М. А. Вишняков
Самарский государственный технический университет
В статье представлена методика и результаты расчета тешюнапряженного состояния в елочном пазу диска турбины в результате его термопластического упрочнения. Установлено, что метод термопластического упрочнения (ТПУ) позволяет создать благоприятное поле сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое детали с любой сложностью геометрической формы.
Соединение рабочей лопатки с диском елочного типа - весьма напряженное и ответственное место в конструкции газовой турбины.
При работе газотурбинного двигателя (ГТД) в соединении возникают напряжения: растяжения от центробежных сил массы лопатки и выступа обода диска; изгиба от действия на лопатку газа при движении его по тракту; изгиба от центробежных сил массы лопатки, связанные с тем, что центры тяжести сечений пера лопатки не лежат на одном направлении; кручения от центробежных сил массы лопатки и кручения от газодинамических сил, действующих на лопатку.
Наибольшее значение имеют напряжения растяжения от действия центробежных сил и напряжения изгиба от газовых и центробежных сил.
Под действием указанных выше сил и изгибающих моментов зубья соединения работают на изгиб, срез и смятие, а сечения перемычек выступов замковой части диска -на растяжение [1,2]. Необходимо также учитывать, что выкружки на "елке" паза и впадина его основания являются концентраторами напряжений, а весь паз работает при знакопеременных нагрузках в условиях высоких температур. Все это является причиной появления в указанных элементах трещин, которые со временем выводят диск из строя.
Для предотвращения этого явления применяют как конструктивные мероприятия, так и технологические. Так, с целью обеспечения наиболее равномерного нагружения всех зубьев соединения и избежания опасной перегрузки отдельных его элементов необходимо создать точное прилегание зубьев по всей поверхности контакта.
Однако на практике конструктивные изменения не позволяют полностью устранить все негативные явления, связанные с недостаточной долговечностью таких деталей, как лопатки и диски ГТД. В этой связи большое распространение при повышении прочностных характеристик нашли технологические методы упрочняющей обработки.
Многочисленными исследованиями установлено, что для деталей типа лопаток и дисков, работающих в условиях усиленных нагрузок и высоких температур, с целью обеспечения наибольшей долговечности необходимо создать в поверхностном слое благоприятное напряженное состояние при минимальной степени упрочнения. Метод термопластического упрочнения (ТПУ) полностью отвечает указанным требованиям. Он заключается в прогреве детали до определенной температуры (температуры начала термопластических деформаций) и ускоренного ее охлаждения водяным душем. Образуемый в результате этого температурный перепад обеспечивает создание в поверхностном слое напряжения, превышающие по величине предел текучести материала. После окончательного охлаждения всей детали в ее поверхностном слое формируется благоприятное напряженное состояние в виде сжимающих остаточных напряжений при минимальном деформационном упрочнении.
В настоящее время в теории термопластичности существует целый ряд методов, позволяющих с достаточной степенью точности осуществить расчет напряженного состояния в пластически деформированной детали. Основной задачей этой теории является определение напряжений и деформаций в неравномерно нагретом теле при наличии в нем пластической деформации. Охватить все термопластические свойства материалов, проявляющиеся в различных условиях работы, отразив все особенности протекающих процессов деформирования, в рамках единой теории - задача практически неосуществимая. Поэтому для решения технических проблем различного типа целесообразно пользоваться некоторыми частными вариантами теории термопластичности, позволяющими решить конкретную задачу наиболее простыми средствами и вместе с тем достаточно полно и правильно описать важнейшие стороны данного явления.
Технические задачи, связанные с расчетом пластических напряжений и деформаций, разделяют на несколько характерных типов в зависимости от условий нагрева и нагружения. Так, деформационная теория пластичности достаточно хорошо применима для решения задач с одноразовым нагру-жением детали при постоянном температурном поле или при плавном изменении температуры тела во всех его точках. Данная теория устанавливает связи между напряжениями и полными деформациями в данный момент нагружения. Теория течения, например, связывающая приращения пластических деформаций и напряжений, позволяет более полно отразить историю нагружения, что особенно важно в задачах термопластичности. Метод переменных параметров упругости, соединяя приращения деформаций и напряжений, при наличии анизотропии упругого тела дает достоверные результаты только при условии большого количества мелких шагов нагружения от внешних нагрузок и температурного поля. С учетом особенностей процесса термопластического упрочнения, а также изменений механических и теплофизических свойств материала, происходящих в процессе нагрева и ускоренного охлаждения, в расчетах напряженно-деформированного состояния детали применена теория неизотермического пластического течения с линейным анизотропным упрочнением.
Технология термопластического упрочнения характеризуется, в основном, двумя физическими процессами, протекающими одновременно:
1. Конвективная и кондуктивная передача тепла, при которой в охлаждаемом теле возникают большие температурные градиенты.
2. Неизотермическое упругопластическое деформирование тела.
В результате этих процессов в теле создается поле остаточных напряжений. Теоретический анализ процесса термопластического упрочнения сводится к последовательному решению двух задач.
1. Задача нестационарной теплопроводности с граничными условиями третьего рода (конвективный теплообмен по закону Ньютона) на заданной поверхности тела и адиабатной остальной частью поверхности.
2. Задача неизотермического упругоплас-тического деформирования тела.
Процесс нестационарной теплопроводности в твердом теле применительно к процессу термоупрочнения моделируется следующим дифференциальным уравнением энергетического баланса (закон сохранения энергии) для элементарного объема [3]:
Вывод формул см. в печатной версии журнала.
При анализе неизотермического упруго-пластического деформированного тела в условиях термопластического упрочнения в качестве исходных данных используются результаты теплового анализа ТПУ в виде полей узловых температур для сетки конечных элементов, рассчитанные по шагам времени. Для каждого шага решается неизотермическая задача, в которой нагрузкой является при ращение температуры на данном временном шаге.
Продолжение следует.
Источник - "Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического университета имени Академика С.П. Королёва", выпуск №1, печатная версия.
Полную версию статьи со всеми чертежами, формулами и приложениями см. в печатной версии журнала.