539.3 О методе оценки ресурса лопаточного аппарата газотурбинного двигателя при асимметричном циклическом нагружении

Завойчинская Э. Б. (МГУ им. М.В. Ломоносова)

РЕСУРС, СТОХАСТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ЛОПАТКА, ВЕРОЯТНОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ, МАСШТАБНО-СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ РАЗРУШЕНИЯ, КРИВЫЕ УСТАЛОСТИ, МНОГОЦИКЛОВАЯ УСТАЛОСТЬ, ГИГАЦИКЛОВАЯ УСТАЛОСТЬ, МИКРОТРЕЩИНЫ, МАКРОТРЕЩИНЫ


doi: 10.18698/2309-3684-2020-1-4563


Одной из современных задач оценки ресурса и безопасной эксплуатации турбин и компрессоров в газо- и паротурбостроении является исследование закономерностей стохастического процесса зарождения и развития усталостных микро- и макротрещин в конструкциях лопаточного аппарата при эксплуатационном нагружении в условиях многоцикловой и гигацикловой усталости. Экспериментально обнаруживается, что микро- и макротрещины возникают перпендикулярно оси лопатки в корневом сечении в зоне концентрации напряжений от изгибных форм вынужденных резонансных колебаний. В общем виде осевое напряжение в лопатке может быть представлено в виде суммы постоянной составляющей и дискретного спектра с набором амплитуд и сдвигами фаз между компонентами. В данной работе рассматривается асимметричное одночастотное осевое нагружение лопатки с постоянной составляющей напряжения, определяемой по известным соотношениям для упругой консольной балки как максимальное значение суммы растягивающего напряжения от центробежных сил и изгиба от аэродинамических сил в месте их приложения, и амплитудой, определяемой из известного решения задачи изгиба при различных прогибах упругой балки, жестко закрепленной в обод диска без связей. Предлагаемый метод оценки ресурса лопаток при таком нагружении основывается на теории масштабно-структурного разрушения материала, согласно которой стохастический процесс усталостного разрушения рассматривается на шести масштабно-структурных уровнях, отвечающих разным стадиям эволюции материала по различным физическим механизмам. Строится иерархическая система определяющих соотношений для вероятности разрушения на микро-, мезо- и макроуровнях. В качестве переменной выбирается амплитуда напряжения, а материальные функции определяются по данным стандартных испытаний на усталостную прочность с учетом результатов структурных исследований развития хрупких трещин и в зависимости от параметра асимметрии цикла. Проводится идентификация базовых констант для материалов, не имеющих предела выносливости, в областях многоцикловой и гигацикловой усталости. Строятся кривые усталости по уровням дефектности. Метод расчета подтверждается сравнением полученных теоретических результатов с известными данными. Обсуждаются результаты исследований для лопаток из алюминиевого сплава ВД17 и никелевого сплава ЖС6К.


[1] Шанявский А.А. Моделирование усталостных разрушений металлов. Синергетика в авиации. Уфа, Монография, 2007, 500 с.
[2] И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр. Динамика авиационных газотурбинных двигателей. Москва, Машиностроение, 1981, 232 с.
[3] Левин А.В. Рабочие лопатки и диски паровых турбин. Москва, Машиностроение, 1989, 624 с.
[4] Капралов В.М. Методология экспериментальной оценки накопления повреждений многоцикловой усталости, вибропрочности и пределов выносливости лопаток турбомашин. Автореферат докт. дисс. Санкт-Петербург, 2010, 35 с.
[5] Ножницкий Ю.А., Балуев Б.А., Федина Ю.А. Экспериментальные исследования прочностной надежности перспективных газотурбинных двигателей. Вестник УГАТУ, 2015, т. 19, № 3 (69), с. 3–14.
[6] Рыбников А.И., Гецов Л.Б., Ласкин А.С., Ковалев А.Г., Дашунин Н.В., Можайская Н.В., Леонтьев С.А. Опыт длительной эксплуатации стационарных ГТУ на магистральных газопроводах. Ч.3. Усталостные повреждения лопаток ГТУ. Вестник двигателестроения, 2008, № 1, с. 33–39.
[7] Шанявский А.А., Солдатенков А.П. Масштабные уровни предела усталости металлов. Физическая мезомеханика, 2019, № 22 (1), с. 44–53.
[8] Bathias C., Paris P. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. New York, Marcel Dekker, 2005, 304 p.
[9] Бураго Н.Г., Журавлев А.Б., Никитин И.С., Якушев В.Л. Исследование различных режимов усталостного разрушения и оценка долговечности диска компрессора газотурбинного двигателя. Математическое моделирование, 2016, т. 28, № 2, с. 53–64.
[10] Bathias C., Paris P.C., Huang Z., Wagner D. Subsurface crack initiation and propagation mechanisms in gigacycle fatigue. Acta Materialia, 2010, vol. 58, p. 6046–6054.
[11] Скубачевский Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. Москва, Машиностроение, 1969, 543 с.
[12] Завойчинская Э.Б. Микро- и макромеханика разрушения элементов конструкций. Механика твердого тела, 2012, № 3, с. 54–77.
[13] Завойчинская Э.Б. Усталостное масштабно-структурное разрушение и долговечность конструкций при пропорциональных процессах нагружения. Автореф. докт. дисс., М.: ООО "Генезис", 2018, 46 с.
[14] Завойчинская Э.Б. О теории усталостного разрушения при сложном напряженном состоянии металлов с учетом структурных изменений. Вестник Московского университета. Серия 1: Математика. Механика, 2019, № 2, c. 29–34.
[15] Завойчинская Э.Б. О стохастической теории усталостного масштабно-структурного разрушения металлов. Сборник трудов конференции «Современные проблемы математики и механики», 2019, c. 694–697.
[16] Завойчинская Э.Б. Прогнозирование долговечности протяженных конструкций при эксплуатационном нагружении. Сборник Трудов XII Всероссийского сьезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, 2019, т. 3, с. 607–609.
[17] Пелых В.Н., Погребняк А.Д., Рогульский М.Н., Романова Н.В. Метод определения предела выносливости конструкционных материалов при многоцикловом асимметричном нагружении с использованием эквивалентных напряжений. Проблемы прочности, 2012, № 5, с. 85–97.
[18] Жуков, Н.Д. Влияние факторов кристаллизации на выносливость литейных никелевых сплавов. Проблемы прочности, 1974, № 7, с 99–105.


Завойчинская Э.Б. О методе оценки ресурса лопаточного аппарата газотурбинного двигателя при асимметричном циклическом нагружении. Математическое моделирование и численные методы. 2020. № 1. с. 45–63



Скачать статью

Количество скачиваний: 582