Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений лопаток газовых турбин
Приведены результаты оценки трещиностойкости трехопорного замкового соединения
 лопатки газовой турбины в условиях малоцикловой усталости и ползучести материала при
 наличии гипотетической трещины. Коэффициент интенсивности напряжений вычисляется
 с помощью метода конечных эл...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Datum: | 2008 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2008
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48351 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений
 лопаток газовых турбин / Н.Г. Шульженко, П.П. Гонтаровский, И.И. Мележик // Проблемы прочности. — 2008. — № 5. — С. 89-95. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860001860612521984 |
|---|---|
| author | Шульженко, Н.Г. Гонтаровский, П.П. Мележик, И.И. |
| author_facet | Шульженко, Н.Г. Гонтаровский, П.П. Мележик, И.И. |
| citation_txt | Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений
 лопаток газовых турбин / Н.Г. Шульженко, П.П. Гонтаровский, И.И. Мележик // Проблемы прочности. — 2008. — № 5. — С. 89-95. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Приведены результаты оценки трещиностойкости трехопорного замкового соединения
лопатки газовой турбины в условиях малоцикловой усталости и ползучести материала при
наличии гипотетической трещины. Коэффициент интенсивности напряжений вычисляется
с помощью метода конечных элементов.
Наведено результати оцінки тріщиностійкості трьохопорного замкового
з’єднання лопатки газової турбіни в умовах малоциклової втоми і повзучості
матеріалу за наявності гіпотетичної тріщини. Коефіцієнт інтенсивності
напружень визначено за допомогою методу скінченних елементів.
The calculation results of crack resistance under
conditions of low-cycle fatigue and creep
in a three-bearing root joint of gas-turbine plant
in presence of a hypothetical crack are presented.
Stress intensity factor calculation is carried
out by the finite-element method.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:36:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.3
Оценка трещнностойкостн многоопорных замковых соединений
лопаток газовых турбин
Н. Г. Шульженко, П. П. Гонтаровский, И. И. Мележик
Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины, Харьков,
Украина
Приведены результаты оценки трещиностойкости трехопорного замкового соединения
лопатки газовой турбины в условиях малоцикловой усталости и ползучести материала при
наличии гипотетической трещины. Коэффициент интенсивности напряжений вычисляется
с помощью метода конечных элементов.
К лю ч е в ы е с л о в а : кинетика трещины, малоцикловая усталость, ползучесть,
многоопорное замковое соединение.
Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений выпол
нена на примере соединения диска с лопаткой турбины высокого давления
(ТВД) для привода воздушного компрессора газотурбинной установки (ГТУ)
ГТК-10-4, предназначенной для сжатия природного газа. Более половины
эксплуатируемых установок имеют наработку свыше 100000 ч при назначен
ном ресурсе 60000 ч, а в некоторых из них наработка достигала 170000 ч.
Замковые соединения лопаток являются наиболее напряженными элемен
тами ГТУ, работающими при температуре около 515° С.
Материал диска ТВД - жаропрочный сплав 15Х12ВНМФ (ЭИ802),
плотность которого составляет 7850 кг/м , коэффициент Пуассона - 0,3.
Материал рабочих лопаток - жаропрочный никелевый сплав ХН65ВМТЮ
(ЭИ893). Его плотность - 8800 кг/м , коэффициент Пуассона - 0,3.
Теплофизические свойства указанных материалов [1] приведены в
табл. 1 .
Количество рабочих лопаток на диске - 90, частота вращения ротора
ТВД - 86,7 Гц.
Термонапряженное состояние замкового соединения рассчитывается в
рамках плоской термоконтактной задачи.
Конечноэлементная расчетная схема показана на рис. 1. На боковых
радиальных плоскостях, проходящих через середины хвостовиков соседних
лопаток, заданы условия симметрии, на цилиндрической поверхности г =
= 0,47 м - радиальные перемещения, полученные из расчета облопаченного
диска. Центробежные силы от пера лопатки равномерно распределялись по
наружной цилиндрической поверхности г = 0,525 м. Граничные условия
теплообмена подбирались из условий совпадения экспериментально изме
ренных температур на работающей установке при стационарном режиме.
Температурное поле в замковом соединении на стационарном режиме при
ведено на рис. 2 .
Особенностью данного соединения являются узкие площадки контакта
протяженностью около 1 мм хвостовика лопатки и диска, что приводит к
© Н. Г. ШУЛЬЖЕНКО, П. П. ГОНТАРОВСКИЙ, И. И. МЕЛЕЖИК, 2008
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 89
Н. Г. Шульженко, П. П. Гонтаровский, И. И. Мележик
Т а б л и ц а 1
Теплофизические свойства сплавов 15Х12ВНМФ и ХН65ВМТЮ
Т, ° С К ,
Вт/м • град
р С •Ю6,
Дж/м3 • К
а -1 0 5,
град-1
£ -1 0 5,
МПа
20 12,7 3,40 1,000 2,16
23,0 3,75 1,100 2,22
200 13,0 4,10 1,050 2,04
24,0 3,91 1,190 2,10
300 13,8 4,40 1,070 1,98
25,5 4,27 1,230 2,02
400 15,5 4,90 1,100 1,91
25,9 4,90 1,275 1,95
500 17,2 5,40 1,120 1,80
26,3 5,80 1,300 1,90
600 19,7 6,00 1,160 1,61
27,2 7,00 1,320 1,84
Примечание. Над чертой приведены данные для сплава 15Х12ВНМФ, под чертой - для
сплава ХН65ВМТЮ.
высоким контактным давлениям. Коэффициент линейного расширения мате
риала лопатки выше, чем материала диска. Кроме того, температура хвосто
вика лопатки на 20° С выше, чем гребня диска. При идеальной беззазорной
геометрии соединения верхний зуб диска будет нагружен сильнее осталь
ных. Отклонения вследствие неточности изготовления соединения в рамках
допусков приводят к дополнительным перераспределениям усилий между
зубьями, в результате чего верхние зубья гребней диска будут нагружены
больше. Поэтому в каждой третьей из обследованных установок, прорабо
тавших длительное время, обнаруживают трещины в верхнем зубе диска [2].
Местоположение таких трещин показано на рис. 1, где точка А обозначает
вершину трещины. Конечноэлементная сетка в вершине трещины сгущалась
до размера 0,01 мм. Естественно предположить, что при пусках газотурбин
ной установки перепад температур между хвостовиком лопатки и гребнем
диска будет большим, чем на стационарном режиме, и верхний зуб будет
подгружаться дополнительно. Однако расчеты показывают, что благодаря
более высокому коэффициенту теплопроводности материала диска незначи
тельный дополнительный перепад температур возникает при температурах
ниже, чем на стационарном режиме, и описанный выше эффект догружений
практически не реализуется. Таким образом, можно полагать, что макси
мальная нагрузка на верхний зуб будет иметь место при стационарном
режиме работы.
Оценка трещиностойкости замкового соединения в условиях малоцикло
вого нагружения и ползучести проводится на основе механики хрупкого
разрушения по разработанной ранее методике [3, 4], учитывающей много
режимный характер нагружения, асимметрию цикла и другие факторы.
Кинетика трещины описывается уравнениями типа Париса.
90 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5
Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений
см
522
51,8
51,3
50,3
50,3
4 9,В
49,3
48,8
48,3
47,8
47,3
46,8 0,1 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 г, см
Рис. 1. Конечноэлементная расчетная схема замкового соединения.
Коэффициент интенсивности напряжений (КИН) определяется с помо
щью метода конечных элементов [4]. При этом используются прямой метод
напряжений (по напряжениям вблизи вершины трещины) и прямой метод
перемещений (по раскрытию и сдвигу берегов трещины) с последующим
усреднением полученных результатов. Коэффициенты интенсивности напря
жений вычисляются для нескольких фиксированных глубин гипотетической
трещины, для промежуточных значений размеров трещины они определяют
ся путем интерполирования. Вследствие сложного напряженного состояния
в области вершины трещины при решении задачи целесообразно рассмат
ривать КИН нормального отрыва К± и КИН поперечного сдвига К п .
Согласно экспериментальным данным имеем К 11с = (0,6...0,8)К 1с [5], поэто
му для оценки кинетики трещины воспользуемся эквивалентным КИН, учи
тывая что К 11с = 0,7К 1с:
К е = д/ К 2 + 2К 2 .
Расчеты КИН для замкового соединения с идеальной геометрией на
стационарном режиме работы сведены в табл. 2. Там же приведены резуль
таты для симметричного нагружения гребня диска, когда трещины распо
ложены симметрично с двух сторон. Как видно, основной вклад в К е вно
сит К п .
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 91
Н. Г. Шульженко, П. П. Гонтаровский, И. И. Мележик
Т а б л и ц а 2
КИН для трещин различной глубины
Глубина
трещины, мм
к I,
МПа-Ум
К ц,
МПал/м
К е ,
МПал/м
у сим
К е ,
МПа^/м
0,5 33,07 27,95 51,54 50,81
1,0 27,34 39,49 53,46 51,48
1,5 23,48 33,72 53,15 50,29
2,0 20,77 33,73 52,02 48,41
2,5 18,80 33,28 50,69 46,44
3,0 17,50 32,74 49,50 44,67
4,0 15,54 31,98 47,82 31,66
5,0 14,58 31,39 47,39 30,42
г, см
0.1 -1 -0,5 0 г, см
Рис. 2. Температурное поле в замковом соединении на стационарном режиме: 1 - Т = 390°С;
2 - Т = 410°С; 3 - Т = 430°С; 4 - Т = 450°С; 5 - Т = 470° С; 6 - Т = 490° С; 7 - Т = 510° С; 8 -
Т = 530°С; 9 - Т = 550°С.
В табл. 3 приведены эквивалентные значения КИН для случаев, когда
шаг между зубьями хвостовика лопатки больше шага между зубьями гребня
диска в пределах допуска при изготовлении (6 = 0,01 м - верхний зуб
подгружен) и когда шаг между зубьями хвостовика лопатки меньше шага
между зубьями гребня диска (6 = —0,01 мм - верхний зуб разгружен). Там же
представлены результаты для двух симметрично расположенных трещин в
верхних зубьях гребня диска.
92 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5
Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений
Т а б л и ц а 3
Зависимость КИН от глубины трещины при отклонениях геометрии соединения
Глубина
трещины, мм
Верхний зуб подгружен Верхний зуб разгружен
К е, МПал/м К есим, МПаТм К е, МПал/м К есим, МПа-Ум
0,5 59,15 58,26 43,99 43,42
1,0 62,11 59,84 45,02 43,26
1,5 62,07 58,79 44,43 41,93
2,0 60,86 56,79 43,38 40,33
2,5 59,36 54,49 42,28 38,65
3,0 58,02 52,45 41,27 37,19
4,0 56,15 38,98 39,89 24,81
5,0 55,63 37,40 39,62 23,97
Уменьшение КИН с увеличением глубины трещины можно объяснить
повышением податливости верхнего зуба с ростом трещины и перераспре
делением вследствие этого контактных давлений по контактным площадкам
соединения.
На рис. 3 показаны эпюры контактных давлений для левого верхнего
зуба с трещиной и для правого верхнего зуба без трещины. На остальных кон
тактных площадках перераспределение контактных давлений незначитель
но. С ростом трещины в основном подгружается нижний зуб соединения.
Координаты, см Координаты, см
а б
Рис. 3. Эпюры контактных давлений для левого верхнего зуба с трещиной (а) и для правого
верхнего зуба без трещины (б): 1 - д = 0,01 мм; 2 - д = 0; 3 - д = —0,01 мм. (Сплошные
линии - при отсутствии трещины, штриховые - при наличии трещины глубиной 2 мм,
штрихпунктирные - при трещине глубиной 4 мм.)
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 93
Н. Г. Шулъженко, П. П. Гонтаровский, И. И. Мележик
При рассмотрении кинетики трещины ее начальная глубина составляла
0,5 мм. Для случая циклического нагружения использовали константы урав
нения Париса для роторной стали Р2М С х = 6 ,32-1 0 11, п N = 3,176 [6].
Газотурбинная установка останавливается в среднем один раз за две тысячи
часов работы, а снижение на 10% оборотов осуществляется 40 раз.
Для кинетики трещины от ползучести использовали два варианта конс
тант С с = 4,6602-10—12 и 0,932-10_ 12 при п с = 5,0685. Расчеты показыва
ют, что подрастание трещины происходит за счет ползучести материала. Это
следует из проведенных расчетов без учета ползучести (табл. 4).
Т а б л и ц а 4
Время подрастания трещины (тыс. часов)
4
мм
Глубина трещины, мм
С учетом ползучести Замедленная ползучесть Без учета ползучести
2 4 6 2 4 6 2 4 6
Одна трещина
0,01 0,18 0,65 1,22 1,05 3,05 5,48 6,80 20,50 38,00
0 0,50 1,53 2,80 2,30 6,50 11,60 11,20 29,20 49,80
-0 ,01 1,25 3,78 6,85 5,15 14,80 26,25 19,20 51,30 87,80
Две трещины
0,01 0,34 1,52 5,71 1,36 6,05 21,30 8,00 26,90 71,40
0 0,72 3,58 13,34 2,92 13,55 38,40 12,85 46,90 89,10
-0 ,01 1,62 9,67 45,10 6,54 33,00 132,80 22,48 87,10 269,20
Время подрастания трещины в верхнем зубе до 2, 4 и 6 мм (трещина
почти сквозная) приведено в табл. 4. Там же представлены результаты для
трещин в верхних зубьях гребня диска, расположенных симметрично.
Рассмотрены варианты идеально изготовленного замкового соединения
(д = 0), а также с подгруженным верхним зубом д = 0,01 мм и с разгружен
ным верхним зубом д = — 0,01 мм. Из данных табл. 4 следует, что неточность
изготовления соединения в пределах допуска существенно влияет на его
живучесть.
Приведенные выше результаты получены для материала Р2М. Для
анализа трещиностойкости реальной конструкции необходимо использовать
свойства стали при Т = 515° С, из которой изготовлен диск. В литературных
источниках этих данных обнаружить не удалось. Поскольку эквивалентный
КИН К е < К 1с, а при глубине трещины более 1 мм он уменьшается с ее
ростом за счет перераспределений напряжений, лавинообразного разру
шения зуба не наступает. В случае разрушения верхнего зуба лопатка
некоторое время будет удерживаться на двух нижних зубьях.
При двух симметрично расположенных трещинах в верхних зубьях
гребня живучесть соединения несколько возрастает за счет большего умень
шения КИН с ростом глубины трещин.
Для повышения ресурса замкового соединения целесообразно шаг между
зубьями хвостовика лопатки выполнять на 0,01 мм большим, чем шаг между
94 Й'ОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, N 5
Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений
зубьями гребня диска, что приведет к более равномерному распределению
усилий между зубьями при работе на стационарном режиме.
Авторы выражают признательность проф. Л. Б. Гецову за помощь в
решении данной задачи.
Р е з ю м е
Наведено результати оцінки тріщиностійкості трьохопорного замкового
з’єднання лопатки газової турбіни в умовах малоциклової втоми і повзу
чості матеріалу за наявності гіпотетичної тріщини. Коефіцієнт інтенсивності
напружень визначено за допомогою методу скінченних елементів.
1. М асленков С. Б ., М асленкова Е. А . Стали и сплавы для высоких темпе
ратур. Справочное изд. в 2 кн. Кн. 1. - М.: Металлургия, 1991. - 383 с.
2. Д аш ун ин Н. В ., Р ы бников А. И ., Г ец о в Л. Б. и др. Опыт длительной
эксплуатации стационарных ГТУ на магистральных газопроводах. Ч. 1.
Анализ характерных повреждений деталей // Вестн. двигателестроения.
- 2006. - № 3. - С. 50 - 55.
3. Ш улъж енко Н. Г ., Гонт аровский П. П ., М ележ ик И. И . Оценка живу
чести высокотемпературных элементов турбомашин с трещинами //
Вестн. НТУ “ХПИ”. - 2004. - № 19. - С. 153 - 160.
4. Ш улъж енко Н. Г ., Гонт аровский П. П ., М ележ ик И. И . Расчет трещино
стойкости элементов конструкций методом конечных элементов // Там
же. - 2005. - № 21. - С. 127 - 132.
5. Л ебедев А. О., Б обир М . I., Л ам аш евсъкий В. П . Механіка матеріалів для
інженерів. - Київ: НТУУ “КПІ”, 2006. - 288 с.
6. Балина В. С., К онон Е. Д . О ресурсе высокотемпературных роторов
паровых турбин // Теплоенергетика. - 1988. - № 7. - С. 21 - 24.
Поступила 25. 10. 2007
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 95
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48351 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:36:58Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Шульженко, Н.Г. Гонтаровский, П.П. Мележик, И.И. 2013-08-18T13:55:19Z 2013-08-18T13:55:19Z 2008 Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений
 лопаток газовых турбин / Н.Г. Шульженко, П.П. Гонтаровский, И.И. Мележик // Проблемы прочности. — 2008. — № 5. — С. 89-95. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48351 539.3 Приведены результаты оценки трещиностойкости трехопорного замкового соединения
 лопатки газовой турбины в условиях малоцикловой усталости и ползучести материала при
 наличии гипотетической трещины. Коэффициент интенсивности напряжений вычисляется
 с помощью метода конечных элементов. Наведено результати оцінки тріщиностійкості трьохопорного замкового
 з’єднання лопатки газової турбіни в умовах малоциклової втоми і повзучості
 матеріалу за наявності гіпотетичної тріщини. Коефіцієнт інтенсивності
 напружень визначено за допомогою методу скінченних елементів. The calculation results of crack resistance under
 conditions of low-cycle fatigue and creep
 in a three-bearing root joint of gas-turbine plant
 in presence of a hypothetical crack are presented.
 Stress intensity factor calculation is carried
 out by the finite-element method. Авторы выражают признательность проф. Л. Б. Гецову за помощь в
 решении данной задачи. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений лопаток газовых турбин Crack resistance estimation of multi-bearing root joints of gas turbine blade Article published earlier |
| spellingShingle | Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений лопаток газовых турбин Шульженко, Н.Г. Гонтаровский, П.П. Мележик, И.И. Научно-технический раздел |
| title | Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений лопаток газовых турбин |
| title_alt | Crack resistance estimation of multi-bearing root joints of gas turbine blade |
| title_full | Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений лопаток газовых турбин |
| title_fullStr | Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений лопаток газовых турбин |
| title_full_unstemmed | Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений лопаток газовых турбин |
| title_short | Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений лопаток газовых турбин |
| title_sort | оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений лопаток газовых турбин |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48351 |
| work_keys_str_mv | AT šulʹženkong ocenkatreŝinostoikostimnogoopornyhzamkovyhsoedineniilopatokgazovyhturbin AT gontarovskiipp ocenkatreŝinostoikostimnogoopornyhzamkovyhsoedineniilopatokgazovyhturbin AT meležikii ocenkatreŝinostoikostimnogoopornyhzamkovyhsoedineniilopatokgazovyhturbin AT šulʹženkong crackresistanceestimationofmultibearingrootjointsofgasturbineblade AT gontarovskiipp crackresistanceestimationofmultibearingrootjointsofgasturbineblade AT meležikii crackresistanceestimationofmultibearingrootjointsofgasturbineblade |