методики проектирования и экспериментального исследованиянесущей способности замкового соединения керамических лопаток могут бытьиспользованы при изменении формы узла соединения и применении керамик сулучшенными механическими характеристиками.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
