Температурные напряжения в лопатках турбин

Температурные напряжения в лопатках турбин [c.248]

Каковы особенности и методика расчета температурных напряжений в лопатках турбин [c.280]

Температура газа при обтекании лопатки потоком, как правило (в реактивном облопачивании), падает. Независимо от этого меняется по профилю коэффициент теплоотдачи аг, достигая максимума на входной и выходной кромках. Поэтому температура лопатки по профилю переменна наибольшие ее значения наблюдаются на кромках. Эта переменность температуры вызывает образование температурных напряжений в лопатке, которые пропорциональны величине ЕоА , где Е — модуль упругости, а — коэффициент линейного расширения, А1 — разность температур между отдельными участками поперечного сечения, например между кромкой и участком наибольшей толщины профиля. Эти напряжения в высокотемпературных газовых турбинах часто вызывают трещины на кромках, в особенности при нестационарных режимах. [c.99]

Одним из эффективных путей улучшения параметров двигателе является повышение температуры газов перед турбиной. В связи с этим возникает много проблем, связанных с обеспечением длительной и надежной работы элементов конструкции турбин. Прежде всего это касается рабочих лопаток, на напряженное состояние которых значительное влияние оказывают температурные напряжения. Температурные напряжения в лопатке возникают при неодинаковой температуре материала в поперечном сечении. Эти напряжения тем больше, чем больше разница между максимальной и минимальной температурой в сечении лопатки. Неравномерность температурного поля по сечению связана с конструкцией охлаждаюш,ей полости лопатки, с условиями подвода и отвода тепла. Так, например, на рис. 5.19 приведено распределение 248 [c.248]

Рис. 3.2. Изменение температурных напряжений в различных точках неохлаждаемой турбинной лопатки при нагреве (а) и охлаждении (б)

На нестационарных режимах возникают значительные температурные напряжения, дополнительно нагружающие диск и связанные с большими перепадами температуры по радиусу. Например, при так называемом холодном запуске двигателя горячий газ, поступающий на лопатки турбины, нагревает обод диска, в то время как его массивная центральная часть еще остается относительно холодной. При сбросе оборотов после продолжительной работы на максимальном режиме на обод поступают массы холодного воздуха, а центральная часть диска еще сильно нагрета. Температурные напряжения в процессе эксплуатации неоднократно изменяются не только по величине, но и по знаку. Таким 0(бразом, имеет место термоциклическое нагружение, способствующее повреждаемости материала. [c.354]

Рассмотрим более общий случай, когда необходимо суммирование статической и циклической долей повреждаемости. Рассчитаем долговечность рабочей лопатки турбины, температурное и напряженное состояния которой описаны в работе [71]. [c.183]

Толщину кромки газотурбинной лопатки в связи с большими температурными напряжениями выполняют обычно несколько толще, чем у лопатки паровой турбины. [c.15]

Характер течения газа в межлопаточных каналах турбины определяет в ряде случаев весьма существенную разницу интенсивности теплообмена на различных участках обтекаемой поверхности. Вследствие относительно малой теплопроводности материала наличие такой неравномерности в теплообмене поверхности может вызвать возникновение значительных градиентов температур в теле лопатки, что в свою очередь может привести к возникновению в лопатке опасных температурных напряжений. [c.261]

Наибольшие нагрузки на лопатках турбин. В наиболее неблагоприятных условиях работы находятся лопатки турбин двигателей, установленных на маневренных (истребителях) и учебных самолетах. ГТД на таких самолетах подвергаются частым запускам и изменениям режимов работы. Все это вызывает одновременно увеличение температуры и растягивающих напряжений от центробежных сил. А в ряде случаев при увеличении или снижении оборотов турбина может попадать в область критических оборотов, вызывающих большие вибрационные нагрузки. Поэтому крайне осторожно нужно относиться к темпам изменения режимов работы турбин. Чем медленнее изменяются температурные режимы работы лопаток турбин, тем надежнее их работа. [c.84]

В процессе разгрузки турбины и последующего еа останова происходит обратный процесс кромки остывают быстрее средней части. В пере лопатки возникают внутренние усилия — в средней части сжимающие, в кромках — растягивающие. Последние оцениваются по той же формуле (20.83). Таким образом, один цикл пуска-останова турбины вызывает в лопатке один цикл растяжения-сжатия. Подчеркнем, что возникающие в системе усилия (и напряжения) полностью определяются температурными деформациями. Другими словами, система функционирует в режиме заданных циклических деформаций в отличие от обычного для деталей машин режима заданных циклических усилий (напряжений). [c.372]

Аналогичные явления возникают при циклическом нагружении в режиме термомеханической обработки. Наибольшие повреждения вносят циклы со стадиями сжатия при высоких температурах и циклическое растяжение при низкой температуре [42, 43]. Подобная ситуация возникает на тонких ведущей и задней кромках направляющей лопатки при пуске турбины двигателя. Термическое расширение, все еще стесненное холодным телом лопатки, порождает сжимающие напряжения. А при охлаждении - картина обратная. Не только деформация растяжения наводится в температурном диапазоне наименьшей пластичности, но i( тому же создаются высокие растягивающие напряжения в результате изменения знака неупругой сжимающей деформации, это происходит уже на высокотемпературной стороне цикла (рис. 10.10,6). [c.358]

Следует подчеркнуть, что число лопаток в пакете определяется не только стремлением получить малое значение X, но и другими факторами. Например, при перевязке всех лопаток колеса (на круг) X = О, но трудно обеспечить свободное расширение бандажа и лопаток при резких изменениях температуры в проточной части при изменениях режима работы турбины. Это приводит к появлению температурных напряжений и в бандаже, и в лопатках, циклическое повторение которых грозит появлением [c.441]

Возникающие в турбинных лопатках температурные напряжения могут быть определены по формулам, приведенным в гл. XVI. [c.281]

Периодические движения различных деталей двигателей, станков и других машин и механизмов приводят, независимо от характера внешних сил, к возникновению периодически изменяющихся инерционных усилий, действующих как на сами движущиеся детали машины или механизма, так и на станины, фундаменты или конструкции, связанные с машиной. Эти инерционные усилия рассматриваются как внешние при определении внутренних усилий взаимодействия между частицами тела. Внешние силы, действующие на детали или на конструкцию в целом, также могут изменяться периодически так действует давление горючей смеси на поршень, стенки и дно цилиндра в двигателях внутреннего сгорания, сопротивление штампуемой массы на рабочие органы штамповочных машин и молотов и т. п. Колебания, приводящие к появлению периодически меняющихся напряжений, могут возникнуть вследствие взаимодействия упругого тела с окружающей средой крыло самолета, лопатка турбины, гребной винт судна, движущиеся поступательно относительно жидкой или газообразной среды, приходят при некоторых условиях в колебательное движение вследствие автоматического изменения угла атаки, инициируемого сопротивлением среды при наличии восстанавливающих упругих усилий колеблющегося тела. К такому типу движений, входящих в класс так называемых автоколебаний, относятся и колебания мостов, мачт, градирен, проводов в воздушном потоке. Периодически изменяющиеся напряжения в телах могут возникнуть также при периодическом изменении температурных и лучевых полей. [c.288]

Сочетание статического и вибрационного режимов нагружения. В элементах газовых турбин, например в дисках, лопатках, корпусах, наряду с действием таких силовых температурных факторов, как статические напряжения, стационарные и нестационарные температурные напряжения, наблюдается периодическое возбуждение колебаний указанных деталей при резонансных режимах. На рис. 2.4.3 показано изменение суммарных напряжений от центробежных и газовых сил в лопатке I ступени турбины в течение одного этапа испытаний. В опасных точках газовых турбин чередуются различные комбинации статических а, термоциклических Отц, повторных механических напряжений бц, а также переменных апряжений высокой частоты от вибраций v Если имеет место статическое, а затем вибрационное нагружение, то в расчетах на прочность учитывают способность деталей накапливать повреждаемость от каждого вида нагружения, статического и вибрационного, независимо от наличия предшествующих нагружений другого типа. Условие усталостного разрушения при одновременном действии на деталь вибрационных и статических нагрузок определяют с учетом зависимостей прочности при асимметрии цикла (разд. 2.2). [c.74]

Под теплостойкостью понимают способность деталей сохранять нормальную работоспособность в допустимых (заданных) пределах температурного режима, вызываемого рабочим процессом машин и трением в их механизмах. Тепловыделение, связанное с рабочим процессом, имеет место в тепловых двигателях, в электрических машинах, в литейных машинах и машинах для горячей обработки материалов. Нагрев деталей машин может вызвать следующие вредные последствия понижение прочности материала и появление остаточных деформаций, так называемое явление ползучести (наблюдается в машинах с очень напряженным тепловым режимом, например в лопатках газовых турбин) понижение защищающей способности масляных пленок, а следовательно, увеличение износа трущихся [c.12]

В лопатках газовых турбин действуют большие термические напряжения. Эти напряжения возникают вследствие неравномерности распределения температур по сечению лопатки. Особенно большие температурные напряжения возникают в охлаждаемых лопатках, у которых градиенты температур по контуру пера могут достигать больших величин. [c.235]

В период запуска лопатка испытывает одновременное воздействие теплового удара и газодинамических сил, в связи с чем в ней возникают температурные напряжения, изменяющиеся по толщине и ширине лопатки, а также напряжения изгиба и кручения. По мере выхода ТНА на рабочий режим возрастает угловая скорость, приводящая к росту центробежных сил масс лопаток. В современных турбинах центробежная сила от одной лопатки достигает нескольких десятков килоньютонов. С прогревом лопатки температурные напряжения уменьшаются, однако одновременно ухудшаются механические свойства материала лопатки. Более подробно нагрузки и соответствующие напряжения в рабочих лопатках турбин рассматриваются в разд. 11.3. [c.262]

Рассмотрим, например, температурные напряжения в турбинных лопатках. Определение этих напряжений представляет собой слож- [c.199]

Мацевитый Ю. М. Использование интегратора ЭГДА для определения температурных напряжений в турбинных лопатках.— Динамика и прочность машин, 1969, № 10, с. 108—112. [c.241]

Замки елочные (см. фиг. 70) изготовляются специальпымп фрезами и протяжкой. Для устранения температурных напряжений в елочном соединении предусматривается зазор между телом лопатки и пазом диска. Этот зазор может быть использован также для организации охлаждения лопаток и колеса турбины продувкой воздуха. Елочный замок получил широкое распространение. В нем наиболее эффективно используется металл для передачи усилий от лопатки к диску. Замок применяется в турбокомпрессорах средней и высокой напорности. [c.102]

Термоупругие напряжения в лопатках. В неохлаждаемых лопатках температурные напряжения возникают на.нестационарных режимах— при запуске, при переходе с режима на режим, при остановке. На рис. 3.2 приведены результаты расчета изменения температурных напряжений в турбинной лопатке в процессе нагрева и охлаждения. При нагреве наиболее быстро прогреваются кромки лопатки, особенно наиболее тонкая выходная кромка, что вызывает в них большие сжимающие напряжения. При охлаждении имеет место обратная картина. По мере выравнивания температурного поля упругие температурные напряжения убывают до нуля. Расчеты показывают, что момент достижения максимальных температурных напряжений не совпадает с моментом, когда неравномерность температурного поля наибольшая. [c.311]

При создании современных турбин ГТД различного назначения с высокими начальными параметрами, большими неравномерностями полей температуры, скорости, плотности в потоке газа важной является проблема снижения термических напряжений в пере лопатки путем уменьшения неравномерности температуры. Уже при начальной температуре газа Г = 1500 К минимальное значение местного коэффициента запаса прочности может достигнуть своего допустимого значения в самой холодной точке поперечного сечения пера. Наиболее горячие части лопатки — кромки, а наиболее холодные — средние части выпуклой и вогнутой поверхностей с минимумом температуры nmin перемычке между охлаждающими каналами. Традиционный метод уменьшения температурной неравномерности заключается в снижении температуры кромок двумя основными способами интенсификацией теплообмена в кромочных каналах турбулизаторами течения (ребрами, лунками, закруткой, струйным натеканием на стенку, пульсирующей подачей охладителя и т. п.) или понижением температуры воздуха, охлаждающего кромки, путем спутной закрутки или в теплообменнике. Эффективным может быть выдув охладителя на поверхность пера. Однако в авиадвигателях выдув может затруднять отключение охладителя на крейсерских режимах полета самолета. В ГГУ, работающих на тяжелых сортах топлива, происходит отложение твердых частиц на перфорирюванной поверхности, что приводит к [c.366]

Если предположить, что максимальные температурные напряжения возникают в момент наибольшей неравномерности температурного поля, что справедливо для тел простейшей формы, а также для тел типа клина и лопатки, то таким моментам должны соответствовать наибольшая разность температур сердцевины и поверхности в простых телах и наибольшая разность температур тонкой кромки и утолщенной части в лопатках и клиньях. Поскольку для тел простой формы подобные анализы термоупорного состояния проделаны, мы рассматриваем в дальнейшем только случаи клина и сопловой турбинной лопатки. [c.349]

На турбинные диски, к которым доветалевым замком прикреплены рабочие лопатки, действуют радиальные центробежные растягивающие усилия. В результате вращения диска они возникают в его теле и непосредственно, и путем передачи от лопаток. Дополнительные напряжения создаются из-за постоянно существующих колебаний температуры диска. Температурный режим последнего определяется действием охлаждающего воздуха и воздуха, движущегося в потоке рабочих газов, а также любыми утечками рабочего потока в пространство над и под дисковым ободом. В практических условиях температура диска близка, и если выше, то ненамного, к температуре на выходе компрессора. Поэтому для дисков выбирают в основном материалы, способные работать при температурах до 670 °С. В промышленных турбинах для этих целей обычно применяют легированные стали, а в авиадвигателях— сплавы типа IN-718. [c.62]

В наиболее тяжелых условиях работают детали горячего тракта ГТУ пламенные трубы камер сгорания и переходные участки, подводящие газы от камер сгорания к турбинам, рабочие и направляющие лопатки турбин. Эти детали изгс авливаются из жаропрочных сталей и никелевых сплавов, которые сохраняют прочность и необходимые рабочие качества при температурах 700—900° С н способны противостоять окислению ч коррозионному воздействию газообразных составляющих продуктов сгорания и содержащихся в них жидких или твердых частиц, образующих отложения на поверхностях проточной части. При пусках и остановах, а также при изменениях нагрузки температурное состояние этих деталей существенно изменяется и в них могут возникать значительные темпера-турньГе напряжения. [c.164]

Опасность разрушения от малоцикловой усталости можно оценить, определив наибольшие размахи напряжений Да, получающиеся при каждом цикле запуск—работа—останов турбины с учетом нестационарных режимов, где обычно наблюдаются наибольшие температурные напряжения. Согласно рис. 3,4 размахи напряжений в центральной части лопатки, на входной и выходной кромках соответственно равны Даг = 66 кгс/мм . Дав = 24 кгс/мм и Лад = = 19,5 кгс/мм . Сравнивая полученные значения размахов Да с данными по характеристикам малоцикловой усталости, можно найти число циклов до разрушения. Так, по данным рис. 1.6 для сплава ЖСбК при Да = 66 кгс/мм число циклов до разрушения (при циклах, близких к симметричным) составляет Л/ р я 4-10 циклов. [c.318]

Кроме того, поскольку давление пара перед турбиной меняется (скользит) плавно, а температура пара поддерживается постоянной (номинальной), то при полностью открытых регулирующих клапанах температура большинства ответственных элементов турбины сохраняется неизменной. Благодаря этому при изменении нагрузки отсутствует неравномерность температурных полей в поперечных сечениях корпуса турбины, вызывающая термические напряжения, специфические для частичной нагрузки турбин с сопловым парораспределением не появляются относительные тепловые расширения (или укорочения) ротора снижаются напряжения изгиба, особенно динамические, в лопатках первой ступени. Перечисленные обстоятельства заметно улучшают надежность и маневренность турбины, не говоря уже о возможности упрощения ее конструкции (путем отказа от соплового парораспределе- [c.191]

Важнейшей особенностью работы конструктивных элементов является циклический характер температурного поля, определяемый режимом работы изделия. Например, за двухчасовой полетный цикл транспортного газотурбинного двигателя (ГТД) температура выходной кромки лопатки существенно изменяется, при этом довольно значительно меняются и скорости нагрева при выходе на полетный режим [25]. Значительная неравномерность температурного поля свойственна охлаждаемым рабочим лапатка(М газовой турбины [71]. Менее опасные сочетания температур t и напряжений а реализуются в турбинном диске [71], однако для них свойственны высокие уровни температур и значительные градиенты. Из приведенных данных видно, что для температурного цикла нагрева элемента характерно чередование нестационарных и стационарных участков, причем последние занимают значительное время цикла. Высокие уровни температур, циклический характер температурного воздействия, чередование нестационарных и стационарных режимов создают е материале особые условия работы высокую термомеханическую напряженность, больщие уровни термических напряжений. Все это обусловливает в большинстве случаев работу материала конструктивного элемента за пределами упругости в наиболее напряженных точках наблюдается процесс циклического упругопластического деформирования, приводяший материал к разрушению за ограниченное число циклов (Ю —10 ). [c.8]

При работе турбины насадное рабочее колесо (диск) находится в весьма сложных температурных и напряженных условиях. На диск воздействуют силы, создаваемые давлением пара па лопатки центробежные силы от лопаток и собственной массы силы, вызываемые натягом от горячей посадки силы, возникающие от разности давлений до диска и за ним дипамиче-СКИ.С нагрузки от вибрационных явлений термические напряжения при пуске, переменных режимах работы турбины и др. [c.168]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...