Методология экспериментальной оценки накопления повреждений многоцикловой усталости, вибропрочности и пределов выносливости лопаток турбомашин (11.10.2010)

Автор: Капралов Владимир Михайлович

– время работы на конкретном режиме j ГТУ.

Гистограмма вибрационной напряженности в отдельном цикле работы ГТУ определяется так:

- эксплуатационная гистограмма вибронапряженности в режиме j,

- гистограмма вибронапряженности в режиме j без учета эксплуатационных факторов,

Ротн=Pэ/ Pн, Pэ - эксплуатационное давления на входе в двигатель, Pн - стандарное атмосферное давление.

Подобные гистограммы следует получать для всех мест наибольших напряжений по всем частотам и формам колебаний лопаток, реализующимся в рабочем диапазоне частот вращения ГТУ. Препарирование лопаток тензорезисторами осуществлялось с размещением их в местах наибольших напряжений при исследовании колебаний на реализуемых частотах и формах. Автором исследована вибрационная напряженность лопаток турбины на изгибно-крутильных формах колебаний с собственными частотами (15000 – 24000гц.

Гистограмма распределения размахов переменных напряжений в охлаждаемой лопатке турбины на одном из резонансных режимов с высокой средней (собственной) частотой показана на рис. 13.

Рис. 13. Гистограмма распределения размахов переменных напряжений на одном из резонансных режимов с высокой собственной частотой. Ось ординат - относительное число циклов одного уровня напряжений Р. (отношение числа циклов уровня напряжений (i к общему числу циклов наработки гистограммы), ось абсцисс - Уровень переменных напряжений (i.

Специфика расчета циклической долговечности лопаток состоит в том, что накопление усталостных повреждений происходит в разных местах лопатки на различных собственных частотах и формах колебаний. Наиболее интенсивно накопление повреждений происходит в местах наибольших напряжений на каждой из собственных частот и форм колебаний. Величина и степень рассеивания пределов усталости в разных местах лопаток различны и связаны с конструктивными особенностями лопаток в разных местах.

Скорость накопления усталостных повреждений существенно зависит от величины основной частоты колебаний. Поэтому для каждого возможного опасного резонанса в рабочем диапазоне частот вращения роторных систем должна быть построена гистограмма (например, рис. 13).

Опасность резонанса определяется не только уровнем действующих напряжений, но и значением центральной частоты на каждом j – том режиме работы ГТУ.

Накопленное суммарное число циклов напряжений в лопатках в одном цикле работы:

где t - время цикла работы двигателя в часах, fj - средняя частота колебаний лопаток (герцы). В случае резонанса - это резонансная частота, при случайных колебаниях частота определяется как средняя частота узкополосного процесса.

Скорость накопления усталостных повреждений определяется, как правило, временем работы на режиме с резонансными напряжениями и средними частотами зон собственных частот колебаний лопаток.

Как известно, оценку прочности, надежности и долговечности по числам циклов лопаток ГТУ можно производить двумя способами:

Определением запаса прочности с учетом возможного рассеивания величин.

Расчетом накопления усталостных повреждений (например, по линейной гипотезе) с целью определения критического времени наработки).

Представленные в виде эквивалентных (15) сложные переменные напряжения можно использовать для расчета прочности и надежности деталей ГТУ по переменным напряжениям (1) стр.7.

Расчет запаса прочности следует производить по каждому опасному резонансу в рабочем диапазоне частот вращения двигателя. Экспериментальное определение напряженности в местах наибольших напряжений тоже следует проводить на всех упомянутых частотах и формах.

Рекомендовано учитывать степень накопления повреждений в каждом полетном цикле. и суммировать накопленные повреждения многих полетных циклов с учетом их возможного различия.

Оценка накопленного усталостного повреждения в лопатках в одном полетном цикле основывается на реальной диаграмме усталости и гистограмме переменных напряжений полетного цикла. Гистограмма сложного процесса колебаний представляет собой сумму отношений чисел циклов каждого уровня напряжений (i (разряда) к суммарному числу циклов (рис.12).

Гистограмма эксплуатационного (полетного) цикла:

где -(ji - число циклов разряда (i в гистограмме полетного цикла (суммарной по l режимов ГТУ), N(Э - суммарное число циклов переменных напряжений в эксплуатационном цикле.

Эксплуатационный цикл содержит l режимов работы двигателя.

Гистограмма переменных напряжений, полученная опытным путем на j – том режиме, может быть выражена как:

где - (i - число циклов уровня переменных напряжений разряда (i, N( j - общее число циклов на фиксированном режиме двигателя j, k - число разрядов (i в гистограмме режима j ГТУ.

Процесс накопления усталостных повреждений в этом случае оценивается по следующей формуле:

определяется по кривой усталости лопаток, полученной по резонансным усталостным испытаниям лопатки (12).

В соответствии с линейной гипотезой Пальмгрена – Майнера величина П, при которой происходит разрушение, равна единице. По нашим (4( и литературным данным необходима коррекция линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений, поскольку величина П может изменяться в пределах 0,5 – 2,5.

В рабочем диапазоне частот ГТУ может иметь место несколько резонансных зон с центральными частотами fсобств., доминирующими в колебаниях лопаток на j режиме двигателя. Скорость накопления усталостных повреждений определяется этой частотой.

Наиболее интенсивно накапливаются усталостные повреждения в местах наибольших напряжений при колебаниях на доминирующей частоте. Место наибольших напряжений определяется расчетным или опытным путем. Процессы накопления повреждений на разных собственных частотах могут протекать параллельно.

Может быть составлена система из стольких уравнений накопления повреждений, сколько опасных зон в рабочем диапазоне частот вращения двигателя имеет место:

………………………… …..… (25)

- число циклов до разрушения на уровне гармонических переменных напряжений (разряд) (i , определяется по результатам резонансных усталостных испытаний на собственных частотах f1, f2, ft.

Недопустимое значение П (разрушение лопаток) наступает при постепенном его приближении к критической величине.

Можно допустить, что в общем случае процессы накопления повреждений в разных местах лопатки слабо связаны между собой. В первом приближении эти процессы можно считать независимыми.

В процессе опытной доводки машин накапливаются материалы для расчета усталости и отказы, как следствие эксплуатации. Это позволяет корректировать направление и объем исследований и сопоставлять расчеты с опытом эксплуатации.

Для лопаток авиационных ГТД в соответствии с требованиями ИКАО вероятность разрушения конструкции не может превышать Р ( 0,7(0,9. Выбор метода расчета зависит от требуемого уровня надежности.

Изменение характера, структуры переменной напряженности лопаток с течением времени наработки (и режима ГТД) должны учитываться. Могут изменяться и характеристики усталости лопаток. Соотношение этих характеристик определяет долговечность лопаток по усталости.

Из выражений (24 и 25) с учетом числа полетных циклов получаем:


загрузка...