Ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести

Рассматривается влияние гипотетических дефектов (забоин и царапин) в зоне пароразгрузочных отверстий диска 2-й ступени на ресурс ротора среднего давления турбины К-300-240-2 при ползучести. Развитие повреждений диска в зоне отверстий исследуется в трехмерной постановке методом конечных элементов пр...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автори:	Шульженко, Н.Г., Гонтаровский, П.П., Матюхин, Ю.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2015
Назва видання:	Проблемы машиностроения
Теми:	Динамика и прочность машин
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99175
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:	Ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести / Н.Г. Шульженко, П.П. Гонтаровский, Ю.И. Матюхин // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 2. — С. 3-10. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99175
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-991752025-02-09T21:49:01Z Ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести Steam turbine disk resource with initial defects of discharge openings area under creep Шульженко, Н.Г. Гонтаровский, П.П. Матюхин, Ю.И. Динамика и прочность машин Рассматривается влияние гипотетических дефектов (забоин и царапин) в зоне пароразгрузочных отверстий диска 2-й ступени на ресурс ротора среднего давления турбины К-300-240-2 при ползучести. Развитие повреждений диска в зоне отверстий исследуется в трехмерной постановке методом конечных элементов при совместном решении связанных между собой уравнений ползучести и повреждаемости с двумя феноменологическими параметрами: скалярным и векторным, отвечающим соответственно за вязкое и хрупкое разрушение материала. Показано, что с наличием дефектов сокращается время до зарождения трещины, но увеличивается время ее развития до критического размера. Забоина в разгрузочном отверстии моделируется двумя поврежденными конечными элементами в районе срединной плоскости диска, а царапина – рядом поврежденных элементов по всей толщине полотна диска. В случае забоины время появления трещины примерно в три раза меньше, чем при отсутствии повреждений, а в случае царапины – в шесть раз меньше. Однако полный ресурс в первом случае составляет около 60 % по сравнению с ресурсом диска без повреждений, а во втором – 25 %. Таким образом, при наличии дефекта сокращается время до появления трещины, но увеличивается время ее развития до критического размера. Незначительные повреждения в области разгрузочных отверстий могут оказывать существенное влияние на ресурс диска. Розглядається вплив гіпотетичних дефектів (забоїни і подряпини) у зоні паророзвантажувальних отворів на ресурс диска ротора середнього тиску турбіни К-300-240-2 при повзучості. Розвиток ушкоджень диска розглядається в тривимірній постановці методу скінченних елементів при спільному розв’язанні зв’язаних рівнянь повзучості й розсіяної пошкоджуваності із феноменологічними параметрами: скалярним і векторним, що відповідають в’язкому й крихкому руйнуванню матеріалу. Показано, що за наявності дефектів скорочується час до зародження тріщини, але збільшується час її розвитку до критичного розміру. Незначні ушкодження в області розвантажувальних отворів можуть суттєво впливати на ресурс диска. The impact of the hypothetical defects (nicks and scratches) in the steam discharge openings area of disc 2nd stage on medium pressure turbine K-300-240-2 rotor resource under creep is considered. Evaluation of disc damage in the area of openings is investigated with three-dimensional finite element method with simultaneously solving the linked creep and damage equations with two phenomenological parameters: scalar and vector, witch responsible for viscous and brittle failure of the material, respectively. It is shown that the presence of defects reduces the time to crack initiation, but increases the time of its evaluation to a critical size. Nick in the discharge opening is modeled by two damaged finite elements at the area of the median plane of the disk. And the scratch is modeled by number of damaged elements along the thickness of the disk surface. In case of occurrence of a crack during nicks is approximately three times less than in the absence of damage. The time of crack initiation caused by nicks is approximately three times less than in the absence of damage. The time of crack initiation is six times less in case of scratch, accordingly. However, the total resource in the first case is 60% compared with intact disk resource, and in the second case - 25%. Thus, the defect reduces the time until the crack, but increases the time of its evaluation to a critical size. Slight damage in the discharge openings area may have a significant impact on the disc resource. 2015 Article Ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести / Н.Г. Шульженко, П.П. Гонтаровский, Ю.И. Матюхин // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 2. — С. 3-10. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99175 539.3, 621.165 ru Проблемы машиностроения application/pdf Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Динамика и прочность машин Динамика и прочность машин
spellingShingle	Динамика и прочность машин Динамика и прочность машин Шульженко, Н.Г. Гонтаровский, П.П. Матюхин, Ю.И. Ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести Проблемы машиностроения
description	Рассматривается влияние гипотетических дефектов (забоин и царапин) в зоне пароразгрузочных отверстий диска 2-й ступени на ресурс ротора среднего давления турбины К-300-240-2 при ползучести. Развитие повреждений диска в зоне отверстий исследуется в трехмерной постановке методом конечных элементов при совместном решении связанных между собой уравнений ползучести и повреждаемости с двумя феноменологическими параметрами: скалярным и векторным, отвечающим соответственно за вязкое и хрупкое разрушение материала. Показано, что с наличием дефектов сокращается время до зарождения трещины, но увеличивается время ее развития до критического размера. Забоина в разгрузочном отверстии моделируется двумя поврежденными конечными элементами в районе срединной плоскости диска, а царапина – рядом поврежденных элементов по всей толщине полотна диска. В случае забоины время появления трещины примерно в три раза меньше, чем при отсутствии повреждений, а в случае царапины – в шесть раз меньше. Однако полный ресурс в первом случае составляет около 60 % по сравнению с ресурсом диска без повреждений, а во втором – 25 %. Таким образом, при наличии дефекта сокращается время до появления трещины, но увеличивается время ее развития до критического размера. Незначительные повреждения в области разгрузочных отверстий могут оказывать существенное влияние на ресурс диска.
format	Article
author	Шульженко, Н.Г. Гонтаровский, П.П. Матюхин, Ю.И.
author_facet	Шульженко, Н.Г. Гонтаровский, П.П. Матюхин, Ю.И.
author_sort	Шульженко, Н.Г.
title	Ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести
title_short	Ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести
title_full	Ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести
title_fullStr	Ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести
title_full_unstemmed	Ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести
title_sort	ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести
publisher	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Динамика и прочность машин
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99175
citation_txt	Ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести / Н.Г. Шульженко, П.П. Гонтаровский, Ю.И. Матюхин // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 2. — С. 3-10. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Проблемы машиностроения
work_keys_str_mv	AT šulʹženkong resursdiskaparovoiturbinysnačalʹnymidefektamivoblastirazgruzočnyhotverstiipripolzučesti AT gontarovskiipp resursdiskaparovoiturbinysnačalʹnymidefektamivoblastirazgruzočnyhotverstiipripolzučesti AT matûhinûi resursdiskaparovoiturbinysnačalʹnymidefektamivoblastirazgruzočnyhotverstiipripolzučesti AT šulʹženkong steamturbinediskresourcewithinitialdefectsofdischargeopeningsareaundercreep AT gontarovskiipp steamturbinediskresourcewithinitialdefectsofdischargeopeningsareaundercreep AT matûhinûi steamturbinediskresourcewithinitialdefectsofdischargeopeningsareaundercreep
first_indexed	2025-12-01T04:34:07Z
last_indexed	2025-12-01T04:34:07Z
_version_	1850279093816262656
fulltext	ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 2 3 Н. Г. Шульженко, д-р техн. наук, П. П. Гонтаровский, канд. техн. наук, Ю. И. Матюхин, канд. техн. наук Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков, e-mail: shulzh@ikharkov.ua Ключові слова: турбіна, ресурс, повзучість, розсіяні пошкоджен- ня, розвантажувальні отвори. УДК 539.3, 621.165 РЕСУРС ДИСКА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ С НАЧАЛЬНЫМИ ДЕФЕКТАМИ В ОБЛАСТИ РАЗГРУЗОЧНЫХ ОТВЕРСТИЙ ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ Розглядається вплив гіпотетичних дефектів (забоїни і подряпини) у зоні паророзвантажувальних отворів на ресурс диска ротора середнього тиску турбіни К-300-240-2 при повзучості. Розвиток ушкоджень диска розгляда- ється в тривимірній постановці методу скінченних елементів при спільно- му розв’язанні зв’язаних рівнянь повзучості й розсіяної пошкоджуваності із феноменологічними параметрами: скалярним і векторним, що відповіда- ють в’язкому й крихкому руйнуванню матеріалу. Показано, що за наявнос- ті дефектів скорочується час до зародження тріщини, але збільшується час її розвитку до критичного розміру. Незначні ушкодження в області розвантажувальних отворів можуть суттєво впливати на ресурс диска. Введение Одними из наиболее напряженных мест в высокотемпературных цельнокованых роторах па- ровых турбин являются диски в районе разгрузочных отверстий, где металл повреждается в основном по механизму ползучести на стационарных режимах работы [1, 2]. В [3], регламентирующем расчет- ные исследования по определению ресурса роторов паровых турбин, разгрузочные отверстия, напря- женно-деформированное состояние в районе которых носит объемный характер, рассматриваются как концентраторы напряжений с коэффициентом запаса по длительной прочности, равным 1,35. Это связано, главным образом, с представлениями, что появление трещин на поверхности отверстий не будет иметь катастрофических последствий для всего ротора. Немаловажное значение имел и тот факт, что на момент создания конструкции [3] решение трехмерной задачи теории ползучести пред- ставляло значительные трудности. Актуальность работы В [1] показано, что для разгрузочных отверстий диска первой ступени ротора среднего давле- ния (РСД) турбины К-300-240 ЛМЗ запасы прочности (в рамках концепции концентрации напряже- ний и деформаций для осесимметричного напряженно-деформированного состояния) существенно больше нормативных и длительная прочность обеспечена здесь более чем на 2⋅10 5 ч эксплуатации. Рас- четные исследования ползучести РСД турбины К-300-240-2 ХТГЗ в районе первых двух дисков в трехмерной постановке [4, 5] показали, что металл поверхности отверстий повреждается даже интен- сивнее, чем в районе осевого канала ротора, для которого устанавливаются предельные значения ок- ружной деформации ползучести. При отсутствии начальных дефектов в материале длительная проч- ность за 400 тысяч часов работы здесь исчерпывается примерно на 35%. Приведенные данные позво- ляет теоретически исключить эту зону из разряда опасных. Однако при этом не учитывается тот факт, что поверхность отверстий может иметь начальные дефекты в виде царапин и забоин, материал мо- жет обладать ухудшенными характеристиками сопротивления накоплению повреждений, а также иметь другие несовершенства, возникшие в результате изготовления или эксплуатации ротора. В свя- зи с этим определенный интерес представляют данные о влиянии возможных дефектов на ресурс по длительной прочности ротора в районе разгрузочных отверстий. Постановка задачи В данной работе впервые в трехмерной постановке рассматривается влияние начальных гипо- тетических трещиноподобных дефектов, а также различной степени поврежденности поверхностного слоя отверстий диска высокотемпературного ротора на его ресурс. Моделирование дефектов и их из- менения во времени выполнено с помощью методического обеспечения [5], ориентированного на  Н. Г. Шульженко, П. П. Гонтаровский, Ю. И. Матюхин, 2015 ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 2 4 решение трехмерных нелинейных задач термомеханики. Начальная задача решается методом шагов по времени с использованием явных и неявных схем интегрирования, линеаризованная краевая зада- ча – методом конечных элементов. Учет повреждаемости при ползучести основан на использовании концепции рассеянных повреждений с двумя феноменологическими параметрами: скалярным и век- торным [6]. Совместное решение связанных уравнений ползучести и повреждаемости позволяет про- следить во времени процесс скрытого разрушения материала вплоть до достижения одним из пара- метров критического значения в одном или нескольких конечных элементах. При этом считается, что имеет место разрушение материала и трещиноподобный дефект (в дальнейшем трещина) продвигает- ся на размер этих конечных элементов [7]. В результате трещина имеет толщину, от которой зависит напряженное состояние в ее вершине. Отметим, что данный подход практически не используется для расчета элементов конструк- ций ввиду сложностей, связанных с выбором математической модели, адекватно описывающей про- цессы ползучести и разрушения материала, и построением алгоритма решения задачи, позволяющего смоделировать эти процессы в исследуемом объекте. Результаты исследований Для численных исследований выбран фрагмент РСД турбины К-300-240-2 ХТГЗ с диском второй ступени, в наибольшей степени подверженный повреждению металла в процессе ползучести [4]. Расчетами установлено, что отброшенные части ротора практически не влияют на напряженное состояние в районе отверстий. На рис. 1 показана рассчитываемая симметричная часть вала с диском, представляющая собой сектор с углом раствора ϕ = π/7 (диск имеет семь равномерно расположенных в окружном направле- нии отверстий). Условия симметрии заданы на меридиональных плоскостях ϕ = 0 и ϕ = π/7: переме- щения в окружном направлении uϕ и касательные напряжения τrϕ, τzϕ равны нулю, а также – на тор- цевой плоскости, рассекающей диск пополам: перемещения в осевом направлении uz и касательные напряжения τrz, τϕz равны нулю. Принято, что рассматриваемый фрагмент ротора равномерно нагрет до температуры 525 °С, вращается с частотой 50 с –1 и подвержен воздействию центробежной нагрузки интенсивностью 40,13 МПа от лопаточного аппарата, приложенной к поверхности обода диска. Материал ротора – сталь 20Х3МВФ (ЭИ 415). Расчеты ползучести и повреждаемости ротора без начальных дефектов до момента появления макротрещины в теле выполнены для двух видов разбивки ротора на конечные элементы (с крупной и мелкой сеткой), которые отличаются размерами элементов в районе отверстия более чем в два раза. На рис. 2 показана крупная конечноэлементная сетка двух се- чений ротора, проходящих через зону отверстия. В результате расчетов установлено, что опасным слоем, в кото- ром под действием в основном радиальной нагрузки развивается гипо- тетический трещиноподобный дефект, является затемненный слой, указанный стрелкой A на рис. 2 . Рост трещины в нем моделируется «выбрасыванием″ предельно поврежденных элементов в направлениях z и y. На рис. 3 показано сечение, указанное стрелкой A (рис. 2), с мелкой (а) и крупной (б) конечноэлементной сеткой. В начальный момент времени (t = 0) максимальные радиальные напряжения σx возникают в центрах конечных элементов, затемненных на рис. 3. При мелкой разбивке они равны 143,2 МПа, при грубой – 140,0 МПа (осевые и окружные напряжения здесь малы). Интенсив- ность напряжений σi в первом случае равна 140,0 МПа, во втором – 135 МПа. Изолинии радиальных напряжений в рассматриваемом сечении при двух типах разбивки приводятся на рис. 4. Из рисунка видно, что грубая разбивка дает достаточно хорошее представление σx в рассмат- Рис. 1. Рассчитываемый фрагмент ротора ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 2 5 риваемом сечении диска в начальный момент времени. Сгущение сетки конечных элементов по толщине диска от плоскости симметрии к свободной поверхности сделано для того, чтобы учесть изменение напряженного состояния от плоского дефор- мированного к плоскому напряженному, а также точнее описать геометрию растущей трещины. Для описания ползучести, сопровождающейся накоплением рассеянных повреждений, ис- пользовались уравнения теории типа течения с анизотропным упрочнением, дополненные кинетиче- скими уравнениями повреждаемости материала со скалярным ω и векторным ψ v параметрами, от- вечающими, соответственно, за вязкое и хрупкое разрушение материала. Соответствующие уравне- ния и константы материала для стали ЭИ415 при температуре 525 °С приводятся в [4], где показано, что в районе разгрузочных отверстий межзеренные повреждения развиваются почти вдвое интенсив- нее, чем внутризеренные, и здесь следует ожидать появления межзеренных макротрещин и хрупкого разрушения диска. В результате проведенных численных исследований получено, что в материале без дефектов модуль векторного параметра поврежденности достигает критического значения \|\| ψ v = 0,99 (99%) в Рис. 2. Сечения фрагмента ротора, проходящие через центры конечных элементов слоев, указанных стрелками а) б) Рис. 3. Сетка конечных элементов: а) – при мелкой; б) – при грубой дискретизации сечения, указанного стрелкой A (рис. 2) ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 2 6 центрах элементов, граничащих с плоскостью симметрии (на рис. 3 выделены черным). При мелкой разбивке это происходит за 1014480, а при грубой – за 824244 часов. К моменту появления макро- трещины изолинии \|\| ψ v в рассматриваемом сечении при двух вариантах разбивки распределяются, как показано на рис. 5. Наблюдаемое можно объяснить релаксацией радиальных напряжений со временем. На рис. 6 приводятся линии равных уровней радиальных напряжений в исследуемом сечении в момент зарож- дения макротрещины для моделей с мелкой и грубой разбивкой. Процессы ползучести и перераспределения напряжений интенсивнее развиваются в системе с мелкой разбивкой. В первом случае радиальные напряжения существеннее релаксируют в районе от- верстия (что замедляет процесс накопления повреждений) и заметно возрастают вдали от него. В ре- зультате время до появления макротрещины при мелкой разбивке заметно больше, чем при грубой. При достижении поврежденностью критического значения в центре элемента, выделенного черным цветом, наблюдается следующее. При мелкой разбивке максимальное значение σx уменьшается с 143,2 до 107,0 МПа, а при грубой – со 140,0 до 122,0 МПа. При этом для мелкой разбивки ω = 0,52, а интенсивность деформаций ползучести εc i = 0,14%, для грубой – ω = 0,47, εc i = 0,13%. Отметим, что интенсивность напряжений σi в центрах указанных элементов к моменту появ- ления трещины в обоих вариантах разбивки уменьшается примерно на одну и ту же величину (в от- личие от σx) и достигает, соответственно, 92,0 и 90 МПа. Если оценивать длительную прочность по значению σi = 92 МПа, то по разным источникам получается следующее время до разрушения: 1,8⋅10 6 [8]; 1,5⋅10 6 ч [9]. В одномерном случае при напряжении 92 МПа в расчетах по уравнениям ползучести и повреждаемости материала определяется время до разрушения 1,7⋅10 6 ч. Далее трещиноподобный дефект развивается, что моделируется «выбрасыванием» конечных элементов с предельной поврежденностью. «Выброшенным» элементам присваивается 100%-я по- врежденность. При t = 899337 ч (через 75093 ч после возникновения) при грубой разбивке и при t = 1034440 ч (через 19960 ч) при мелкой разбивке трещина выходит на поверхность диска (освобож- а) б) Рис. 4. Изолинии σσσσx при t = 0: а) – мелкая разбивка; б) – грубая разбивка а) б) Рис. 5. Изолинии повреждаемости ψ v : а) – модель с мелкой разбивкой (t = 1014480 ч); б) – с грубой разбивкой (t = 824244 ч) ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 2 7 дается первый элемент, граничащий с боковой поверхностью). При этом изолинии модуля векторно- го параметра поврежденности в рассматриваемом сечении имеют вид (рис. 7). Трещина приобретает полуэллиптическую форму и при мелкой разбивке оказывается более глубокой, чем при грубой, что объясняется большей поврежденностью металла (рис. 5) на момент ее образования. После выхода трещины на боковую поверхность диска ее рост осуществляется так. При гру- бой разбивке второй элемент, принадлежащий боковой поверхности диска, устраняется через 2305 ч, третий – через 2982, четвертый – через 3853 ч. Увеличение времени подрастания связано с увеличе- нием размеров конечных элементов по мере удаления от поверхности отверстия (рис. 3, б). При мел- кой разбивке трещина вначале очень быстро растет, и за 20 ч она охватывает следующие четыре эле- мента. При этом в последних элементах происходит скачкообразное увеличение \|\| ψ v до предельного значения (осуществляется «долом» этих элементов). После того как трещина приобретает форму по- луэллипса, ее рост несколько замедляется. Таким образом, в материале без начальных дефектов трещина появляется в центре диска при- мерно через 1⋅10 6 ч при мелкой разбивке (через 8⋅10 5 ч при грубой), растет в течение 2⋅10 4 ч (7⋅10 4 ч) до выхода на боковую поверхность диска, а затем начинает быстро увеличиваться. Последней стади- ей роста трещины при оценке ресурса можно пренебречь и считать ресурс близким 1⋅10 6 ч (9⋅10 5 ч). Учитывая относительно небольшой разброс данных по времени, дальнейший анализ роста трещин при наличии дефектов на поверхности разгрузочного отверстия осуществлялся при грубой конечно- элементной разбивке обода. Начальный дефект поверхностного слоя металла отверстия задается в виде одного или не- скольких конечных элементов по толщине диска (направление z), глубине (направление y) и высоте (направление x) с заданной степенью поврежденности (от 0 до 1,0). На рис. 3, б отмечен элемент, моделирующий забоину, лежащую в слое A. Если элемент, мо- делирующий забоину, имеет 100%-ю начальную поврежденность, то трещина начинает развиваться через 296247 ч и выходит на поверхность при t = 560346 ч, т. е. растет в течение 264099 ч. При этом предельно поврежденными (выброшенными) оказываются 52 элемента, а сама трещина оказывается более глубокой (рис. 6, а), чем в случае, когда материал не имеет дефектов (рис. 5, б). а) б) Рис. 6. Изолинии напряжений σσσσx: а) – модель с мелкой разбивкой (t = 1014480 ч); б) – с грубой разбивкой (t = 824244 ч) а) б) Рис. 7. Изолинии поврежденности ψ v при выходе трещины на боковую поверхность: а) – при мелкой разбивке; б) – при грубой разбивке ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 2 8 Царапина на поверхности отверстия, проходящая по всей толщине диска, моделируется пер- вым рядом конечных элементов, выделенных на рис. 3, для которых задается начальная поврежден- ность. При 100%-й поврежденности указанных элементов трещина продвигается на один элемент в центральной части диска через 141010 ч, а на боковой поверхности – через 32594 ч после этого (при t = 173604 ч). Распределение изолиний ψ v в сечении A (рис. 3) к началу движения трещины показано на рис. 8. Скорость роста трещины далее возрастает. Если на величину второго элемента на поверхно- сти диска трещина продвигается за 53456 ч, то на длину третьего – за 27226, а четвертого – за 15564 ч. При 80%-й поврежденности элементов, моделирующих царапину, трещина начинает расти через 188988 ч, начиная с затемненного элемента, и на боковую поверхность выходит через 41893 ч после начала ее роста. Далее она ускоренно прорастает. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 1, где ∆t – время, за которое трещина выходит на боковую поверхность диска (освобождается первый элемент боковой поверхно- сти): ∆t1, ∆t2, ∆t3 – время, за которое трещина подрастает на величину, соответственно, второго, третьего и четвертого элементов боковой поверхности. В седьмой строке таблицы над чертой указано полное время роста трещины, под чертой – время подрастания трещины на три элемента боковой поверхности диска, а в восьмой строке дан его ресурс (над чертой – с учетом, под чертой – без учета времени подрастания трещины на боковой по- верхности диска). Таблица 1. Характеристики роста трещин ползучести и ресурс диска при наличии дефектов на поверхности разгрузочных отверстий Время, ч Материал с начальным дефектом Стадии развития трещины Материал без дефектов забоина, 100%-я поврежденность царапина, 100%-я поврежденность царапина, 80%-я поврежденность появление трещины 824244 296247 141010 188988 выход на поверхность 899337 560346 173604 230881 ∆t 75093 264099 32594 41893 ∆t1 2305 235 53456 121790 ∆t2 2982 332 27226 36355 ∆t3 3853 75 15564 18988 рост трещины 84233 9140 264741 642 128840 96246 219026 177133 ресурс 900000 900000 550000 550000 250000 170000 400000 230000 а) б) Рис. 8. Изолинии поврежденности ψ v при выходе трещины на боковую поверхность: а) – царапина (100%-я поврежденность); б) – забоина (100%-я поврежденность) ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 2 9 В материале с дефектами дольше всего зарождавшаяся трещина растет до выхода на поверх- ность при наличии забоины, которая служит локальным концентратором напряжений. Рассеянные повреждения начинают накапливаться в районе концентратора, а после появления трещины распро- страняются по диску. В материале с царапиной источник концентрации более протяженный, и внача- ле повреждается материал вдоль царапины по всей толщине диска. В материале без дефектов до мо- мента зарождения трещины повреждается обширная область в районе отверстия, и образовавшаяся трещина растет быстрее, чем при наличии забоины. Из табл. 1 следует, что для материала без начальных дефектов и для материала с забоиной (100%-я поврежденность – рис. 8, б) время роста трещины после ее выхода на боковую поверхность мало по сравнению со временем до момента выхода. Поэтому за полный ресурс ротора можно при- нять время появления трещины на боковой поверхности диска. Для царапины время роста трещины после ее выхода на боковую поверхность весьма значительно, и его можно включить в полный ресурс после соответствующей корректировки, связанной с тем, что на рост трещины существенное влияние оказывают циклические нагрузки, вызываемые пусками-остановами турбины. Поэтому полным ре- сурсом ротора все же целесообразно считать время появления трещины на боковой поверхности дис- ка. В [2] при расчетной оценке времени живучести роторов и корпусных деталей турбин критическим размером трещины считается размер, при котором трещина становится сквозной или начинается ла- винообразное разрушение конструкции. При определении допустимого времени роста трещины от начальной глубины до критических размеров как один из критериев используется время живучести с учетом коэффициента запаса по времени, изменяющегося от 2,5 до 5,0. Если за критическое время принять время выхода трещины на боковую поверхность, а коэф- фициент запаса по времени принять равным 2,5 (учитывая невысокую опасность разрушения этой зоны), то величины ∆t в таблице примут следующие значения: 30037; 105640; 13038; 92352 ч. Воспользовавшись временной зависимостью коэффициента запаса по повреждениям от пол- зучести [2], можно определить допустимое время до зарождения трещин ползучести. Согласно [2] значения времен, указанные в первой строке табл. 1, должны быть уменьшены соответственно в 4,1; 4,7; 6,2; 5,6 раза и станут равными: 201035; 63031; 22743; 33748 ч. Допустимое время зарождения и роста трещин в роторе при наличии различных дефектов поверхностного слоя разгрузочных отвер- стий диска приводится в табл. 2. Таблица 2. Допустимый ресурс ротора с дефектами поверхности разгрузочных отверстий Допустимое время, ч Материал с начальным дефектом Стадии развития трещины Материал без дефектов забоина, 100 %-я поврежденность царапина, 100 %-я поврежденность царапина 80 %-я поврежденность зарождение или страгивание 201035 63031 22743 33748 рост 30037 105640 13038 92352 Округленно полные допустимые значения ресурса ротора могут быть приняты равными 231000; 170000; 36000; 125000 ч. Выводы Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что наличие начальных дефектов на поверхности разгрузочных отверстий значительно сокращает время до зарождения тре- щины и выхода ее на боковую поверхность диска. Наличие забоины на оси симметрии диска может более чем в два раза уменьшить время до начала роста трещины, а царапина, проходящая по всей толщине диска, почти в шесть раз сокращает процесс зарождения трещины. При этом, чем протяжен- нее по толщине диска дефект, тем более вытянутой становится трещина. Приведенные результаты служат сравнительной оценкой влияния на ресурс диска начальных дефектов на поверхности разгру- зочных отверстий, что необходимо учитывать при прогнозировании ресурса роторов с указанными возможными начальными дефектами. ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 2 10 Литература 1. Костюк, А. Г. Прочность цельнокованых роторов турбин мощностью 200, 300 и 800 МВт производства ЛМЗ при длительном статическом нагружении / А. Г. Костюк, А. Д. Трухний // Теплоэнергетика. – 2004.– № 10. – С. 45–52. 2. Визначення розрахункового ресурсу та оцінка живучості роторів і корпусних деталей турбін: СОУ-Н МЕВ 40.1-21677681-52:2011. – К.: М-во енергетики та вугільної пром. України, 2011. – 42 с. – (Нормативний до- кумент Міненерговугілля України. Методичні вказівки). 3. Турбины паровые стационарные. Расчет на статическую прочность дисков и роторов: ОСТ 108.020.109-82. – Взамен ОСТ 108.020.109-76. – Л.: НПО ЦКТИ, 1983. – 22 с. 4. Расчетная оценка длительной прочности дисков ротора паровой турбины / Н. Г. Шульженко, П. П. Гонта- ровский, Ю. И Матюхин, Н. Г. Гармаш // Пробл. прочности. – 2010. – № 4. – C. 77–86. 5. Шульженко, Н. Г. Задачи термопрочности, вибродиагностики и ресурса энергоагрегатов (модели, методы, результаты исследований): монография / Н. Г. Шульженко, П. П. Гонтаровский, Б. Ф. Зайцев. – Saarbrücken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co.KG, 2011. – 370 с. 6. Шульженко, Н. Г. Оценка длительной прочности роторов паровых турбин на основе анализа рассеянных повреждений / Н. Г. Шульженко, П. П. Гонтаровский, Ю. И. Матюхин // Пробл. машиностроения. – 2007. – Т. 10, № 4. – С. 71–81. 7. Розрахункова оцінка живучості пластин при повзучості з використанням параметрів розсіяного пошкоджен- ня. В 2 ч. Ч. 1 / М. Г. Шульженко, П. П. Гонтаровський, Ю. І. Матюхін, С. І. Панасенко // Вісн. Тернопіль. нац. техн. ун–ту. Спец. випуск. – 2011. – С. 47–54. 8. Резинских, В. Ф. Увеличение ресурса длительно работающих паровых турбин / В. Ф. Резинских, В. И. Гладштейн, Г. Д. Авруцкий. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 296 с. 9. Анализ и обобщение служебных характеристик роторной стали 25Х1М1ФА (Р2МА) в исходном состоянии. Работа № 510-1917 / ПО турбостроения «Ленинградский металлический завод».– Л.: ПО ЛМЗ, 1986. – 102 с. Поступила в редакцию 25.05.15 Ш. Г. Гасанов, д-р. техн. наук Азербайджанский технический университет Азербайджан, г. Баку, e-mail: iske@mail.ru Ключові слова: тріщи- на зі зв’язками між бе- регами, гальмування ко- гезійної тріщини, тонка ізотропна пластина, зосереджені сили. УДК 539.375 ВОЗДЕЙСТВИЕ МАЛЫХ ВЫТОЧЕК И УТОЛЩЕНИЙ НА РОСТ КОГЕЗИОННОЙ ТРЕЩИНЫ В ПЛАСТИНЕ, РАСТЯГИВАЕМОЙ ДВУМЯ СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ СИЛАМИ Розглядається тонка ізотропна пластина постійної товщини повсюди, за винят- ком деяких областей S1 та S2 поблизу кінців наскрізної прямолінійної тріщини зі зв’язками між берегами на продовженні тріщини. Пластина розтягується двома зосередженими силами. Вважається, що процес руйнування локалізовано в кінцевій зоні, що розглядається як частина тріщини і може порівнюватися з розміром трі- щини. Досліджується плоска задача механіки руйнування відносно гальмування ко- гезійної тріщини малими змінами товщини матеріалу на шляху її зростання. Кра- йова задача відносно рівноваги когезійної тріщини в пластині під впливом зовнішніх розтягувальних сил зводиться до розв’язання нелінійного сингулярного інтегрально- го рівняння. Із розв’язання цього рівняння знайдено напруження в зв’язках. Розгля- нуто найбільш поширені на практиці форми виточок та стовщень. Введение В механике хрупкого разрушения проблема «залечивания» существующей в материале тре- щины получила особое внимание. Проблема торможения трещин имеет научное и важное практиче- ское значение, так как ее решение позволяет продлить срок эксплуатации разнообразных конструк- ций и изделий практически во всех областях современной техники, а главное избежать катастроф, связанных с внезапным разрушением [1]. Вызывает интерес оценка эффективности использования локальных изменений в толщине вблизи конца трещины на ограничения роста трещин в тонкостен-  Ш. Г. Гасанов, 2015

Ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести

Репозитарії

Схожі ресурси