Vibration Features of Titanium Alloy Blades with Erosive Damages
This paper deals with erosive damage influence on the vibration features of the working blades of the fifth-stage of the low pressure cylinder (LPC) of a K-1000-60/3000 steam turbine for a nuclear power plant (NPP). The blades are made of the TS5 titanium alloy and have a length of 1,200 mm. Розгляд...
Saved in:
| Published in: | Проблеми машинобудування |
|---|---|
| Date: | 2018 |
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2018
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158802 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Vibration Features of Titanium Alloy Blades with Erosive Damages / Yu.S. Vorobiov, N.Yu. Ovcharova, A.S. Olkhovskyi, O.V. Makhnenko, V.M. Torop, O.Ye. Hopkalo // Проблеми машинобудування. — 2018. — Т.21, № 4. — С. 13-21. — Бібліогр.: 10 назв. — англ, укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-158802 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Vorobiov, Yu.S. Ovcharova, N.Yu. Olkhovskyi, A.S. Makhnenko, O.V. Torop, V.M. Hopkalo, O.Ye. 2019-09-14T09:05:48Z 2019-09-14T09:05:48Z 2018 Vibration Features of Titanium Alloy Blades with Erosive Damages / Yu.S. Vorobiov, N.Yu. Ovcharova, A.S. Olkhovskyi, O.V. Makhnenko, V.M. Torop, O.Ye. Hopkalo // Проблеми машинобудування. — 2018. — Т.21, № 4. — С. 13-21. — Бібліогр.: 10 назв. — англ, укр. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158802 539.3 This paper deals with erosive damage influence on the vibration features of the working blades of the fifth-stage of the low pressure cylinder (LPC) of a K-1000-60/3000 steam turbine for a nuclear power plant (NPP). The blades are made of the TS5 titanium alloy and have a length of 1,200 mm. Розглядається вплив ерозійних пошкоджень на особливості коливань робочих лопаток п'ятого ступеня циліндра низького тиску (ЦНТ) парової турбіни К-1000-60/3000 для атомної електростанції (АЕС). Лопатки виготовлені з титанового сплаву ТС5 і мають довжину 1200 мм. Рассматривается влияние эрозионных повреждений на особенности колебаний рабочих лопаток пятой степени цилиндра низкого давления (ЦНД) паровой турбины К-1000-60 / 3000 для атомной электростанции (АЭС). Лопатки изготовлены из титанового сплава ТС5 и имеют длину 1200 мм. en Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблеми машинобудування Dynamics and Strength of Machines Vibration Features of Titanium Alloy Blades with Erosive Damages Особливості коливань лопаток з титанового сплаву з ерозійними пошкодженнями Особенности колебаний лопаток из титанового сплава с эрозионными повреждениями Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Vibration Features of Titanium Alloy Blades with Erosive Damages |
| spellingShingle |
Vibration Features of Titanium Alloy Blades with Erosive Damages Vorobiov, Yu.S. Ovcharova, N.Yu. Olkhovskyi, A.S. Makhnenko, O.V. Torop, V.M. Hopkalo, O.Ye. Dynamics and Strength of Machines |
| title_short |
Vibration Features of Titanium Alloy Blades with Erosive Damages |
| title_full |
Vibration Features of Titanium Alloy Blades with Erosive Damages |
| title_fullStr |
Vibration Features of Titanium Alloy Blades with Erosive Damages |
| title_full_unstemmed |
Vibration Features of Titanium Alloy Blades with Erosive Damages |
| title_sort |
vibration features of titanium alloy blades with erosive damages |
| author |
Vorobiov, Yu.S. Ovcharova, N.Yu. Olkhovskyi, A.S. Makhnenko, O.V. Torop, V.M. Hopkalo, O.Ye. |
| author_facet |
Vorobiov, Yu.S. Ovcharova, N.Yu. Olkhovskyi, A.S. Makhnenko, O.V. Torop, V.M. Hopkalo, O.Ye. |
| topic |
Dynamics and Strength of Machines |
| topic_facet |
Dynamics and Strength of Machines |
| publishDate |
2018 |
| language |
English |
| container_title |
Проблеми машинобудування |
| publisher |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Особливості коливань лопаток з титанового сплаву з ерозійними пошкодженнями Особенности колебаний лопаток из титанового сплава с эрозионными повреждениями |
| description |
This paper deals with erosive damage influence on the vibration features of the working blades of the fifth-stage of the low pressure cylinder (LPC) of a K-1000-60/3000 steam turbine for a nuclear power plant (NPP). The blades are made of the TS5 titanium alloy and have a length of 1,200 mm.
Розглядається вплив ерозійних пошкоджень на особливості коливань робочих лопаток п'ятого ступеня циліндра низького тиску (ЦНТ) парової турбіни К-1000-60/3000 для атомної електростанції (АЕС). Лопатки виготовлені з титанового сплаву ТС5 і мають довжину 1200 мм.
Рассматривается влияние эрозионных повреждений на особенности колебаний рабочих лопаток пятой степени цилиндра низкого давления (ЦНД) паровой турбины К-1000-60 / 3000 для атомной электростанции (АЭС). Лопатки изготовлены из титанового сплава ТС5 и имеют длину 1200 мм.
|
| issn |
0131-2928 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158802 |
| citation_txt |
Vibration Features of Titanium Alloy Blades with Erosive Damages / Yu.S. Vorobiov, N.Yu. Ovcharova, A.S. Olkhovskyi, O.V. Makhnenko, V.M. Torop, O.Ye. Hopkalo // Проблеми машинобудування. — 2018. — Т.21, № 4. — С. 13-21. — Бібліогр.: 10 назв. — англ, укр. |
| work_keys_str_mv |
AT vorobiovyus vibrationfeaturesoftitaniumalloybladeswitherosivedamages AT ovcharovanyu vibrationfeaturesoftitaniumalloybladeswitherosivedamages AT olkhovskyias vibrationfeaturesoftitaniumalloybladeswitherosivedamages AT makhnenkoov vibrationfeaturesoftitaniumalloybladeswitherosivedamages AT toropvm vibrationfeaturesoftitaniumalloybladeswitherosivedamages AT hopkalooye vibrationfeaturesoftitaniumalloybladeswitherosivedamages AT vorobiovyus osoblivostíkolivanʹlopatokztitanovogosplavuzerozíinimipoškodžennâmi AT ovcharovanyu osoblivostíkolivanʹlopatokztitanovogosplavuzerozíinimipoškodžennâmi AT olkhovskyias osoblivostíkolivanʹlopatokztitanovogosplavuzerozíinimipoškodžennâmi AT makhnenkoov osoblivostíkolivanʹlopatokztitanovogosplavuzerozíinimipoškodžennâmi AT toropvm osoblivostíkolivanʹlopatokztitanovogosplavuzerozíinimipoškodžennâmi AT hopkalooye osoblivostíkolivanʹlopatokztitanovogosplavuzerozíinimipoškodžennâmi AT vorobiovyus osobennostikolebaniilopatokiztitanovogosplavasérozionnymipovreždeniâmi AT ovcharovanyu osobennostikolebaniilopatokiztitanovogosplavasérozionnymipovreždeniâmi AT olkhovskyias osobennostikolebaniilopatokiztitanovogosplavasérozionnymipovreždeniâmi AT makhnenkoov osobennostikolebaniilopatokiztitanovogosplavasérozionnymipovreždeniâmi AT toropvm osobennostikolebaniilopatokiztitanovogosplavasérozionnymipovreždeniâmi AT hopkalooye osobennostikolebaniilopatokiztitanovogosplavasérozionnymipovreždeniâmi |
| first_indexed |
2025-11-24T15:50:07Z |
| last_indexed |
2025-11-24T15:50:07Z |
| _version_ |
1850849020120924160 |
| fulltext |
ДИНАМІКА ТА МІЦНІСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Проблеми машинобудування, 2018, Т. 21, № 4
УДК 539.3
ОСОБЛИВОСТІ КОЛИВАНЬ
ЛОПАТОК З ТИТАНОВОГО
СПЛАВУ З ЕРОЗІЙНИМИ
ПОШКОДЖЕННЯМИ
1
Ю. С. Воробйов, д-р техн. наук
vorobiev@ipmach.kharkov.ua
1
Н. Ю. Овчарова, канд. техн. наук
1
А. С. Ольховський
2
О. В. Махненко, д-р техн. наук
makhnenko@paton.kiev.ua
2
В. М. Тороп, д-р техн. наук
3
O. Є. Гопкало
1
Інститут проблем машинобудування
ім. А. М. Підгорного НАН України,
61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10
2
Інститут електрозварювання
ім. Є. О. Патона НАН України
03680, Україна, м. Київ,
вул. Казимира Малевича, 11
3
Інститут проблем міцності
ім. Г. С. Писаренка НАН України
01014, Україна, м. Київ, вул. Тимірязєвська, 2
Розглядається вплив ерозійних пошкоджень на особливості коли-
вань робочих лопаток п'ятого ступеня циліндра низького тиску
(ЦНТ) парової турбіни К-1000-60/3000 для атомної електростан-
ції (АЕС). Лопатки виготовлені з титанового сплаву ТС5 і мають
довжину 1200 мм. Помітні ерозійні пошкодження спостерігалися
в лопатках п'ятого ступеня ЦНТ після відпрацювання понад
180 тис. годин на ВП «Хмельницька АЕС». Найбільша небезпека
виникає за рахунок утворення кратерів і щілиноподібних пошко-
джень. Такі пошкодження викликають концентрацію напружень,
що веде до зниження межі утоми і залишкового ресурсу. Радіус в
усті (фронті) ерозійного пошкодження помітно більше, ніж для
утомної тріщини. За таких пошкоджень контакту берегів по-
шкоджень не спостерігається. В процесі досліджень була розроб-
лена скінченноелементна модель лопатки, що має більш густу сі-
тку в області пошкоджень, але менш густу в основному об’ємі
лопатки. Виконано багатоваріантні чисельні дослідження коли-
вань лопаток з різною кількістю пошкоджень, які розташовані в
різних місцях по довжині лопатки в зоні локалізації напружень, що
виникає за рахунок особливостей форм коливань. Виявлено особли-
вості розподілу напружень в зонах пошкоджень. Показано, що
збільшення кількості пошкоджень призводить до зростання зони
підвищених напружень, але не викликає більшої їх концентрації.
Розглянуто коливання лопаток під час дії навантажень умовної
величини, що дозволило виявити реальні коефіцієнти концентрації
вібраційних напружень в місцях пошкоджень. Це дає можливість
використати досвід аналізу коливань компресорних лопаток з ти-
танових сплавів з пошкодженнями. Виявлено ступінь зниження
межі витривалості лопаток з титанових сплавів з пошкодження-
ми. Розроблено рекомендації щодо запобігання небезпечним режи-
мам роботи лопаток турбін К-1000-60/3000 з пошкодженнями.
Ключові слова: ерозійні пошкодження, коливання, лопатка, ре-
сурс, титановий сплав.
Вступ
Лопатковий апарат сучасних турбін є найбільш відповідальною та напруженою їхньою частиною.
На робочі лопатки діють інтенсивні статичні та динамічні навантаження. Коливання становлять основну
небезпеку для лопаткового апарата турбомашин. Їхньому вивченню присвячено ряд робіт [1–6]. Коливан-
ня лопаток з пошкодженнями, що викликають особливий інтерес, досліджені в [1–4].
Розглядається вплив ерозійних пошкоджень на особливості коливань лопаток п'ятого ступеня
ЦНТ парової турбіни К-1000-60/3000 для АЕС. Лопатки виготовлені з титанового сплаву ТС5 і мають
довжину 1200 мм. Під час тривалої експлуатації у волого-паровому середовищі, що характерне для
останніх ступенів парових турбін, особливо для турбін АЕС, спостерігається помітна ерозія в лопатках.
Такі ерозійні пошкодження спостерігалися в лопатках п'ятого ступеня ЦНТ після відпрацювання понад
180 тис. годин на ВП «Хмельницька АЕС». Найбільша небезпека виникає за рахунок утворення кратерів і
щілиноподібних пошкоджень, як правило, на вхідній кромці лопаток в їх верхній третині. Саме такі по-
шкодження зафіксовані на лопатках п'ятого ступеня ЦНТ турбіни. Найбільш інтенсивні «пилковидні по-
шкодження» по всій товщині вхідної кромки відзначені в робочій лопатці № 74 п'ятого ступеня правого
потоку турбіни ЦНТ 3 енергоблоку № 1 ВП «Хмельницька АЕС» . Такі пошкодження викликають конце-
нтрацію напружень, що веде до зниження межі утоми і залишкового ресурсу. На щастя, концентрація на-
пружень при ерозійних пошкодженнях відрізняється від концентрації напружень при утомних тріщинах.
Це пояснюється тим, що радіус в усті (фронті) ерозійного пошкодження помітно більше, ніж для утомної
тріщини. Основну небезпеку для лопаток з пошкодженнями становлять вібрації.
Ю. С. Воробйов, Н. Ю. Овчарова, А. С. Ольховський, О. В. Махненко, В. М. Тороп, O. Є. Гопкало, 2018
DYNAMICS AND STRENGTH OF MACHINES
ISSN 0131–2928. Journal of Mechanical Engineering, 2018, vol. 21, no. 4
Постановка задачі
Лопатка, коливання якої дослі-
джуються, виготовлена з титанового
сплаву ТС5 і має довжину 1200 мм. В
Інституті проблем міцності іме-
ні Г. С. Писаренка НАН України викона-
но морфологічний та фрактографічний
аналіз властивостей титанового сплаву
лопатки в зоні ерозії після напрацювання
понад 180 тис. годин.
Морфологія ерозійних пошко-
джень лопатки містить глибокі каверни з
загостреними перемичками у вигляді піра-
мідальних елементів з відстанями між ни-
ми 400–700 мкм з радіусом 0,02–0,05 мкм в
усті пошкодження. За таких обставин в зоні
ерозії однієї з лопаток (№ 74) спостерігали-
ся зародкові мікротріщини довжиною 1–
2 мкм і товщиною 1 мкм. В усті каверн ін-
шої лопатки (№ 73) мікротріщини не спо-
стерігалося. Мабуть, це пояснюється тим,
що під час тривалої експлуатації відбува-
ється локалізація пластичних деформацій і
гальмування мікротріщин [7, 8]. Основні
ерозійні пошкодження мають пилкоподіб-
ний характер (рис. 1).
Під час таких пошкоджень контак-
ту берегів пошкоджень не спостерігається.
Морфологічний і фрактографічний
аналізи показали, що механічні властивос-
ті титанового сплаву ТС5 в зоні ерозії вза-
галі відповідають вимогам ТУ [10]. Дегра-
дацій механічних властивостей матеріалу
лопаток після 180 тис. годин експлуатації,
які слід врахувати в моделях лопатки, не
спостерігалося. Однак ерозійні пошко-
дження викликають появу зон локалізації
та концентрації напружень. Ці пошко-
дження призводять до зміни межі утоми
матеріалу і зміни залишкового ресурсу.
Згідно з наявними даними по-
шкодження в тілі лопатки моделюються
вирізами в скінченноелементній сітці ло-
патки глибиною 1–3 мм, шириною 1–
2 мм, з радіусом 0,02–0,05 мм в усті по-
шкодження (рис. 1).
Тому була розроблена скінченно-
елементна модель лопатки, що має більш
густу сітку в області пошкоджень, але
менш густу в решті області (рис. 2). На
форми переміщень і розподіл напружень
а б
Рис. 1. Загальний вигляд ерозійних пошкоджень на сторонах
пера лопатки:
а –тильній; б – лицьовій
Рис. 2. Скінченноелементна модель робочої лопатки з більш
густою сіткою в зоні пошкоджень
ДИНАМІКА ТА МІЦНІСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Проблеми машинобудування, 2018, Т. 21, № 4
в основному об’ємі лопатки, де немає пошкоджень, ці зміни практично не впливають. Зате в області по-
шкоджень вдалося уточнити розподіл напружень, особливо навколо устя пошкодження.
З використанням цієї моделі виконані дослідження коливань лопаток з різною кількістю пошкоджень
та в різних місцях по довжині лопаток в зоні локалізації напружень за рахунок особливостей форм коливань.
Числові дослідження
Досліджено зміну частот для випадків одного і двох пошкоджень. В табл. 1 наведено зміни
частот під дією відцентрових сил та у разі збільшення числа пошкоджень.
Таблиця 1. Зміна власних частот лопатки з урахуванням частоти обертання Ω і з різною кількістю пошкоджень
Частота лопатки без пошкоджень, Гц Частота лопатки з пошкодженнями, Гц № форми
коливань Ω=0 Ω=50 Гц 1 пошкодження Ω=50 Гц 2 пошкодження Ω=50 Гц
1 19,06 72,23 70,44 70,43
2 41,13 113,39 111,89 111,87
3 102,89 183,43 182,38 181,89
4 152,26 222,50 220,04 219,95
5 174,37 271,06 267,85 261,66
6 233,04 375,55 372,92 372,35
Слід відзначити, що на власні частоти лопатки набагато більше впливає дія відцентрових сил, ніж
зміна числа пошкоджень.
Значно більший інтерес викликає розподіл вібраційних напружень під час пошкоджень. Виконано
багатоваріантні чисельні дослідження коливань лопаток з різною кількістю пошкоджень, що розташовані
в різних місцях по довжині лопатки.
Серія розрахунків здійснена для розташування пошкоджень в зоні локалізації напружень за різ-
них форм коливань. Найбільша локалізація напружень спостерігається для третьої та шостої форм коли-
вань. Так, на рис. 3, 4 наведені форми коливань та розподіл вібраційних напружень з одним пошкоджен-
ням для цих форм.
а б в
а б
Рис. 3. Аналіз третьої форми коливань лопатки:
а – форма коливань; б –розподіл вібраційних напружень;
в – фрагмент вібраційних напружень
Рис. 4. Аналіз шостої форми коливань лопатки:
а – розподіл вібраційних напружень;
б – фрагмент розподілу вібраційних напружень
DYNAMICS AND STRENGTH OF MACHINES
ISSN 0131–2928. Journal of Mechanical Engineering, 2018, vol. 21, no. 4
В цих прикладах конце-
нтрація напружень при пошко-
дженнях розташована в зонах
локалізації напружень за різних
форм коливань. Але реальні еро-
зійні пошкодження розташовані
групами одне біля одного, тому
в подальшому дослідження ко-
ливань лопаток проводилися з
різною кількістю пошкоджень,
що розташовані поруч в зоні ло-
калізації напружень. На рис. 5
подано розподіл вібраційних
напружень за різних форм коли-
вань.
На рис. 6 наведено роз-
поділ вібраційних напружень
для третьої форми коливань з
різним числом пошкоджень.
Дослідження коливань з
різною кількістю пошкоджень
показує, що збільшення їх числа
призводить до зростання розмірів
зони підвищених напружень в
цих місцях, але не викликає бі-
льшої концентрації напружень.
а б в
Рис. 5. Фрагменти розподілу вібраційних напружень в зоні локалізації
напружень при формах коливань:
а – четвертій; б – п’ятій; в – шостій
а б в г
Рис. 6.Фрагменти розподілу вібраційних напружень в зоні локалізації
напружень при третій формі коливань з пошкодженнями:
а – одним; б – двома; в – трьома; г – п’ятьма
Багатоваріантні розрахунки коливань лопаток з різним числом пошкоджень дозволили отримати
якісне уявлення про закономірності концентрації напружень в лопатках за різних форм коливань. Але для
розгляду реальних коефіцієнтів концентрації напружень необхідні розрахунки вимушених коливань ло-
паток хоч би при умовних навантаженнях.
Внаслідок нестачі вхідних даних під час аналізу вимушених коливань може бути використаний
умовний рівень навантаження, що діє на лопатку при коливаннях в потоці. На лопатки робочого колеса
діє постійна складова газодинамічної сили потоку і змінна складова, що викликає коливання лопатки.
Змінна складова може бути розкладена в гармонійний ряд [3, 4]
∑
=
ϕ+Ω=
k
k
kk tkzPtzP
1
)sin()(),( ,
де – Pk(z) амплітуди гармонічних складових; k – кратність гармонічної складової; Ω – частота обер-
тання лопатки; φk – фаза гармонічної складової.
Амплітуди гармонічних складових цих сил невідомі. Їх можна оцінити тільки приблизно виходя-
чи з наявних вхідних даних. Частоти гармонік, що становлять небезпеку, можна визначити. На робочому
режимі завжди є збурююча сила, частота якої n=3000 об/хв, що відповідає частоті Ω=50 Гц. Крім того,
гармоніка, що викликана напрямними лопатками, має частоту nz, де z – число лопаток направляючого
ступеня. Частота цієї гармоніки ωz=50·42=2100 Гц. Амплітуду гармонічної складової з частотою ω1=50 Гц
приймемо як розподілене навантаження, що діє на поверхню корита лопатки Р1=1,25·10
-3
МПа. Амплітуду
гармонічної складової з частотою ωz=2100 Гц приймемо як розподілене навантаження Pz=2,47·10
-3
МПа.
Ці навантаження є умовними, вони прийняті для того, щоб оцінити співвідношення вібраційних
напружень в лопатках із пошкодженнями та без. Проведені дослідження коливань лопаток з одним, двома
та трьома пошкодженнями, що розташовані поруч в зоні локалізації напружень під час дії гармонічної
складової з частотою 50 та 2100 Гц. Так, на рис. 7, 8 наведено розташування вібраційних напружень в ло-
патках з двома пошкодженнями.
ДИНАМІКА ТА МІЦНІСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Проблеми машинобудування, 2018, Т. 21, № 4
Рис. 7. Розподіл переміщень та вібраційних напружень під час дії
гармонічної складової з частотою 50 Гц
Рис. 8. Розподіл переміщень та вібраційних напружень під час дії
гармонічної складової з частотою 2100 Гц
Порівняння результатів дослі-
джень коливань лопаток з різним чис-
лом пошкоджень в зоні максимальних
напружень під час дії гармонічної скла-
дової з частотою 50 та 2100 Гц з резуль-
татами для лопатки без пошкоджень
показує, що коефіцієнти концентрації
напружень лежать в межах 1,2–3,1.
На основі літературних даних
може бути визначено зниження межі
витривалості для лопаток з титанових
сплавів залежно від відносних розмірів
забоїн та характеру кінетичної кривої
[7–9]. Згідно з результатами розрахунків
можна оцінити зниження межі утоми
титанового сплаву лопатки при ерозій-
них пошкодженнях. Якщо ця межа ста-
новить 450 МПа, то при ерозійних по-
шкодженнях вона може знизитися до
210 МПа. Приблизно таке ж зниження
межі утоми зазначено в роботі [9].
В результаті може бути попе-
редньо оцінений залишковий ресурс
лопатки на основі наявних припущень
про рівень напружень в лопатках [9].
Якщо максимальні вібраційні напру-
ження не перевищують межі утоми з
урахуванням пошкоджень, то число
циклів залишкового ресурсу може бути
прийнято N=10
7
.
З іншого боку, на основі відо-
мих даних про межу витривалості лопа-
ток з титанових сплавів [9] вибирається
відповідне значення межі витривалості
матеріалу. Тоді використовується оцін-
ка найбільших вібраційних напружень.
Водночас може бути врахована зміна межі витривалості за рахунок механічної обробки її поверхні.
Залишковий ресурс за таких умов відповідає зазначеному вище [9].
Результати аналізу коливань лопаток при умовних навантаженнях, а саме – визначення вели-
чин коефіцієнтів концентрації напружень в межах 1,2–3,1, дає можливість прогнозувати зниження
межі витривалості лопаток до 210–240 МПа, що, в свою чергу, обмежує залишковий ресурс лопаток
числом циклів N=10
7
.
При ерозійних пошкодженнях титанових лопаток радіус в усті поглиблення зазвичай становить
близько 0,02–0,05 мм, що також викликає концентрацію напружень, але не таку велику, як при виник-
ненні утомної тріщини. За таких умов характер пошкоджень виявляється близьким до малих забоїн і
пилової ерозії. Ці типи пошкоджень досліджені для компресорних лопаток з титанових сплавів більш
докладно [9]. Це дає можливість використовувати результати аналізу впливу пошкоджень компресор-
них лопаток з титанових сплавів на зниження межі витривалості титанових сплавів (табл. 2).
Подібні дослідження дозволили отримати уявлення про зміну меж витривалості, що, в свою
чергу, впливає на зміну ресурсу лопаток з титанових сплавів залежно від терміну напрацювання.
DYNAMICS AND STRENGTH OF MACHINES
ISSN 0131–2928. Journal of Mechanical Engineering, 2018, vol. 21, no. 4
Таблиця 2. Зміна межі витривалості при пошкодженнях лопаток з титанових сплавів [9]
Межа витривалості σ-1, МПа
Сплав
Глибина забоїни,
мкм початкова при пошкодженні
Ступінь зниження
межі витривалості
ВТЗ-1 300 – 800 320 – 350 140 – 200 1,75 – 2,27
ВТ8 300 – 500 450 – 520 220 – 238 1,98 – 2,63
ВТ9 500 520 253 2,05
Згідно з результатами цих досліджень можна припустити, що для того щоб ресурс лопаток дося-
гав числа 10
7
– 10
8
циклів, амплітуди напружень σа не повинні перевищувати певних величин. Такі допус-
тимі амплітуди вібраційних напружень для компресорних лопаток з різних титанових сплавів [9]: для
сплаву ВТ3-1 σа=300–350 МПа, для ВТ8 σа=450–500 МПа, для ВТ9 σа=500–520 МПа.
Загальним для кривих утоми лопаток компресорів з титанових сплавів є відсутність точок перети-
ну до числа циклів N=10
8
. В роботі [9] наведені криві утоми для компресорних лопаток з титанових сплавів
ВТЗ-1, ВТ8 і ВТ9 для різних ступенів і двигунів. Водночас зміна межі витривалості та ресурсу істотно за-
лежить від типу сплавів і обробки поверхонь, схильних до ерозії перед подальшою експлуатацією.
Такими видами механічної обробки є згладжування зони пошкоджень за допомогою точіння та
фрезерування. Ще більш ефективним є подальше шліфування та полірування. В табл. 3 наведені дані з
підвищення межі утоми, що забезпечують ресурс N=10
8
циклів під час механічної обробки зони ерозійних
пошкоджень для сплаву ВТ3-1.
Такі підвищення межі утоми спостерігаються для сплавів, що мають порівняно низькі її значення.
Це є характерним для сплаву ВТ3-1, що є найбільш вразливим до її зниження при ерозійних пошкоджен-
нях. Навіть для цього сплаву після механічної обробки зони пошкоджень межа утоми підвищується до
360–450 МПа, що забезпечує залишковий ресурс біля N=10
8
циклів [9].
Таблиця 3. Підвищення межі утоми σ-1 завдяки механічній обробці зони ерозійних пошкоджень для сплаву ВТ3-1 [9]
Межа утоми після
пошкоджень σ-1, МПа
Межа утоми після обробки зони
пошкоджень σ-1, МПа
Вид механічної обробки
300 – 310 точіння та фрезерування
360 – 370 теж саме + шліфування
140 – 200
450 – 470
теж саме + полірування, вальцівка
або гідрообробка
Титановий сплав ТС5 належить до псевдо α-сплавів. Такі сплави мають хороші технологічні
властивості, досить високу корозійну та ерозійну стійкість. Вони також входять в групу сплавів з ни-
зькою щільністю й теплопровідністю та високою питомою міцністю. Сплав також схильний до висо-
кого деформаційного зміцнення [7, 8]. Тому він був обраний для лопаток останніх ступенів турбін
для АЕС, що працюють в середовищі вологої пари.
В ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України були взяті зразки матеріалу безпосередньо біля зони по-
шкодження лопатки після відпрацювання 180 тис. год. На цих зразках було проведено статичні та
утомні випробування з використанням машини МТS 810 за амплітуд навантаження 350 МПа. Резуль-
тати цих випробувань наведені в табл. 4.
Таблиця 4. Механічні властивості матеріалу лопатки (сплаву ТС5) біля зони пошкодження
№ зразків Межа текучості σ0,2, МПа Межа міцності σв, МПа Межа утоми σ-1, МПа Залишковий ресурс
1–3 832 – 838 911 – 920 – –
4–6 – – 350 – 450 N > 10
7
За результатами проведених утомних випробувань було встановлено, що за заданих амплітуд
навантаження після досягнення 10
7
циклів руйнування зразків № 4–6 не спостерігалось, а отже, межа
утоми σ-1>350 МПа. З метою проведення фрактографічних досліджень зразок № 6 був зруйнований
після N=6·10
7
циклів навантаження.
Ознаки руйнування було виявлено після досягнення числа циклів N>10
7
. Тому навіть після
напрацювання 180 тис. год. лопатки мають залишковий ресурс N=10
7
циклів, що також було виявлено
ДИНАМІКА ТА МІЦНІСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Проблеми машинобудування, 2018, Т. 21, № 4
в результаті числових розрахунків. Таким чином, різні підходи до оцінки зниження межі утоми мате-
ріалу лопаток після пошкоджень, а також залишкового ресурсу дають однакові результати.
Якщо після напрацювання 180 тис. год турбіни зупиняються на профілактичний огляд, то до-
цільно провести ремонт лопаток з ерозійними пошкодженнями шляхом фрезерування, шліфування та
наступного полірування зони пошкодження.
Можна рекомендувати такі заходи щодо запобігання небезпечним вібраційним напруженням в
лопатках останнього ступеня турбіни К-1000-60/3000:
– періодична перевірка частот коливань лопаток і робочих коліс, у разі відхилення частот від ета-
лонних на 8–10% необхідна зупинка та ремонт;
– за можливості перевірка рівномірності натягу поличкових зв’язків на периферії робочого колеса;
– перевірка якості та можливих пошкоджень демпферних дротових зв’язків у колесі;
– при пошкодженнях, що мають глибину понад 500 мкм, провести згладжування зони пошко-
джень шляхом фрезерування, шліфування і наступного полірування;
– за можливості рекомендується заміна комплекту лопаток робочого колеса з пошкодженнями.
Висновки
На основі розроблених тривимірних моделей лопаток та робочого колеса проведено багатоваріан-
тні дослідження коливань лопаток з різною кількістю пошкоджень, що розташовані в різних місцях по їх
довжині.
1. Розроблено скінченноелементну модель лопатки, яка має більш густу сітку в області пошко-
джень, та перевірено збіжність результатів під час зростання кількості вузлів сітки, що забезпечує більшу
ефективність багатоваріантних чисельних розрахунків.
2. Показано, що збільшення числа пошкоджень не приводить до підвищення локалізації напру-
жень, а тільки до розширення зони пошкоджень.
3. Розглянуто коливання лопаток під час дії навантажень умовної величини, що дозволило вияви-
ти реальні коефіцієнти концентрації вібраційних напружень в місцях пошкоджень.
Характер пошкоджень та коефіцієнтів концентрації виявлено близькими до таких, що спостері-
гаються за пилової ерозії компресорних лопаток з титанових сплавів. Це дає можливість використати до-
свід аналізу коливань компресорних лопаток з титанових сплавів з пошкодженнями. Виявлено ступінь
зниження межі витривалості лопаток з титанових сплавів з пошкодженнями.
4. В ІЕЗ НАН України на основі експериментальних досліджень зразків матеріалу лопаток з по-
шкодженнями на утомну витривалість за амплітуд навантаження з напруженнями 350 МПа виявлено, що
залишковий ресурс матеріалу лопаток становить не менш N=10
7
циклів. Це підтверджує висновки, що
зроблено на основі досвіду експлуатації компресорних лопаток з титанових сплавів із пошкодженнями.
5. Розроблено рекомендації щодо запобігання небезпечним режимам роботи лопаток турбін
К-1000-60/3000 з пошкодженнями за рахунок перевірки частот коливань лопаток із можливими по-
шкодженнями та механічної обробки зони пошкоджень.
Література
1. Шубенко А. Л., Ковальский А. Э., Воробьев Ю. С., Картмазов Г. Н., Романенко В. Н. Влияние эрозии на
основные эксплуатационные характеристики рабочей лопатки последней ступени цилиндра низкого дав-
ления мощной паровой турбины. Проблемы машиностроения. 2010. Т.13. №1. С. 3–10.
2. Шубенко А. Л., Ковальский А. Э., Воробьев Ю. С., Канило С. П. , Романенко В. Н. Влияние эрозии на
вибрационные характеристики рабочих лопаток влажно-паровых турбин. Проблемы машиностроения.
2003. Т.6. №1. С.10–26.
3. Зиньковский А. П., Токарь И. Г., Круц В. А., Круглий Я. Д. Влияние рассеяния энергии в материале на
колебания лопаток с неоднородностями. Авиац.-косм. техника и технология. 2012. № 9 (96). С. 132–137.
4. Токарь, И. Г., Зиньковский А. П. Влияние параметров локального повреждения регулярной системы на
спектр собственных частот колебаний и вибронапряженность однотипных элементов. Проблемы прочно-
сти. 2010. № 2. –С. 55–64.
5. Боровков В. М., Гецов Л. Б. , Воробьев Ю. С., Копсов А. Я., Петинов С. В., Пигрова Г. Д., Рыбни-
ков А. И. Материалы и прочность оборудования ТЭС. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 612 с.
DYNAMICS AND STRENGTH OF MACHINES
ISSN 0131–2928. Journal of Mechanical Engineering, 2018, vol. 21, no. 4
6. Воробьев Ю. С., Мaхненко О. В., Овчарова Н. Ю., Берлизова Т. Ю., Кулаков П. Н. Проблемы использо-
вания новых материалов для лопаточного аппарата турбомашин. Вісн. НТУ «ХПІ». Сер. Енергетичні та
теплотехнічні процеси й устаткування. 2016. № 9(1181). С. 44–49.
7. Канель Г. И., Разоренов С. В., Уткин А. В., Фортов В. Е. Ударно-волновые явления в конденсированных
средах. М.: Янус-К, 1996. 408 c.
8. Крылов Н. А., Скотникова М. А., Цветкова Г. В., Иванова Г. В. Влияние структуры и фазового состава
материала лопаток паровых турбин из титанового сплава на их устойчивость к эрозионному разруше-
нию. Науч.-техн. ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2016. Вып. 3(249). С.86–92.
9. Петухов А. Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. М.: Машиностроение, 1993. 232 с.
10. ТУ 1-5-130-78. Прутки катаные и кованые из титанового сплава. Марка ТС5. Введ. 10.05.78. – 17 с.
Надійшла до редакції 13.07.2018
|