книги / Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении

ТОПАЗ-111 или тиристорный усилитель У-252 высокоточного регулятора темпе­ ратуры, а также измерительные приборы тина КСП-4. Для обеспечения макси­ мального масштаба записи программируемого параметра на приборах типа КСП-4 применяют делители, собранные на калиброванных константаиовых резисторах. При этом используется вся ширина программной ленты на барабане, а также сохраняется высокая точность обработки программ при малых изменениях про­ граммируемого параметра. __

Подсистема записи диаграмм деформирования содержит измерительные мос­ ты динамометров и деформометров, усилительные каналы тензостанций и двухкоординагные записывающие потенциометры тина ПДС-021.

Подсистема управления содержит в системах создания силы и крутящего мо­ мента элементы регулирования тиристоров БУТ-1 и БУТ-2, а также тахогенераторы обратной связи. Суммирование сигналов тахогенератора и рассогласования (задачи программы и действительной величины регулируемого параметра), даю­ щее обратную связь системы, позволяет значительно увеличить чувствительность блока регулирования и точность обработки задаваемой величины.

Подсистема исполнения содержит в системах создания силы и крутящего мо­ мента блоки тиристоров, реверсивные исполнительные двигатели постоянного тока, источники питания обмоток возбуждения, силовые трансформаторы ТР-1 и ва­ риаторы РНО-250-5. С помощью вариатора можно изменить частоту вращения ис­ полнительного двигателя при неизменном управляющем сигнале и, следовательно, обеспечить возможность регулирования минимальной и максимальной скорости привода подвижных захватов в широких пределах. В качестве исполнительных двигателей для систем создания силы и крутящего момента использованы соот­ ветственно электродвигатель постоянного тока П-11 (мощность 0,7 кВт) и серво­ двигатель постоянного тока СД-621 (мощность 0,23 кВт). В подсистеме создания внутреннего давления исполнительный блок состоит из управляющего двигателя, регулятора давления и насосной станции НСВД-2500. Подсистема исполнения программного регулирования температуры собрана на базе высокоточного регу­

300МПа.

Осевой динамометр выполнен в виде тонкостенной трубы, динамометр кру­

чения — в виде консольной балки. Динамометр внутреннего давления — промыш­ ленный образцовый манометр с редуктором, на упругий элемент которого накле­ ен тензорезисторный измерительный полумост.

Нагружением в системах создания силы, крутящего момента и давления можно управлять путем программирования или усилий, или деформаций. Макси­

образца (поперечная, продольная и угловая).

УСНС-2 позволяет исследовать процессы сложного нагружения в широком диапазоне изменения нагрузок, деформаций и температур.

Рассмотрим особенности осуществления температурного режима образца. Выбор способа нагрева и охлаждения в значительной сте­ пени определяется диапазоном изменения температуры, длительно­ стью цикла, требованиями к равномерности температурного поля и температурным напряжениям.

Для регулирования температурного цикла образца по задан­ ным программам с получением достаточных скоростей процесса требуются способы нагрева, отличающиеся малой тепловой инер­ цией. Например, нагрев образца при пропускании тока и некото-

152

рые другие способы (индукционный нагрев, нагрев кварцевыми лампами), в которых основной запас тепла определяется образцом.

Для повышения скоростей охлаждения образца через трубча­ тый образец пропускают воздух, воздух с распыленной водой, а также обдувают наружные поверхности образцов указанными охладителями. Такими способами можно достичь скорости охлаж­ дения 50° С/с. Однако нестационарность условий теплоотвода, ха­ рактерная для названных способов охлаждения, приводит к появ­ лению повышенных термических напряжений, переменности дилатометрических перемещений, значительному разбросу данных испытаний.

о)

Рис. 3.22. Изменение температуры центральной точки корсетного образца на этапе охлаждения (а) и в конце температурного цикла при постоянной скорости охлаж­ дения (б) при варьировании интенсивности теплоотвода:

/, 2, 5 — естественное охлаждение; 3, 4, 6, 7 — принудительное охлаждение при наличии во­ доохлаждаемых шин шириной соответственно 12, 26, 12 и 25 мм

Указанные скорости охлаждения обеспечивают частоту неизотермпческого испытания 2..,5 цикл/мин, когда максимальная тем­ пература цикла составляет 500...700° С, а минимальная— 100...

150° С.

Большие скорости охлаждения образцов приводят к значитель­ ным градиентам температур по сечению и вдоль образца. При частоте неизотермического нагружения 2 цикл/мин перепад темпе­

пряжения за счет перепада температур по длине образца и по се­ чению достигали 100 МПа.

Для снижения термических напряжений необходимо применять иные способы охлаждения при неизотермических испытаниях. Это­ му в значительной степени способствует увеличение длительности цикла. Например, охлаждение образца за счет прокачки воды или высокой теплопроводности элементов на переходных частях или

головках образца.

На рис. 3.22 для корсетных образцов (минимальный диаметр 10 мм, радиус корсета 50 мм) показаны характерные зависимости

153

изменения температуры от времени (16]. Кривые / и 2 (см. рис. 3.22)

тельно, запас тепла в системе в первом приближении зависит только от текущего значения максимальной температуры образца.

Методический интерес представляют режимы с линейным изме­ нением параметров во времени. Полученные кривые охлаждения образцов позволяют построить зависимости минимальной темпера­ туры цикла нагрев — охлаждение от его длительности при задан-

Рис. 3.23. Зависимость продольного перепада температур корсетного образца от базы (а) и максимальной температуры цикла на базе Ш мм (б):

ной максимальной температуре (см. рис. 3.22, б). Скорость охлаж­ дения определяли через тангенс угла наклона касательной, прове­ денной в точке с минимальной температурой на соответствующей кривой охлаждения, к оси t.

По результатам термометрирования образца выбрана система

скорости нагрева 500—600° С/мин. На рис. 3.23, а показаны гради­ енты температур при нагреве в печи в условиях стационарного ре­ жима. Печной нагрев не позволяет осуществлять переменные тем­ пературные режимы, так как практически не поддается (в силу инерционности) регулированию. На рис. 3.23, б приведены данные

опродольном перепаде температур для различных условий нагрева

взависимости от максимальной температуры. Измерения произво­ дили на образцах из стали 12Х18Н9. Использование контрастных по теплофизическим свойствам сталей и сплавов может дать не­

сколько отличающиеся результаты.

Наличие температурных градиентов приводит к температурным напряжениям. Для правильной оценки результатов испытаний и по­ лучения сопоставимых данных необходимо, чтобы эти напряжения были достаточно малы.

154

перераспределения деформаций по длине образца. Использование деформометра обеспечивает измерение деформаций в максимально нагруженном сечении, где появляется трещина, и позволяет строго выдерживать заданный режим деформирования при управлении нагружением в режиме заданных циклических деформаций или нагрузок.

Таким образом, исследование характеристик деформирования и критериев прочности при неизотермическом малоцикловом нагру­ жении должно осуществляться с использованием методов и аппа­ ратуры, позволяющих воспроизводить в частном диапазоне различ­ ные сочетания независимых, в том числе и произвольных, режимов нагружения и нагрева в контролируемых условиях деформирова­ ния. Таким требованиям соответствуют программные испытатель­ ные установки с обратными связями по нагрузкам (деформациям) и температурам.

Для обеспечения регулирования температурного цикла образца по заданным программам с получением достаточных скоростей про­ цесса требуется использование способов, отличающихся малой теп­ ловой инерцией. Такие условия обеспечиваются при нагреве про­ пусканием тока, индукционном нагреве, нагреве за счет теплоизлу­ чения кварцевыми лампами и охлаждении путем теплоотвода через охлаждаемые водой шины, крепящиеся на образце.

Для снижения термических напряжений минимальные длитель­ ности цикла следует выбирать порядка 1—2 мин/цикл, что соответ­ ствует скоростям нагрева и охлаждения на уровне 10° С/с.

Для уменьшения эффектов перераспределения деформаций по длине образца в процессе циклических неизотермических нагруже­ ний более предпочтительным является использование корсетных образцов.

3.4. Методы и средства испытаний моделей и элементов конструкций

Основными задачами при натурных испытаниях являются про­ верка и уточнение разрабатываемых методов расчета на прочность, исследование температурных полей и напряжений, сопоставление расчетного и экспериментального распределения деформаций (осо­ бенно в зонах концентрации с учетом проциклового перераспреде­ ления), а также изучение условий достижения предельного состоя­ ния по разрушению (образованию трещин).

Попутно решаются задачи конструкторско-технологического ха­ рактера: изучение термопрочности деталей, подбор оптимальных режимов охлаждения, оценка влияния теплофизических характе­ ристик материалов на распределение температур и напряжений, а также исследование влияния на малоцикловую прочность концен­ трации напряжений, напряженного состояния, интенсивности пере­ ходных режимов и т. д. ,[75, 85, 100, 104].

Полученные данные о долговечности и повреждаемости моделей элементов конструкции могут быть полностью перенесены на нату-

156

ток, а также фиксируется число циклов силового и теплового на­ гружения.

Аналогично работают газовые стенды для исследования сопло­ вых лопаток [51, 75]. Для создания условий испытания, достаточно близко имитирующих реальные процессы термомеханического на-

Рис. 3.25. Принципиальная схема газодинамического стенда для исследования малоцикловой усталости рабочих лопаток при неизотермическом нагружении:

гружения элементов конструкции, современные газовые стенды

С точки зрения апробирования методов расчета на малоцикло- Еую прочность таких элементов как лопатка газотурбинного двига-

158

теля важно в наиболее полной степени моделировать форму и дли­ тельность циклов нагружения и нагрева, циклические напряжения и температуры, их фазность и синхронность. При этом непредстави­ тельными оказываются испытания, в которых не имитируются цен­ тробежные силы.

Существенные трудности возникают при воспроизведении экс­ плуатационных условий вследствие неравномерности прогрева ло­ патки с естественной закруткой переменным по высоте сечением, а также создании различных сочетаний термического и механиче­ ского циклов в кромках лопатки. Под руководством Г. С. Писаренко разработана оригинальная методика испытаний натурных лопаток на малоцикловую неизотермическую прочность (рис. 3.26).

Турбинная лопатка /, жестко закрепленная в елочном замке, нагружается с помощью рычажной системы, состоящей из тяг 11,7 и рычага 10 Управление циклом нагружения осуществляется командоапиаратом 6 через колодки 5 зажим­ ного устройства 12. Регулятор S подачи топлива в камеру сгорания 2 подключен к командоаппарату 6.

Дозированная подача топлива, обеспечивающая необходимый режим термо­ циклического нагружения, осуществляется с помощью насоса 9 и электрического сервоклапана 4.

Программу работы командоаииарата предварительно рассчитывают. Устрой­ ство 8 с помощью тяги 7 фиксирует цикл перемещений свободной верхней полки лопатки при циклическом температурном воздействии и тем самым обеспечивает необходимую информацию о деформации изгиба пера лопатки от неравномерного нагрева. Создавая определенную степень стеснения деформаций, в лоиатке наво­ дятся требуемые термические напряжения и имитируются условия работы при наличии центробежных сил.

Термические напряжения и синхронные блоки программ нагру­ жения и нагрева можно реализовать в любом сочетании, а также изменять суммарные термические напряжения по заданной про­ грамме при определенном значении каждого компонента напряже­ ния. Таким образом, по этому методу на кромках неравномерно нагретой лопатки можно получить эпюру дополнительных термиче­ ских напряжений, имитирующих действие центробежных сил в ло­ патках с постоянным и переменным ио высоте сечением.

Сложность конструктивной формы, высокая интенсивность теп­ ловых потоков в эксплуатации не позволяют, как правило, при стендовых испытаниях точно моделировать тепловые и механиче­ ские процессы. В связи с этим несомненный интерес представляет методика исследования процессов термомеханического нагружения опасных зон (кромок) лопаток путем испытания клиновидных об­ разцов [101, 102]. Метод позволяет моделировать условия работы лопатки при различных внешних термомеханических воздействиях.

Изменяя размеры и форму клиновидной модели, можно широко варьировать параметры режима термомеханического нагружения кромки и таким образом управлять тепловым и напряженным со­ стоянием, причем мощности и скорости потоков обычных газовых стендов оказываются достаточными. Особенность испытания кли­ новидного образца состоит в следующем. С одной стороны, измене­ ние хорды клина приводит к существенному изменению экстре­ мальных напряжений и в то же время незначительно влияет на

159

распределение и значения температур в кромке клина (рис. 3.27). С другой стороны, варьирование углом клина для заданных экстре­ мальных напряжений позволяет получить любое требуемое распре­ деление и значения температур в момент экстремума напряжений

Рис. 3.26. Схема стенда для испытаний лопаток турбомашин на малоцикловую прочность при неизотермическом нагружении

МПа

1во

W

Рис. 3.27. Изменение напряжений (сплошные линии) и температур (штриховые ли­ нии) в кромке клиновидного образца (см. рис. 1.17, в) по длине хорды на режи­ мах, имитирующих запуск (а) и останов (б) ГТД для характерных параметров газового потока Л<>=|1, 10а (а); 3,2-103 (б)

(см. рис. 1.16, б); изменением радиуса кромки клина удается скор­ ректировать термонапряженное состояние и градиенты напряже­ ний вблизи поверхности кромки. По номограммам [1 0 1 ], с учетом предварительной информации о тепловом режиме лопатки в экс­ плуатации, выбирают применительно к условиям теплообмена на газодинамических стендах геометрические размеры клиновидной модели [75, ЮЗ].

160