М. А. Вишняков
Самарский государственный технический университет
Заканчиваем публикацию научно статьи. См. ранее опубликованные первую часть и вторую часть.
После расшифровки термограмм были построены графики изменения температуры в зависимости от времени охлаждения (рис. 2). Учитывая, что конструктивно газовая горелка и спрейер по отношению к боковым сторонам выступа находятся на одинаковом расстоянии, процессы нагрева и охлаждения для них производились при одинаковых условиях, о чем свидетельствует идентичность показаний приборов, поэтому при построении были взяты термопары 1, 2, 3, 4 и 5. Из графиков видно, что наиболее интенсивное охлаждение происходит на боковой поверхности образца (термопары 4 и 5). Градиент температур за 0,1 с для них составил ДТ=570 °С.
Рис.2 - Изменение температуры при спейерном охлаждении образца из паза диска турбины.
В дальнейшем процесс охлаждения протекал плавно. Так, за последующие 0,7 с охлаждения изменение температуры составило всего 20 °С. Термопара 1, установленная на расстоянии 3 мм от переднего торца образца, характеризует постепенное понижение температуры. За 0,1 с перепад AT составил 130 °С, а с 0,1 до 0,8 с эта величина практически не изменилась (АТ=150 °С). Термопары 2 и 3, установленные соответственно на расстоянии 9 и 15 мм от переднего торца образца, за 0,8 с охлаждения показали несущественное изменение температуры. Перепад за указанный период времени составил 100 °С. Необходимо также отметить, что для обеспечения наибольшего эффекта теплоотдачи при термопластическом упрочнении жаропрочных сталей и сплавов в эксперименте давление охлаждающей жидкости составляло Р = 480...500кПа.
На рис. 2 показаны также расчетные зависимости изменения температуры в точках модели, соответствующих месту установки термопар, при спрейерном охлаждении поверхностей выступа паза (Г-5"). Из графиков следует, что в точках 4* и 5* температура за 0,1 с резко падает с 700 °С (температура нагрева детали) до 110 °С. Дальнейшее снижение температуры происходит плавно, и к 0,8 с спрейерного охлаждения она становится равной 100 °С. Термопары Г, 2* и 3*, установленные на существенном расстоянии от торца и боковых поверхностей, начинают реагировать только через 0,2 с, и тенденция изменения температуры в этих точках характеризуется ее медленным снижением.
Сравнение результатов, полученных расчетных путем, с экспериментальными зависимостями свидетельствует о том, что при расчетах тепловых полей в пазу диска (точки 4* и 5*) получены достаточно корректные результаты, которые близки по значениям к экспериментальным (точки 4 и 5). Этот вывод подтверждает правильность выбора модели и граничных условий для расчета процесса термопластического упрочнения.
Результаты расчета остаточных напряжений в поверхностном слое элементов паза диска турбины после его термоупрочнения представлены на рис. 3. Для лучшего понимания динамики формирования остаточных напряжений была проанализирована тенденция их изменения на всех этапах охлаждения. На рисунке показаны результаты расчета остаточных напряжений, сформировавшихся на соответствующих поверхностях выступа паза (1, 2, 3 - верхняя, средняя и нижняя впадины, 4 - торец выступа, 5 - вершина зуба паза) в течение 3 секунд спрейер-ного охлаждения и последующих 17 секунд остывания. Видно, что на всех поверхностях паза образуются остаточные напряжения, однако наблюдаемая картина разнородна и характеризуется тем, что для каждого элемента паза напряжения отличаются не только по величине, но и по знаку.
Если проследить за изменениями во впадинах, то можно отметить, что в нижней впадине в течение всего периода спрейерного охлаждения остаточные растягивающие напряжения составляли (170... 110) МПа. Подобная ситуация наблюдается и в двух других впадинах. Однако особенность последних состоит в том, что растягивающие напряжения во второй выкружке сохраняются примерно до 2,5 с, а затем в ней начинают формироваться сжимающие остаточные напряжения, которые на 3 с достигают уровня 500 МПа. В первой впадине начало образования сжимающих напряжений приходится на 1,3 с, и по мере увеличения продолжительности охлаждения напряжения возрастают к концу периода до 620 МПа. Графики 4 и 5 соответственно для торца и вершин зубьев отражают общую тенденцию появления и роста сжимающих остаточных напряжений на поверхности указанных элементов. Видно, что к концу периода охлаждения их средняя величина на торце достигает 330 МПа, а на вершинах 400 МПа. После окончания подачи воды еще некоторое время (до 5 с) на всех поверхностях наблюдается продолжение процесса увеличения сжимающих напряжении, однако скорость его резко упала. После этого в связи с возвратом тепла из сердцевины к поверхности происходит некоторое уменьшение величины напряжений, однако оно несущественно и составляет к 20 с не более 100 МПа.
Представленные результаты расчетов свидетельствуют о том, что процесс термопластического упрочнения обеспечивает формирование в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений для деталей с любой сложностью формы.
Рис. 3 остаточные напряжения на поверхности элементов паза диска турбины при его остывании на 17 с после спрейерного охлаждения.
Список литературы
1. Газотурбинные установки. Конструкции и расчет: Справочное пособие /Под общ. ред. Л. В. Арсеньева и В. Г. Тырыжкина. Л.: Машиностроение. Ленингр.отд-ние, 1978. -232 с.
2. Конструкция и проектирование авиационных ГТД /С. А. Вьюнов, Ю. И. Гусев, А. В. Карпов и др.; Под общ. ред. Д. В.Хро-нина. М.: Машиностроение, 1989. - 368 с.
3. Зарубин В. С. Прикладные задачи термопрочности элементов конструкций. М.: Машиностроение, 1985. - 296 с.
4. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. - 541 с.
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.