Вплив кристалографічної орієнтації монокристалічних матеріалів на напружений стан робочих лопаток турбін - Автореферат

Удосконалення конструкції робочих лопаток турбін і підвищення ефективності їх охолодження, впровадження технології лиття монокристалів жароміцних нікелевих сплавів, які характеризуються істотною анізотропією фізичних і механічних властивостей, а також особливостями механізмів їх деформування і руйнування, обумовлюють необхідність підвищення достовірності визначення напружено-деформівного стану (НДС) і створення ефективних методів оцінки міцності турбінних лопаток як визначального моменту в забезпеченні надійності і ресурсу двигуна в цілому. Крім того, оскільки серійна технологія виготовлення лопаток допускає відхилення кристалографічної орієнтації (КГО) від заданої, актуальним також стає визначення можливості експлуатації таких лопаток і забезпечення їх ресурсу. З огляду на викладене, достовірне визначення характеристик статичного і динамічного станів монокристалічних робочих лопаток турбін з урахуванням неминучої анізотропії властивостей матеріалу і впливу реальних експлуатаційних режимів навантаження представляє собою актуальну і разом з тим складну науково-технічну задачу. Мета роботи полягає в удосконаленні розрахунково-експериментальних методів аналізу статичного і динамічного станів монокристалічних робочих лопаток турбін і визначенні закономірностей впливу кристалографічної орієнтації монокристалічних матеріалів на напружений стан таких лопаток з урахуванням експлуатаційних режимів навантаження. Наукова новизна отриманих результатів полягає в адаптації розрахункових методів на основі МСЕ з застосуванням тривимірних розрахункових моделей монокристалічних лопаток для визначення їх напруженого стану та встановленні закономірностей впливу кристалографічної орієнтації матеріалів на характеристики статичного і динамічного станів, а саме: розподіл напружень в лопатках та зміну умов їх взаємодії по бандажних полицях, формування спектру власних частот і форм коливань, а також розробці методу визначення границі витривалості лопаток з урахуванням експлуатаційних режимів навантаження, на основі яких запропоновані рекомендації з раціонального вибору кристалографічної орієнтації матеріалу.Спочатку, для підтвердження правомірності запропонованих розрахункових моделей, були проведені розрахунки з визначення залежностей зміни напружень лопаток від азимутальної орієнтації в деяких характерних точках поперечного перетину для випадку, коли поздовжня вісь співпадає з напрямком . Далі, з огляду на особливості механізмів руйнування та технології виробництва охолоджуваних монокристалічних лопаток, були виконані розрахунки з визначення розподілів як максимальних головних, так і приведених дотичних напружень в залежності від азимутальної орієнтації для випадків, коли поздовжня вісь лопатки z" співпадає з кристалографічним напрямком (a = 00) і відхиляється від нього на кут a = 200 у різних довільних напрямках. Використовуючи визначені залежності, були отримані розподіли максимальних значень головних і приведених дотичних напружень при співпаданні поздовжньої осі лопатки з кристалографічним напрямком та її відхиленні в різних напрямках, які представлено на рис. При цьому імовірність руйнування в тій чи іншій зоні пера лопатки залежить від її КГО, як аксіальної, так і азимутальної, оскільки зміна азимутальної орієнтації лопатки може привести до зміни небезпечної зони лопатки, якій відповідає мінімальний коефіцієнт запасу міцності. Отримані закономірності дозволяють прогнозувати величини залишкового розвороту лопатки, втрату натягу по контактуючим поверхням бандажних полиць і зміни напруженості лопаток ще на стадії проектування двигуна.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ