Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабочих лопаток турбин

С использованием трехмерных моделей монокристаллических рабочих лопаток установлены закономерности влияния кристаллографической ориентации осей материала на формирование спектра собственных частот и форм их колебаний. Предложен расчетно-экспериментальный метод определения предела выносливости мон...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Проблемы прочности
Дата:	2008
Автори:	Придорожный, Р.П., Шереметьев, А.В., Зиньковский, А.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2008
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48358
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабочих лопаток турбин / Р.П. Придорожный, А.В. Шереметьев, А.П. Зиньковский // Проблемы прочности. — 2008. — № 5. — С. 15-27. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48358
record_format	dspace
spelling	Придорожный, Р.П. Шереметьев, А.В. Зиньковский, А.П. 2013-08-18T14:10:52Z 2013-08-18T14:10:52Z 2008 Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабочих лопаток турбин / Р.П. Придорожный, А.В. Шереметьев, А.П. Зиньковский // Проблемы прочности. — 2008. — № 5. — С. 15-27. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48358 534.833:62-26 С использованием трехмерных моделей монокристаллических рабочих лопаток установлены закономерности влияния кристаллографической ориентации осей материала на формирование спектра собственных частот и форм их колебаний. Предложен расчетно-экспериментальный метод определения предела выносливости монокристаллических лопаток, что позволяет значительно сократить объем испытаний при одновременном повышении достоверности их результатов. Із використанням тривимірних моделей монокристалічних робочих лопаток установлено закономірності впливу кристалографічної орієнтації осей матеріалу на формування спектра власних частот і форм їх коливань. Запропоновано розрахунково-експериментальний метод визначення границі витривалості монокристалічних лопаток, що дозволить значно скоротити об’єм випробувань за одночасного підвищення вірогідності їх результатів. Using 3D models of single-crystal turbine rotor blades, we have investigated the effect of orientation of the material crystallographic axes on formation of the natural frequencies’ range and forms of their vibrations. Calculation-and-experimental technique for determination of the endurance limit of single-crystal blades is proposed, application of which results in considerable reduction of scope of testing with simultaneous improvement of test results’ reliability. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабочих лопаток турбин Effect of crystallographic orientation on natural vibrations’ range and endurance limit of singlecrystal turbine rotor blades Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабочих лопаток турбин
spellingShingle	Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабочих лопаток турбин Придорожный, Р.П. Шереметьев, А.В. Зиньковский, А.П. Научно-технический раздел
title_short	Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабочих лопаток турбин
title_full	Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабочих лопаток турбин
title_fullStr	Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабочих лопаток турбин
title_full_unstemmed	Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабочих лопаток турбин
title_sort	влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабочих лопаток турбин
author	Придорожный, Р.П. Шереметьев, А.В. Зиньковский, А.П.
author_facet	Придорожный, Р.П. Шереметьев, А.В. Зиньковский, А.П.
topic	Научно-технический раздел
topic_facet	Научно-технический раздел
publishDate	2008
language	Russian
container_title	Проблемы прочности
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
format	Article
title_alt	Effect of crystallographic orientation on natural vibrations’ range and endurance limit of singlecrystal turbine rotor blades
description	С использованием трехмерных моделей монокристаллических рабочих лопаток установлены закономерности влияния кристаллографической ориентации осей материала на формирование спектра собственных частот и форм их колебаний. Предложен расчетно-экспериментальный метод определения предела выносливости монокристаллических лопаток, что позволяет значительно сократить объем испытаний при одновременном повышении достоверности их результатов. Із використанням тривимірних моделей монокристалічних робочих лопаток установлено закономірності впливу кристалографічної орієнтації осей матеріалу на формування спектра власних частот і форм їх коливань. Запропоновано розрахунково-експериментальний метод визначення границі витривалості монокристалічних лопаток, що дозволить значно скоротити об’єм випробувань за одночасного підвищення вірогідності їх результатів. Using 3D models of single-crystal turbine rotor blades, we have investigated the effect of orientation of the material crystallographic axes on formation of the natural frequencies’ range and forms of their vibrations. Calculation-and-experimental technique for determination of the endurance limit of single-crystal blades is proposed, application of which results in considerable reduction of scope of testing with simultaneous improvement of test results’ reliability.
issn	0556-171X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48358
citation_txt	Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабочих лопаток турбин / Р.П. Придорожный, А.В. Шереметьев, А.П. Зиньковский // Проблемы прочности. — 2008. — № 5. — С. 15-27. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT pridorožnyirp vliâniekristallografičeskoiorientaciinaspektrsobstvennyhkolebaniiipredelvynoslivostimonokristalličeskihrabočihlopatokturbin AT šeremetʹevav vliâniekristallografičeskoiorientaciinaspektrsobstvennyhkolebaniiipredelvynoslivostimonokristalličeskihrabočihlopatokturbin AT zinʹkovskiiap vliâniekristallografičeskoiorientaciinaspektrsobstvennyhkolebaniiipredelvynoslivostimonokristalličeskihrabočihlopatokturbin AT pridorožnyirp effectofcrystallographicorientationonnaturalvibrationsrangeandendurancelimitofsinglecrystalturbinerotorblades AT šeremetʹevav effectofcrystallographicorientationonnaturalvibrationsrangeandendurancelimitofsinglecrystalturbinerotorblades AT zinʹkovskiiap effectofcrystallographicorientationonnaturalvibrationsrangeandendurancelimitofsinglecrystalturbinerotorblades
first_indexed	2025-11-25T11:20:01Z
last_indexed	2025-11-25T11:20:01Z
_version_	1850513629039820800
fulltext	УДК 534.833:62-26 Влияние кристаллограф ической ориентации на спектр собствен ны х колебаний и предел вы носливости монокристаллических рабочих лопаток турбин Р. П. Придорожныйа, А. В. Шереметьева, А. П. Зиньковский6 а ГП ЗМКБ “Прогресс” им. А. Г. Ивченко, Запорожье, Украина 6 Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина С использованием трехмерных моделей монокристаллических рабочих лопаток установлены закономерности влияния кристаллографической ориентации осей материала на форми рование спектра собственных частот и форм их колебаний. Предложен расчетно-экспе риментальный метод определения предела выносливости монокристаллических лопаток, что позволяет значительно сократить объем испытаний при одновременном повышении достоверности их результатов. К лю ч е в ы е слова: монокристаллическая рабочая лопатка, кристаллографи ческая ориентация, спектр собственных колебаний, усталостная прочность. Введение. Одними из наиболее напряженных конструктивных элемен тов современных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), которые в значительной мере определяют их эффективность, являются рабочие лопат ки турбин. Это объясняется непрерывно возрастающим уровнем действу ющих на них нагрузок и температур. Поэтому, учитывая требования сущест венного повышения ресурса ГТД при одновременном сокращении затрат на этапах от проектирования и производства до эксплуатации [1, 2], проблема обеспечения надежности рабочих лопаток турбин остается актуальной. Ее решение невозможно без совершенствования их конструкции и применения новых материалов, в частности монокристаллических жаропрочных нике левых сплавов с направленной кристаллизацией [3, 4]. Внедрение таких материалов, как установлено многочисленными исследованиями и практи кой создания современных двигателей, позволяет в два-три раза увеличить ресурс турбинных рабочих лопаток [4, 5]. Однако при этом усложняется анализ как статической, так и динамической прочности. Это обусловлено тем, что рассматриваемые лопатки, в отличие от поликристаллических с равноосной структурой, обладают существенной анизотропией механичес ких свойств [3]. Кроме того, одним из основных требований отливки лопа ток является совпадение их продольной оси с кристаллографическим направ лением <001> монокристалла. Однако в производстве монокристаллических лопаток допускается отклонение их продольной оси от этого направления. При этом азимутальная ориентация осей материала обычно не регламен тируется. Естественно, что эти факторы оказывают влияние на спектр собст венных частот колебаний рассматриваемых лопаток, знание которого обяза тельно как для предупреждения возникновения их опасных вибрационных состояний, так и для проведения испытаний на усталость. Однако осущест вление таких испытаний усложняется отмеченной анизотропией механичес ких свойств монокристаллических материалов. Поэтому необходимо прово © Р. П. ПРИДОРОЖНЫЙ, А. В. ШЕРЕМЕТЬЕВ, А. П. ЗИНЬКОВСКИЙ, 2008 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 15 Р. П. Придорожный, А. В. Шереметьев, А. П. Зинъковский дить усталостные испытания лопаток для каждой заданной кристаллографи ческой ориентации осей материала. Цель работы с учетом изложенного - обобщение результатов проведен ных расчетно-экспериментальных исследований по определению закономер ностей влияния кристаллографической ориентации осей материала на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабо чих лопаток турбин. Объекты исследования и их моделирование. Повышение максималь ной температуры газа перед турбиной как один из определяющих факторов достижения эффективности современных газотурбинных двигателей обуслов ливает создание более высокотемпературных и нагруженных охлаждаемых и неохлаждаемых рабочих лопаток. Поэтому для исследования выбирали тур бинные лопатки из жаропрочного сплава ЖС26 на никелевой основе с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой (рис. 1). Рис. 1. Охлаждаемая (а) и неохлаждаемая (б) рабочие лопатки турбины. Предположим, что декартовы координаты х, у и 2 совпадают с глав ными кристаллографическими осями <100>, <010> и <001> монокристалла соответственно, а положение поперечного сечения лопатки определяется декартовой системой координат х 'у 2' (рис. 2). Поскольку, как уже отмеча лось, кристаллографическое направление <001> монокристалла согласно условиям проектирования должно совпадать с продольной осью г ' лопатки, примем, что направление его осей <010> и <100> относительно осей по перечного сечения пера лопатки соответствует окружной координате у ' ротора и оси х ' двигателя. Аксиальная ориентация продольной оси лопаток относительно главных осей монокристалла характеризуется углом а, который, как показано на рис. 3, в соответствии с допусками на их отливку может достигать 20°, а азимутальная - углом р (рис. 2). Учитывая тенденции в развитии газотурбостроения, характерной осо бенностью турбинных лопаток является усложнение их конструктивных форм. Так, современные охлаждаемые лопатки турбин имеют большое коли чество внутренних каналов и развитую структуру интенсификаторов охлаж дения, отверстий перетекания, щелей и перфорации. Кроме того, для лопа 16 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 Влияние кристаллографической ориентации на спектр ток турбин высокого давления характерно как отсутствие, так и наличие бандажных полок, что требует интенсивного их охлаждения. Неохлаждаемые рабочие лопатки, которые, как правило, применяются в турбинах низкого давления и вентиляторе, а также в свободных турбинах, выполняются с первоначальной закруткой периферийного сечения относи тельно корневого на угол 30...50°. Рис. 2. Системы декартовых координат (хуг) и (х'у/г), описывающих главные оси моно кристалла и положение поперечного сечения лопатки соответственно. Рис. 3. Область допустимых значений угла а, характеризующего отклонение продольной оси лопатки г' от кристаллографического направления г < 001 >. Такие конструктивные особенности лопаток требуют соответствующих подходов к их моделированию. Для достижения сформулированной цели используются трехмерные конечноэлементные модели (рис. 1), которые позволяют достаточно полно учитывать конструктивно-технологические фак торы на этапах проектирования и производства лопаток, свойства применя емых материалов и влияние эксплуатационных режимов нагружения. Это дает возможность задать любую кристаллографическую ориентацию осей монокристалла относительно осей лопатки. При выборе расчетной модели лопатки предполагалась жесткая ее за делка по контактирующим поверхностям хвостовика, поскольку усилие, с которым она прижимается к диску по указанным поверхностям на рабочих режимах двигателя, значительно выше усилия, по достижении которого час тота колебаний остается практически неизменной [6]. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 17 Р. П. Придорожный, А. В. Шереметьев, А. П. Зинъковский Спектр собственных колебаний. Отдельные аспекты влияния крис таллографической ориентации осей материалов на характеристики собст венных колебаний монокристаллических рабочих лопаток турбин представ лены ранее [7] и в работах [8, 9]. В соответствии с постановкой задачи ниже изложены результаты дальнейших исследований в данном направлении, по лученные с использованием разработанных трехмерных конечноэлементных моделей выбранных лопаток (рис. 1). Рассмотрим результаты выполненных вычислительных экспериментов в предположении точного совпадения продольной оси ^ лопаток с кристалло графическим направлением <001> (а = 0). Расчеты проводили как для усло вий неработающего двигателя (температура газа перед турбиной Т г = 20° С, частота вращения ротора п = 0 об/мин), так и взлетного режима эксплуа тации, характеризующегося соответствующим распределением температур и частотой вращения ротора. Полученные частотные спектры приведены в работе [7]. В табл. 1 и 2 в качестве примера представлены численные результаты определения собственных частот некоторых форм колебаний исследуемых лопаток в случае неработающего двигателя. Для подтверж дения обоснованности расчетных моделей лопаток и достоверности полу ченных на их основе результатов в таблицах приведены также данные испытаний лопаток на вибростенде, что соответствует принятым парамет рам эксплуатации двигателя. Сравнение полученных результатов показывает в целом их хорошее согласование, что свидетельствует о правомерности использования выбранных расчетных моделей. Отличие экспериментальных данных от численных в первую очередь объясняется тем, что для реальных лопаток характерно отклонение продольной оси от кристаллографического направления <001>, т.е. а ^ 0 . Такой вывод наглядно подтверждается дан ными испытаний лопаток по первой форме колебаний. Т а б л и ц а 1 Результаты расчетного и экспериментального определения собственных частот колебаний охлаждаемой лопатки при совпадении ее продольной оси с кристаллографическим направлением <001> № формы колебаний І Значения собственных частот колебаний Расчет Эксперимент I ] , Гц Количество испытанных лопаток, N I] ,гц 1 11924 20 11010...13059 2 17991 5 17135...18000 Для подтверждения вывода о причинах разброса экспериментальных данных были проведены вычислительные эксперименты по установлению закономерностей влияния изменения кристаллографической ориентации про дольной оси лопаток на частоты их собственных колебаний. Решение этой задачи, учитывая симметрию ГЦК-решетки монокристалла, осуществлялось в рамках стереографического треугольника <001>-<111>-<011> [3]. При этом, принимая во внимание характер изменения модуля упругости и модуля 18 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 Влияние кристаллографической ориентации на спектр сдвига в пределах этого треугольника [10], рассматривали только возможное отклонение продольной оси лопатки от кристаллографического направления <001> вдоль границ <001>-<111> и <001>-<011>. Т а б л и ц а 2 Результаты расчетного и экспериментального определения собственных частот колебаний неохлаждаемой лопатки при совпадении ее продольной оси с кристаллографическим направлением <001> № формы колебаний ] Значения собственных частот колебаний Расчет Эксперимент Ї І , Гц Количество испытанных лопаток, N , Гц 1 590 101 539...685 2 1702 1 1500 3 2667 1 2728 4 3236 1 3175 5 6032 1 5950 6 7492 1 6780 7 9283 1 8020 8 11002 1 10726 Результаты расчетов представлены на рис. 4 и 5 для исследуемых охлаж даемых и неохлаждаемых лопаток соответственно в виде зависимостей собственных частот некоторых форм колебаний от величины углов р и а. Видно, что если для неохлаждаемой лопатки практически для всех рассмотренных форм колебаний наблюдается повышение собственных час тот при отклонении продольной оси от направления <001> (рис. 5), то для охлаждаемой лопатки такая закономерность отсутствует (рис. 4). Анализ представленных данных показывает, что влияние азимутальной ориентации продольной оси монокристалла на собственные частоты коле баний лопаток незначительно. Так, для неохлаждаемой лопатки разброс максимальных f j и минимальных f j ̂ п собственных частот колеба ний, который определяется как A f j = 100(f j тах - f j т^ ) / f j т1п, в выбран ном диапазоне изменения угла р не превышает 1%, для охлаждаемой - 5% ( j - номер формы колебаний). Однако отметим, что ее влияние на крутиль ные формы колебаний = 2 ,4) охлаждаемой лопатки существеннее, чем на изгибные формы колебаний (] = 1, 3). Более значительное влияние на спектр собственных частот колебаний лопаток оказывает аксиальная ориентация монокристалла. Так, если для охлаждаемой лопатки разброс частот Ь$' ̂ в выбранном диапазоне измене ния угла а для рассматриваемых форм колебаний не превышает 11%, то для неохлаждаемой он достигает 38%. При этом прослеживается тенденция к уменьшению влияния аксиальной ориентации монокристалла на величину разброса собственных частот колебаний лопаток с увеличением номера формы колебаний. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 19 Р. П. Придорожный, А. В. Шереметьев, А. П. Зинъковский / / , кГц / / , кГЦ 30 20 10 2 І=1 30 20 10 2 І=1 -45 -30 -15 0 15 30 ф ,град / / , кГЦ О 10 20 30 40 а , град б 30 20 10 і=1 10 20 30 в 40 50 а , град Рис. 4. Изменение собственных частот некоторых форм колебаний охлаждаемой лопатки в зависимости от величины азимутального (а) и аксиального к направлениям <011> (б) и <111> (в) отклонений продольной оси. Изменение кристаллографической ориентации осей лопаток может оказывать влияние не только на собственные частоты, но и на форму колебаний лопаток. Результаты выполненных вычислительных эксперимен тов по изучению ее влияния на форму колебаний лопаток в исследуемом диапазоне собственных частот колебаний свидетельствуют, что независимо от кристаллографической ориентации формы колебаний охлаждаемой ло патки идентичны, в то время как некоторые формы колебаний неохлаж- даемой лопатки могут несколько видоизменяться. Таким образом, как следует из представленных данных, разброс собст венных частот колебаний монокристаллических лопаток из-за технологи ческих допусков и нарушений кристаллографической ориентации может достигать 40% в отличие от такового для поликристаллических лопаток, для которых он обусловлен только технологическими допусками на изготов ление и обычно не превышает 15%. Из приведенных на рис. 4 и 5 зависимостей видно, что в рамках существующего допустимого отклонения продольной оси от направления <001> (рис. 3) разброс собственных частот колебаний монокристаллических лопаток не превышает 10%, что сопоставимо с таковым вследствие техно логических допусков. В то же время необходимо отметить, что если такое 20 /ЗЗЖ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 Влияние кристаллографической ориентации на спектр отклонение не превышает 10°, то обусловливаемый им разброс собственных частот колебаний составит менее 3%, что существенно меньше разброса вследствие технологических допусков. Поэтому ограничение отклонения про дольной оси лопатки от направления <001> позволяет значительно уменьшить суммарный разброс собственных частот колебаний и, как следствие, вероят ность попадания отдельных лопаток в резонанс на рабочих режимах двига теля. При этом уровень опасных динамических напряжений венца увели чивается. Кроме того, в таком случае существенно упрощается отстройка лопаток от возможных их резонансных состояний. І ] , кГн 10 - 8 - А - 9 -I 0 - 43 2 1=1 -45 -30 -15 0 15 30 ср, град О 10 20 І , кГц 12 - — 10 - 8 - 6 - 4 - 2 -I 0 - 4 3 2 ] = 1 І , кГЦ 12 - 10 - Я - 6 - 2 -I 0 - 4 3 2 1 = 1 10 20 30 б 40 а, град 30 в 40 50 а , град Рис. 5. Изменение собственных частот некоторых форм колебаний неохлаждаемой лопатки в зависимости от величины азимутального (а) и аксиального к направлениям <011> (б) и <111> (в) отклонений продольной оси. Расчетно-экспериментальный метод определения предела выносли вости монокристаллических лопаток. Учитывая существенную анизотро пию характеристик механических свойств монокристаллических материалов, их применение как один из возможных способов повышения сопротивления усталости рабочих лопаток турбин требует уточнения известных и разра ботки новых методов по определению и оценке предела выносливости. В отличие от лопаток из материалов с равноосной структурой, в случае использования монокристаллических материалов с определенной кристалло графической ориентацией необходимо проводить испытания партий лопаток для каждой заданной ориентации. Поэтому был разработан метод опреде- 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 21 Р. П. Придорожный, А. В. Шереметьев, А. П. Зиньковский ления предела выносливости монокристаллических лопаток с любой задан ной кристаллографической ориентацией при существенном сокращении затрат на проведение испытаний. Рассмотрим его основные положения. Известно, что за предел выносливости лопатки принимается то наи большее значение максимальных напряжений, действующих на поверхности7 ее пера, при котором не происходит разрушение до N = 2-10 цикл. Для его установления напряжения, определяемые на основании показаний основ ного тензорезистора, наклеенного в удобном месте пера лопатки, пересчи тываются с учетом заданной формы колебаний на место действия макси мальных напряжений. Таким образом, одним из основных моментов при испытаниях рабочих лопаток на усталость является знание их формы коле баний, позволяющей определить коэффициент пересчета напряжений К как отношение величин приведенных максимальных напряжений в пере лопатки и регистрируемых в месте расположения основного тензорезистора. При существующих подходах к проведению усталостных испытаний лопаток из материалов с равноосной структурой лопатки препарируются тензорезисторами для определения распределения относительных макси мальных динамических напряжений (формы колебаний) и соответственно коэффициента пересчета напряжений К . Применительно к монокристалли- ческим лопаткам такой метод обладает следующими недостатками. 1. Сложная форма лопатки, наличие охлаждающих каналов и интенси- фикаторов охлаждения затрудняют ее тензометрирование, что не позволяет с достаточной точностью определить, в каком месте напряжения максималь ны. 2. Коэффициент пересчета напряжений К определяется для лопатки с конкретной кристаллографической ориентацией без учета механизмов дефор мирования и разрушения монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов. Преодолеть указанные недостатки можно с помощью предложенного расчетно-экспериментального метода. С использованием разработанных трехмерных конечноэлементных моделей монокристаллических лопаток (рис. 1) проводится расчет спектра их собственных колебаний в зависимости от кристаллографической ориентации. Используя форму колебаний как мас штабный множитель, на основе данных испытаний рабочих лопатках на вибростенде или на работающем двигателе динамические напряжения, а следовательно, и коэффициент пересчета напряжений К могут быть опре делены в любой точке пера с учетом механизмов деформирования и разру шения монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов. Таким образом, достаточно показаний основного тензорезистора, размещенного в удобном месте лопатки любой кристаллографической ориентации, чтобы определить предел выносливости лопатки с другой заданной кристаллографической ориентацией. Для подтверждения предложенного подхода проводили испытания моно кристаллических лопаток по определению спектра их собственных колеба ний и предела выносливости при колебаниях по первых изгибной и кру тильной формам, как наиболее часто реализуемым в условиях эксплуа тации двигателей, а также комплекс вычислительных экспериментов, моде лирующих такие испытания. 22 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 Влияние кристаллографической ориентации на спектр В качестве основного критерия усталостной прочности монокристал- лической лопатки использовали критическое напряжение сдвига по плос кости скольжения, приведенное к направлению скольжения, которое по закону Боаса-Шмида является постоянной величиной для сплава и его структурного состояния и не зависит от ориентации главных осей моно кристалла [3]. Режим испытаний на усталость каждой лопатки задается и контро лируется по показаниям основного тензорезистора, наклеенного в опреде ленной части ее пера в зависимости от формы колебаний. При колебаниях по первой изгибной форме - это, как правило, спинка корневого сечения лопатки независимо от ее типа. В случае крутильной формы колебаний были выбраны: для неохлаждаемой лопатки - спинка периферийного сечения, для охлаждаемой - участок поверхности ее пера между спинкой и выходной кромкой прикорневого сечения. Полученные зависимости изменения коэффициента пересчета от азиму тальной и аксиальной ориентаций продольной оси лопаток относительно главных осей монокристалла позволяют судить о влиянии кристаллографи ческой ориентации на их предел выносливости. Данные его оценки для исследуемых лопаток по первой изгибной форме колебаний представлены в [11]. Рассмотрим результаты определения предела выносливости охлажда емой и неохлаждаемой монокристаллических лопаток при колебаниях по первой крутильной форме и проведем их сравнение с таковыми, получен ными при колебаниях по первой изгибной форме. Анализ выполненных расчетных и экспериментальных исследований показывает, что при колебаниях неохлаждаемой лопатки по первой крутиль ной форме критическими зонами с точки зрения сопротивления усталости являются зоны со стороны корыта и спинки, расположенные ближе к вход ной кромке периферийного сечения. Изменение коэффициента пересчета К т по максимальным приведен ным касательным напряжениям в зависимости от азимутальной ориентации для рассматриваемой лопатки в случае совпадения ее продольной оси 2 с кристаллографическим направлением <001> показано на рис. 6. Видно, что вследствие кристаллографической симметрии монокристалла изменение угла р между главными осями кристалла и лопатки в плоскости ее попе речного сечения рассматривается в пределах 90°. Приведенные результаты показывают, что при определенной кристаллографической ориентации про дольной оси лопатки, в отличие от данных, полученных при колебаниях по первой изгибной форме, вероятность зарождения трещины в той или иной зоне пера разная. Так, если при колебаниях лопатки по первой изгибной форме изменение величины коэффициента пересчета не превышало 7%, то при колебаниях по первой крутильной форме со стороны корыта оно состав ляет 20%, со стороны спинки - 41%, что свидетельствует о значительном влиянии азимутальной ориентации продольной оси неохлаждаемой лопатки на ее предел выносливости. Что касается охлаждаемой рабочей лопатки турбины, то результаты усталостных испытаний и вычислительных экспериментов свидетельствуют, ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 23 Р. П. Придорожный, А. В. Шереметьев, А. П. Зинъковский что зоны разрушения ее пера могут находиться как на внешнем контуре, так и на внутренней поверхности стенок. Это хорошо видно на рис. 7, где при ведено изменение коэффициента пересчета в опасных зонах пера при коле баниях лопатки по первой крутильной форме в зависимости от азимуталь ной ориентации, когда ее продольная ось совпадает с кристаллографическим направлением <001>. При определенной кристаллографической ориентации вероятность зарождения трещины в той или иной зоне разная, что спра ведливо и для первой изгибной формы колебаний. Однако если при этой форме колебаний изменение величины коэффициента пересчета в каждой конкретной зоне не превышает 10%, то при колебаниях по первой крутиль ной форме оно достигает 45%. Рис. 6 Рис. 7 Рис. 6. Изменение коэффициента пересчета по приведенным касательным напряжениям в зависимости от азимутальной ориентации продольной оси неохлаждаемой лопатки в харак терных зонах ее пера: ♦ - со стороны корыта, ближе к входной кромке периферийного сечения; ■ - со стороны спинки, ближе к входной кромке периферийного сечения. Рис. 7. Изменение коэффициента пересчета по приведенным касательным напряжениям в зависимости от азимутальной ориентации продольной оси охлаждаемой лопатки в характер ных зонах ее пера: ♦ - корыто, вблизи щелевого отверстия на выходной кромке среднего сечения; ■ - нижний угол щелевого отверстия на выходной кромке прикорневого сечения; А - перегородка между верхними щелевыми отверстиями во внутреннем канале. Таким образом, можно заключить, что влияние азимутальной ориен тации продольной оси исследуемых лопаток на предел выносливости зави сит от формы их колебаний. Рассмотрим возможное влияние на предел выносливости лопаток отклонения их продольной оси от направления <001> к направлениям <011> и <111> вдоль границ стереографического треугольника <001>-<011> и <001>-<111> при фиксированной азимутальной ориентации. На рис. 8 представлены результаты расчетов для неохлаждаемой ло патки. Их анализ показывает, что изменение величины коэффициента пере счета при выбранном отклонении продольной оси лопатки к направлению <011> составляет до 20%, к направлению <111> - до 29%, что несколько выше, чем для колебаний по первой изгибной форме, соответственно 16 и 24%. Кроме того, в этом случае претерпевает изменение форма колебаний лопатки, что также оказывает существенное влияние на величину коэф фициента пересчета. 24 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 Влияние кристаллографической ориентации на спектр Отметим, что в отличие от колебаний лопатки по первой изгибной форме, когда независимо от кристаллографической ориентации вероятность разрушения по входной кромке выше, чем в остальных зонах пера, при колебаниях по первой крутильной форме она в той или иной зоне пера зависит от кристаллографической ориентации. Рис. 8. Изменение коэффициента пересчета по приведенным касательным напряжениям в зависимости от аксиальной ориентации к направлениям <011> (а) и <111> (б) продольной оси неохлаждаемой лопатки в характерных зонах ее пера: ♦ - со стороны корыта, ближе к входной кромке периферийного сечения; ■ - со стороны спинки, ближе к входной кромке периферийного сечения. Кт _____ _____ К. 2.5 2 1.5 1 0,5 ^ \ к / 1 У \у ♦ 2.5 2 1.5 1 к . г ̂ Ч \ . 1 \ ч \ • ■ . V 0,5 О 10 20 30 40 а , гряд 0 10 20 30 40 50 а , град а б Рис. 9. Изменение коэффициента пересчета по приведенным касательным напряжениям в зависимости от аксиальной ориентации к направлениям <011> (а) и <111> (б) продольной оси охлаждаемой лопатки в характерных зонах ее пера: ♦ - корыто, вблизи щелевого отверстия на выходной кромке среднего сечения; ■ - нижний угол щелевого отверстия на выходной кромке прикорневого сечения; А - перегородка между верхними щелевыми отверстиями во внутреннем канале. Приведенные на рис. 9 результаты для охлаждаемой лопатки также свидетельствуют о существенном влиянии аксиальной ориентации на изме нение величины коэффициента пересчета, которое может достигать 66% и практически совпадать с полученным при колебаниях по первой изгибной форме. Однако, в отличие от колебаний по первой изгибной форме, в данном случае оно достигает максимума при отклонении продольной оси лопатки от направления <001> на угол а, равный 30°. Вероятность разрушения в той или иной зоне пера охлаждаемой лопатки при колебаниях как по первой ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 25 Р. П. Придорожный, А. В. Шереметьев, А. П. Зиньковский изгибной форме, так и по первой крутильной зависит от кристаллографи ческой ориентации. В ы в о д ы 1. Установлены закономерности влияния кристаллографической ори ентации продольной оси монокристаллических лопаток на формирование спектра собственных частот и форм колебаний. 2. Предложен расчетно-экспериментальный метод определения предела выносливости монокристаллических лопаток, применение которого позво ляет значительно сократить объем испытаний при одновременном повы шении достоверности результатов. 3. Показано, что на предел выносливости монокристаллических лопа ток, зависящий от формы их колебаний, существенное влияние оказывает азимутальная ориентация их продольной оси. Р е з ю м е Із використанням тривимірних моделей монокристалічних робочих лопаток установлено закономірності впливу кристалографічної орієнтації осей мате ріалу на формування спектра власних частот і форм їх коливань. Запропо новано розрахунково-експериментальний метод визначення границі витри валості монокристалічних лопаток, що дозволить значно скоротити об’єм випробувань за одночасного підвищення вірогідності їх результатів. 1. М уравченко Ф. М . Актуальные проблемы динамики прочности и надеж ности авиадвигателей // Вібрації в техніці та технологіях. - 2004. - № 6 (38). - С. 2 - 4. 2. С кибин В ., С олонин В ., Д ульн ев А . Перспективы развития газотурбин ных двигателей // Газотурбинные технологии. - 2000. - № 2. - С. 4 - 8. 3. Ш алин Р. Е , С вет лов И. Л ., К ачанов Е. Б. и др. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. - М.: Машиностроение, 1997. - 336 с. 4. Н ож ницкий Ю . А ., Г олубовский Е. Р. Монокристаллические рабочие лопатки высокотемпературных турбин перспективных ГТД // Авиац.- косм. техника и технология. - 2006. - № 9 (35). - С. 117 - 123. 5. Б огуслаев В. А ., М уравченко Ф. М ., Ж ем аню к П. Д . и др. Технологи ческое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. - Запорожье: Изд. ОАО “Мотор Сич”, 2003. - Ч. 2. Лопатки турбины. - 420 с. 6. Г аврилов С. Н . Влияние податливости в хвостовом соединении на собственные частоты колебаний рабочих лопаток // Вібрації в техніці та технологіях. - 2001. - № 4 (20). - С. 61 - 62. 7. П ридорож ны й Р. П ., Ш ерем ет ьев А. В ., Зиньковский А. П . Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных частот и форм колебаний монокристаллических рабочих лопаток турбин // Вестн. двигателестроения. - 2006. - № 2. - С. 42 - 48. 26 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 Влияние кристаллографической ориентации на спектр 8. М ельникова Г. В ., Ш орр Б. Ф., М агеррам ова Л. А. и др. Влияние кристаллографической ориентации монокристалла и ее технологичес кого разброса на частотный спектр турбинных лопаток // Авіац.-косм. техніка і технологія. - 2001. - Вип. 26. - С. 140 - 144. 9. П ет ухов А. Н ., Г олубовский Е. Р ., Б асов К. А . Частотные характе ристики и формы колебаний монокристаллических образцов и охлаж даемых лопаток турбин с различной кристаллографической ориента цией // Авиац.-косм. техника и технология. - 2006. - № 8 (34). - С. 50 - 56. 10. К ривко А. И ., Е пиш ин А. И., С вет лов И. Л. и др. Упругие свойства монокристаллов никелевых сплавов // Пробл. прочности. - 1988. - № 2. - С. 68 - 75. 11. П ридорож ны й Р. П ., Ш ерем ет ьев А. В. Особенности влияния крис таллографической ориентации на усталостную прочность монокристал лических рабочих лопаток турбин // Авиац.-косм. техника и технология. - 2005. - № 10 (26). - С. 55 - 59. Поступила 25. 10. 2007 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 27

Влияние кристаллографической ориентации на спектр собственных колебаний и предел выносливости монокристаллических рабочих лопаток турбин

Репозитарії

Схожі ресурси