ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Термомеханическая нагруженность конструктивных элементов при циклическом нагружении из "Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении " При оценке прочности и ресурса элементов конструкций, работающих в условиях малоциклового нагружения при переменных температурах и сложнонапряженном состоянии, возникают две связанные задачи определение напряженно-деформированного состояния элементов конструкций при работе материала максимально нагруженных зон за пределами упругости, когда развиты упру-гонластические деформации и деформации ползучести, и на базе полученной информации оценка запасов прочности и долговечности при малоцикловом неизотермическом нагружении. Характер протекания процесса деформирования за пределами упругости и циклические деформации, определяющие формирование предельного состояния материала, зависят от режима термосилового воздействия на деталь и параметров термомеханической нагруженности максимальная температура, градиент температур, длительность и форма термического и силового циклов нагружения и др.), а также сочетания нестационарных режимов нагружения в период эксплуатации изделия. [c.11] Для элементов конструкций тепловой энергетики [33, 74, 89, 109] термомеханическое нагружение в процессе эксплуатации характеризуется большой длительностью переходных и стационарных режимов в связи с периодическими изменениями нагрузки и перерывами в работе (остановка-пуск, отказ ответственных элементов). На рис. 1.4 и 1.5 приведены данные исследований тяжело нагруженных элементов теплоцентралей. [c.11] Режимы изменения нагрузки, давления и температуры (рис. [c.11] Вследствие значительного внутреннего давления и при неравномерном распределении температуры в стенках барабана котла создается существенно неравномерное поле суммарных напряжений, которые меняются в процессе эксплуатации котлов с изменением режимов и тепловых состояний агрегата. В результате при эксплуатации образуются трещины на внутренней поверхности барабанов котлов высокого давления (200 МПа), особенно в зонах отверстий в цилиндрической части [109]. [c.13] Прямые измерения напряжений и деформаций в упругопластической стадии деформирования по специально разработанной методике [33] показывают (см. рис. 1.4, б), что при эксплз атации имеет место существенная концентрация температурных и изгибных механических напряжений, возникающих при нестационарных режимах работы котла в связи с общей и местной геометрической неоднородностью конструкции. [c.13] Приведенные примеры показывают, что при переходных режимах на внутренней поверхности барабана котла в зоне отверстия или корпуса цилиндра стационарной паровой машины под действием внутреннего рабочего давления (100... 150 МПа) возникают большие циклические напряжения (240...280 МПа, а с учетом концентрации— 400 МПа), которые значительно превышают предел текучести материала при соответствующей температуре. Сочетание высокой температуры и деформаций растяи ения вызывает [33, 109] повышенную скорость накопления малоцикловых и квазистатиче-ских повреждений. Кроме того, отдельные перегрузки, связанные с нарушением стационарных тепловых режимов, создают условия для ускорения процессов необратимых изменений, накапливающихся в материале опасных зон конструкции. Например [109], при проведении аварийного режима с имитацией разрыва экранной трубы парового котла высокого давления на внутренней поверхности стенки температурные напряжения, вызванные резким изменением температуры среды, достигали 3000 МПа, в то время как на стационарных режимах они составляют около 500 МПа. [c.13] Указанные факторы определяют высокий уровень максимальных номинальных напряжений (до 220 МПа), замеренных методами и средствами высокотемпературной тензометрии [39, 77] на гладкой части внутренней поверхности корпуса ЦВД (рис. 1.6). [c.14] Местные напряжения (в зонах концентрации) при преимущественном воздействии нестационарной тепловой нагрузки, определяющие возможность накопления малоцикловых повреждений, существенно зависят как от удельных тепловых потоков и размеров детали, так и от интенсивности изменения теплового состояния рабочей среды (теплоносителя). [c.14] По характеру и разнообразию температурных полей и напрял е-ний при характерных режимах эксплуатации паровой турбины (см.. рис. 1.6) корпус ЦВД является представительным конструктивным элементом. Если для режимов с резким изменением теплового состояния (тепловой удар) паровой среды концентрация термических напряжений практически отсутствует, то для переходных режимов, вызывающих высокие номинальные напряжения по объему опасной зоны детали (например, галтель под козырек), по экспериментальным данным теоретический коэффициент концентрации термических напряжений аа=1,2...1,3 для режима X и 1,8...2,0 для режимов II, IV, IX. [c.14] Таким образом, высокая местная термомеханическая напряженность корпуса ЦВД при значительных циклических упругопластических деформациях, которые формируют усталостные повреждения малоциклового вида, указывает на то, что проблема малоцик-довой прочности при неизотермическом нагружении является актуальной и для элементов теплоэнергетического оборудования. [c.15] С переходом в тепловой энергетике на сверхкритические значения параметров пара следует ожидать значительного повышения рабочих температур элементов (до 700° С), что потребует использования жаропрочных сплавов [29]. [c.15] Сочетание мощных нестационарных тепловых потоков и больших циклических механических нагрузок характерно для конструктивных элементов газовых турбин [10, 75, 100]. Это в первую очередь относится к деталям проточной части авиационного газотурбинного двигателя (ту рбинные диски, паровые трубы, рабочие и сопловые лопатки турбинной части, элементы форсажной камеры и др.), в котором рабочий тепловой режим по сравнению с агрегатами тепловой энергетики реализуется за сравнительно короткое время (1...2 ч). В связи с этим цикличность процесса термомеханической нагруженности таких элементов становится более существенной. В формировании предельного состояния материала относительная доля повреждений от термоциклических воздействий становится заметной в общем числе повреждений, вызванных другими видами усилий [28, 29, 60]. [c.15] Чередование нестационарных режимов работы со стационарными делает все более сложными и напряженными условия работы дисков турбомашин [22, 23, 44]. Мощные тепловые потоки в авиадвигателе вызывают в турбинных дисках высокие температуры (до 700° С) при значительных радиальных перепадах (до 300°С). Это определяет большие термические напряжения циклического характера [43, 70]. На стационарных режимах температуры и нагрузки сохраняются постоянными, но достаточно высокими, что приводит к ползучести и релаксации напряжений во время эксплуатации. Таким образом, в материале турбинного диска при многократном повторении нестационарного режима возникают циклически изменяющиеся пластические деформации, а их накопление от цикла к циклу в ряде случаев является причиной разрушения дисков [22, 43], особенно если пластичность материала снижается с увеличением выработки ресурса и пребывания материала в условиях высоких температур [10, 100]. В этом отношении характерны результаты теоретического и экспериментального исследования термопрочно- сти дисков турбомашин [43], приведенные на рис. 1.7. [c.15] Одним из самых интересных и представительных объектов исследования с точки зрения термомеханической нагруженности и вместе с тем самых ответственных элементов газовых турбин являются рабочие и сопловые лопатки. От надежности их работы зависит безаварийность эксплуатации стационарных и нестационарных двигателей [6, 28, 75, 100]. Например, работе лопаток авиационных газотурбинных двигателей свойственны в целом сложные режимы термомеханической нагруженности с характерным чередованием стационарных и нестационарных периодов, при этом влияние нестационарной части оказывается существенной (рис. 1.10).. [c.18] Температура кромки лопатки (см. рис. 1.10) меняется многократно за один характерный период работы (полетный цикл) двигателя [28, 51]. Режим силового нагружения кромки лопатки (суммарные напряжения) соответствует характеру изменения мощности и температурного цикла. При этом степень нестационарности существенно выше для двигателя маневренного самолета (рис. [c.19] Чередование нестационарных и стационарных режимов эксплуатации вызывает появление циклических упругопластических деформаций материала кромок лопатки, приводящих к повреждениям малоциклового характера [30, 75, 100]. [c.20] Для многих конструктивных элементов, в том числе и для лопаток газовых турбин, характерны повреждения в виде мелкой сетки трещин, возникающей на поверхности детали вследствие интенсивного теплового воздействия (близкого к тепловому удару) [6, 75] в первые периоды наг/ева. При быстром нагревании на поверхности детали возникают высокие сжимающие напряжения и напряжения сдвига, под действием которых и происходит разрушение поверхности (выкрашивание) [101]. При большом числе циклов эксплуатации (запуск — максимальный режим — остановка) па поверхностях лопаток могут возникнуть усталостные термические трещины. [c.20] В ряде случаев возможно изменение геометрии проточной части задней кромки сопловых лопаток вследствие потери устойчивости и выпучивания под действием температурных напряжений. Такой вид повреждений наблюдается, например, в сварном сопловом аппарате с консольно расположенными лопатками. При интенсивном нагреве соплового аппарата в период запуска вследствие неодинакового термического расширения внешнего и внутреннего колец с лопатками может произойти защемление лопатки между кольцами. В результате на кромках лопаток появляются дополнительные сжимающие напряжения, которые складываются с температурными (из-за неравномерного прогрева лопатки по сечению) и вызывают выпучивание кромки 75]. [c.20] Примером термически высоконагруженного оборудования является металлургическое оборудование [13, 110]. Повреждения от термической усталости проявляются преимущественно в виде формоизменения и коробления, а также в виде сетки трещин на поверхностях контакта элементов с горячим металлом. Опыт эксплуатации оборудования для литья, горячей прокатки, горячей штамповки, разлива металла при доменном производстве показал, что повреждения существенно снижают качество продукции, эффективность и производительность технологической операции и препятствуют интенсификации технологического процесса [99, ПО]. На рис. 1.11 показаны изменение давлений 1 и температуры 2 точки поверхности ролика установки непрерывной разливки стали [99], а также распределение интенсивностей полной деформации вдоль окружности валка, рассчитанные с помощью метода конечного элемента (МКЭ) [132]. [c.20] Вернуться к основной статье