ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Напряжения и деформации в элементах конструкций при неизотермическом малоцикловом нагружении из "Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении " Условия работы материала в опасных точках конструктивного элемента определяются прежде всего характером теплового и силового воздействий. Для теплоэнергетического оборудования [53] типичны следующие режимы эксплуатации 1 — пуск паровой турбины из холодного состояния, стационарный период и медленный останов (рис. 1.12, а) 2 — пуск из холодного состояния, стационарный период, быстрый останов (рис. 1.12, г) 3 — пуск из горячего состояния, стационарный период и быстрый останов (рис. 1.12, ж). Работа материалов конструктивных элементов такого оборудования (ротор, корпус паровой турбины, барабаны котлов парогенераторов, детали арматуры и пр.) принципиально различается в зависимости от режима эксплуатации. Для рассматриваемых режимов характерна нестационарность нагружения с наличием в области высоких температур выдержки. Характер изменения циклических деформаций для указанных режимов нагружения показан на рис. 1Л2, б, д, 3 соответственно. [c.22] Для первого режима этапы деформирования материала детали на обогреваемой стороне О—1 — 2, 2 — 3 и 3 — 5 соответствуют прогреву детали с выходом на стационарный режим (рис. 1.12, в) полной релаксации остаточных напряжений на этом этапе и медленному останову, при котором градиенты температур максимальны. Очередной цикл термомеханического нагружения определяется как 3—1 — 2 — 3. За время пуска агрегата и прогрева детали материал претерпевает пластическое деформирование дважды. [c.22] Для теплоэнергетического оборудования характерно переменное термическое воздействие двух видов. Первый вид нагружения связан с возникновением в элементах оборудования температурных градиентов на нестационарных периодах теплового цикла (прогрев и остывание), второй — с возникновением постоянного градиента в оборудовании при его эксплуатации (на стационарном режиме). [c.24] В первом случае материал работает в основном при повторных пластических деформациях, поскольку возникающие остаточные напряжения (обратного знака по сравнению с термическими) почти полностью релаксируют в период стационарного режима большей, как правило, длительности. Таким образом, в медленно охлаждаемом оборудовании термические и остаточные напряжения практически отсутствуют. [c.24] Во втором случае максимальные температурные напряжения возникают npnjpa6oT6 на стационарных режимах, несколько релаксируют, а при останове агрегатов происходит упругопластическое деформирование. В этих условиях возможны малоцикловое и термоусталостное разрушения, а также необратимое формоизменение детали, приводящее к квазистатическим разрушениям. При этом процессы одностороннего нарастания необратимых деформаций протекают при действии высокого по всей толщине стенки переменного градиента температур. [c.24] В газотурбинных установках транспортного типа удельные тепловые потоки характеризуются существенно большей интенсивностью, чем в конструкциях теплоэнергетического оборудования. [c.24] Лопатка двигателя Спей выполнена с пятью радиальными каналами для охлаждающего воздуха.-Материал этой лопатки Ни-моник 115) пластически деформируется в зоне с температурой 1000° С (ia= 270 МПа) и упруго — в зонах с меньшей температурой при Ттах = 800°С а = 490 МПа (сго,2 = 640 МПа), при 7 тах = 700°С, 0=76 МПа (сго,2 = 83 МПа) и т. д. Введение охлаждения в лопатки турбины снизило максимальную температуру на 200...250° С, но одновременно возросли перепады температур по сечению лопатки. Это вызывает необходимость учитывать малоцикловый характер повреждений при меняющейся температуре. [c.26] Представляют интерес данные, приведенные на рис. 1.13, а, характеризующие термомеханические напряжения в опасной точке рабочей лопатки (из литейного жаропрочного сплава) у отверстия канала охлаждения на вогнутой стороне профиля [30]. В этих условиях полная деформация е = 42% при 7 = 1000° С, расчетная долговечность (с учетом статического повреждения на этапе VI) составляет всего 1250 циклов. Существенно, что в этой точке растягивающие напряжения приходятся на высокотемпературную часть термического цикла. [c.26] При оценке повреждаемости материала в опасных зонах конструктивных элементов следует принимать во внимание сочетание механической и тепловой нагрузок (их экстремальных значений). [c.27] Не всегда выполняется условие фазности (см. рис. 1.13, г) для экстремальных значений параметров термомеханического нагружения. В рассматриваемом случае в кромке сопловой лопатки максимальные напряжения сжатия при нагреве лопатки соответствуют температуре более низкой, чем температура полного прогрева. Опасные максимальные растягивающие напряжения возникают в полуцикле охлаждения, когда температура более чем в 2 раза ниже максимальной. При максимальной температуре термического цикла кромка практически свободна от термических напряжений. Сочетания температур и напряжений в полуциклах нагрева и охлаждения определяют своеобразие процесса накопления повреждений. Максимальные повреждения (кривая 3j рис. 1.13, г) возникают не в момент экстремума напряжений и температур, а в промежуточном состоянии, когда способность материала сопротивляться циклическим нагрузкам оказывается пониженной. [c.27] Таким образом, не только режимы термического и механического нагружения, но и процесс упругопластического деформирования в опасных точках имеет нестационарный характер. Особенностью термомеханического напряженного состояния кромки лопатки является неоднородность распределения температур и напряжений наиболее неблагоприятное сочетание напряжений и температур (но не экстремальных) имеет место в полуцикле нагрева, когда в кромке действуют сжимающие напряжения. В целом для лопатки возможно сочетание как сжимающих, так и растягивающих напряжений в полуцикле высокотемпературного нагрева. Пластическое деформирование кромок приводит к возникновению поля остаточных напряжений при однородном тепловом состоянии и к изменению распределения напряжений по сечению в последующих циклах. При этом в формировании предельных состояний существенной оказывается роль процессов ползучести и релаксации [20, 29, 64, 68], протекающих наиболее интенсивно на этапе стационарного режима (период выдержки) и при наличии определенного уровня статических напряжений. [c.27] Как и для агрегатов теплоэнергетики, при определенных сочетаниях режимов термоциклического нагружения, действия статических нагрузок и конструктивных параметров детали в элементах турбомашин может проявиться эффект формоизменения конструкции в целом [10] или отдельных зон [70], выражающийся в накоплении односторонних [12] деформаций [9, 44]. Этот эффект особенно характерен в условиях значительных градиентов по сечению детали и высоких температур термического цикла. Такой случай реализован при испытании дисков (диаметр диска 450 мм, диаметр ступицы 70 мм) турбомашин по специальной программе (рис. 1.15, а) с имитацией центробежных сил [43]. В период выхода на стационарный режим в диске наводились высокие перепады температур (до 600° С). Опытные данн-ые (рис. 1.15, б) свидетельствуют о том, что процессы накопления за цикл односторонних деформаций (для режима при Ттах=750°С) быстро стабилизируются. Характер изменения пластических деформаций и деформаций ползучести по циклам один и тот же. Значения накопленных за цикл деформаций (пластической и ползучести) сопоставимы, а суммарная их величина оказывается значительной с точки зрения накопления квазиста-тических повреждений. Циклический характер процесса деформирования реализуется по всему объему диска (рис. 1.15, в). Примечательно, что пластические зоны деформирования появляются на ободе и в зоне расточки диска они занимают большие объемы и не меняются при циклическом деформировании, при этом пластические деформации могут составлять около 1% [44]. Следовательно, наиболее подвержены повреждениям крайние точки обода и ступица диска [22, 100]. [c.29] Максимальная температура термического цикла существенно влияет на характер необратимых деформационных процессов. Расчет термоциклических деформаций в диске при Г—70...800° С [9, 43] выявил существенную нестационарность процесса накопления (рис. 1.15, г и (3) односторонних деформаций в цикле деформирования (в отличие от предыдущего примера). К десятому циклу суммарная накопленная деформация достигает 3%, что и определяет большие квазистатические повреждения и соответствующий характер разрушения конструктивного элемента [44]. [c.29] Таким образом, для прогнозирования термоциклической прочности элементов конструкций необходимо обстоятельное исследование реальной термомеханической нагруженности и получение корректной информации о предельном состоянии материала по критериям усталостного и квазистатического малоциклового разрушения с учетом параметров действительного цикла упругопластического деформирования в максимально напряженных зонах конструкции. [c.29] Существенное влияние конструктивных факторов на термонапряженное состояние позволяет за счет варьирования геометрических параметров конструкции добиться наиболее благоприятного поля напряжений и, в частности, разгрузить кромки лопаток. Рис. 1.16, д показывает возможность управления напряженным состоянием в опасных зонах конструктивного элемента. [c.31] В условиях термоциклического нагружения (400...900° С) напряженное состояние кромок существенно меняется за счет варьирования толщины стенки 6 или конструктивного параметра б = = 2б/бтах- Коэффициенты Y и т] характеризуют изменение напряжений Ао° в передней (точка А) и задней (точка В) кромках пустотелой лопатки по отношению к напряжениям Аст для лопатки сплошного сечения с максимальной толщиной бтах коэффициент. Р=До / Дод —в кромках пустотелой лопатки при изменении толщины стенки б. Как видно, роль конструктивного фактора существенна при уменьшении толщины стенки возрастает неравномерность поля напряжений в пустотелой лопатке, но значительно снижаются напряжения в кромках, что связано с уменьшением градиентов температур за счет полости. [c.31] На рис. 1.18, б показано изменение температур 1, 2, 3) в характерных точках диска при центробежной нагрузке (4), а также отражен циклический характер действия напряжений в галтели лопаточного паза для первого и двенадцатого циклов термомеханического нагружения. Эпюра распределения напряжений в галтели лопаточного паза диска для первого иолуцикла нагружения (рис. 1.18, в) характеризует высокую нагруженность опасной зоны турбинного диска при термоциклической нагрузке. Характер режима термомеханического нагружения диска такой же, как у модели диска (см. рис. 1.14) и элементов теплоэнергетического оборудов,ания (см. рис. 1.12). Этот пример еще раз показывает что характер протекания процесса упругопластического деформирования в детали определяется в значительной мере тепловым состоянием, режимом изменения температурного поля и концентрацией напряжений. [c.34] Вернуться к основной статье