книги / Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении

Результаты стендовых испытаний клиновидных моделей позво­ ляют прогнозировать ресурс лопаток различной геометрической формы, определить влияние на долговечность температур и термо­ механических напряжений, а также изучить роль химического со-

Рис. 3.28. Кривые термической усталости натурных лопаток (темные точки) и кли­

испытаний на термоусталость невращающихся моделей дисков [53] приведена на рис. 3.29.

Испытуемый диск 1 помещают в рабочую камеру 5. При циклическом нагре­ ве подводится и отводится тепло только через обод; торцовые поверхности изо­ лированы асбоцементными плитами 2. Этим создается регулируемое температур­ ное поле и температурные градиенты по радиусу диска, определяющие нестацио­ нарные термические напряжения. Диск нагревается от кольцевого индуктора 3, питаемого от высокочастотного генератора 4, а охлаждается воздухом, подавае­ мым вентилятором 7, который связан с двигателем 6. В целях получения равно­ мерного по окружности температурного поля в процессе циклического нагрева диску сообщается периодическое угловое колебательное движение.

161

Для обоснования метода расчета дисков ГТД стационарной энергетики на специальных стендах испытывают натурные диски с имитацией действия центробежных сил [9, 43, 44, 51]. Комплексное моделирование эксплуатационных условий нагружения реальных конструктивных элементов при проведении стендовых испытаний — весьма сложная задача. Даже при натурных испытаниях, когда имеется полное соответствие геомерических размеров элемента, не всегда удается реализовать фактические условия термомеханиче­ ского нагружения материала опасных зон детали. Для воспроизве­ дения процессов упругопластического деформирования необходимы следующие условия: равенство температур и термических напря­ жений, а также равенство градиентов температур и напряжений, по крайней мере при экстремальных значениях этих параметров в сходных зонах конструктивного элемента при его эксплуатации и натурного образца или модели при стендовых испытаниях. Выпол­ нение этих условий обеспечивает идентичность протекания основ­ ных процессов при неизотермическом малоцикловом нагружении в условиях упругопластического деформирования, ползучести и ре­ лаксации напряжений.

Натурные испытания элементов конструкций дают информацию о поведении материала и конструктивных элементов при интенсив­ ных тепловых и механических воздействиях, необходимою, с одной стороны, для обоснования методов расчета на термическую и мало­ цикловую прочность и, с другой стороны, для сравнительной оценки малоцикловой долговечности натурных деталей различных конст­ руктивных форм при меняющихся параметрах среды и условиях теплообмена.

Полнота интерпретации получаемых при испытании элементов конструкций результатов обусловлена использованием инструмен­ тированных методов их проведения и в первую очередь возмож­ ностью корректного определения полей температур и деформаций. Задача осложняется высокими, как правило, температурами и рабо­ той материала с максимальными напряжениями за пределами уп­ ругости при малоцикловом нагружении. Наличие среды (потоков газа и жидкости высоких энергий и значений параметров) делает актуальной разработку методов измерения напряжений деформа­ ций и температур в указанных условиях с применением соответст­ вующей защиты датчиков.

Одним из наиболее простых и надежных методов является кон­ тактный метод измерения температур (до 1400° С) с помощью тер­ мопар. В ряде случаев его применяют для измерения температур до 3000° С [93]. Наиболее распространены хромель-алюмелевые и платинородий-платиновые термопары с двумя термоэлектродами.

Как правило, измеряют температуры внешней и внутренней по­ верхностей конструктивного элемента [75], а затем рассчитывают поля температур. В особых случаях измеряют температуру по объему (толщине стенки) исследуемой детали [77].

На рис. 3.30 приведены типичные схемы установки термопар. Для улучшения контакта спай термопары 3 (предварительно расплющенный) приваривают к по-

162

верхности детали 1, а термоэлектроды 4 укладывают по поверхности. В случае интенсивного воздействия среды (теплоносителя или потока лучистой энергии) на поверхность детали термоэлектроды защищают фольгой 6, или укладывают в

металлической трубке с прослойкой изолятора (асбест) или пластинкой 7. В це­ лях снижения погрешности измерения из-за нарушения тепловых потоков и для

защиты термоэлектроды укладывают в пазы (рис. 3.30, б), а спай термопары при­ варивают либо на поверхности, либо на некоторой глубине от нее (в рассверлов­ ке) .

s

4>

е)

3

ж)

Рис. 3.30. Схемы установки поверхностных (а, б, е) и глубинных (в, г, ж) прово­ лочных и пленочной (б) термопар:

1 — деталь; 2 — вставка (пробка); 3 —спай термопары; 4 — термоэлектрод; 5 — изоляционный слой; 6 — защитная фольга (трубка); 7 — пластинка; 8 — скобя

Вследствие агрессивности, высоких скоростей. перемещения, большой интен­ сивности тепловых потоков и высоких температур среды по конструктивным (по­ верхность трения и пр.) или технологическим (прокатка, штамповка и др.) сооб-‘ ражениям расположение термопары на поверхности детали оказывается невоз­ можным. В таких случаях используют термопары-вставки (рис. 3.30, в), которые закрепляют на малом расстоянии от поверхности (0,1 ... 0,5 мм) или их спай выводят на поверхность и заливают заподлицо тем же металлом, что и деталь. В этом случае оправдано использование однопроводной (полуестественной) тер­ мопары, когда термоэлектродом становится материал исследуемой детали [38]. Например, при исследовании резко нестационарных полей температур (тепловой удар) на внутренних горячих поверхностях стволов орудий, каналов ракетных двигателей [93], корпусов цилиндров паровых турбин [89] применяются термопа­ ры-вставки (рис. 3,30, г) в виде металлической пробки (втулки) с приваренным проволочным термоэлектродом 4 в изоляционном слое 5. При этом втулка и де­ таль 1 являются вторым термоэлектродом, либо термоэлектрод впрессовывают (через изоляционный слой) в тело детали.

При исследовании теплонапряженного состояния и мгновенных температур на поверхности контакта заготовки и штампа в процессе горячей технологической операции применяют термопару — вставку (рис. 3.30), е) с двумя термоэлектрода­ ми 4 хромель-алюмелевой термопары, которые впрессовывают а отверстия штам­ па 1 с последующей шлифовкой и полировкой рабочей поверхности. Электриче­ ский контакт между термоэлектродами возникает непосредственно в процессе

163

технологической операции через заготовку либо создается платиновой пленкой (0,05... 0,1 мм), наносимой на поверхность методом вжигания.

При исследовании распределения температур по толщине стенки корпусных деталей применяют различные способы установки термопар на соответствующей глубине. Например, с помощью ступенчатой пробки (рис. 3.30, г ) .

При измерениях температур в стенке корпуса паровой турбины [74, 89] тер­ мопары устанавливают на различной глубине (рис. 3.30, ж) . Этот способ предпо­ лагает использование нескольких термоэлектродов различных диаметров, каждый из которых применяется в зависимости от диаметра ступенчатого отверстия. Спай

парам при измерении температуры поверхности деталей, контактирующих е рабочей средой, из-за ее химической ак­ тивности при умеренных и высоких температурах. Например, внутренние поверх­ ности корпуса паровой турбины, омываемые паровой средой, которая движется с большой скоростью при температуре до 540° С и давлении до 1500 М Па в усло­ виях резких колебаний температур (10... 15 град/с). В подобных условиях приме­

с помощью контактной сварки (шов 6 ) . Спай 2 приваривают через защитный че­ хол (трубку) к внутренней стенке 1 корпуса паровой турбины, а датчик к поверх­ ности стенки крепят с помощью скобы 5 контактной сваркой. Для уменьшения теплоотвода в зоне измерения соединительные провода (в трубке 0 3x0,5 мм) прокладывают так, чтобы значительная их часть находилась в одинаковых темпе­ ратурных условиях.

Контактному способу измерения температуры присущи значи­ тельные погрешности. Основными источниками погрешности в из­ мерении температуры проволочной термопарой являются экрани­ рующее воздействие конструкции термопары (элементы защиты и установки термопары, провода); искажение действительной карти­ ны теплообмена в исследуемой зоне вследствие нарушения аэроди­ намики профиля детали и дополнительной турбулизации рабочей среды (газового потока); тепловая инерция спая термопары при исследовании нестационарных процессов; отвод или подвод тепла по проволочным термоэлектродам, возникающий из-за наличия на детали значительных градиентов температур.

Проблема повышения точности измерения температур натурных деталей в условиях воздействия среды высоких параметров остается актуальной. Перспективно применение высокотемпературных пле­ ночных термопар (ВПТ), в особенности для элементов конструкций, для которых характерны повышенные градиенты температур при

164

строгой аэродинамике обтекания поверхности. Ценный опыт по применению ВПТ накоплен при термометрировании лопаток турбин авиадвигателей до температуры 1000° С [40, 93].

В основу конструкции пленочной термопары положен метод полуискусственной термопары. Одним термоэлектродом служит мате­ риал детали 1, а другим — пленка 3 толщиной около 5 мкм и ши­ риной 0,8 мм (см. рис. 3.30, д) нз никеля или платины. Электри­ ческое сопротивление 1,0 Ом/см. Пленку наносят на деталь мето­ дом вакуумного напыления или вжигания в материал изоляцион­ ного слоя 4, в качестве которого рекомендуются высокотемператур­ ные окислы А120 3 [36] или эмали ЭВК.-14, ЭЖ-Ю00, обладающие хорошей адгезией, малой пористостью и высокой стойкостью к теп­ ловым ударам.

Технология нанесения разных компонентов следующая: пленочный термоэлек­ трод вместе с электрическим изоляционным слоем (суммарная толщина 10...

50 мкм) проходит по поверхности лопатки, повторяя ее геометрию, а малая сум­ марная толщина исключает нарушения установившихся интенсивных нестационар­ ных тепловых потоков и аэродинамики исследуемой детали. Термо-ЭДС в спае 2 для литейного жаропрочного сплава составляет 30 мкВ/°С при темпертурах 800...

1000° С, что позволяет получить достаточную точность измерений.

Конструкция ВПТ, технология монтажа на детали обеспечива­ ют надежную работу датчика в экстремальных условиях высоко­ температурного газового тракта.

Предельно малая толщина пленки в месте спая н хорошая адге­ зия к металлу детали гарантируют отсутствие тепловой инерции [40]. Измеренная таким образом температура в данной точке дета­ ли является действительной.

Для получения полной картины условий натурных испытаний на прочность необходимо наряду с данными термометрирования располагать сведениями о полях деформаций исследуемой детали и в первую очередь в зонах максимальных термомеханических на­ пряжений.

Для определения действительных деформаций и напряжений в конструкциях и натурных деталях одним из наиболее эффективных методов является тензорезистивный [3, 4, 33, 34, 36, 41, 92]. Он об­ ладает высокой чувствительность,ю ( 1 0 5 ... 1 0 -6), возможностью измерения в условиях повышенных и высоких температур, дистанционностью регистрации измеряемых параметров. Специализиро­ ванные тензорезисторы [4, 34] работают в широком диапазоне упру­ гопластических деформаций, а относительно малые базы (0 , 8 ...

... 1 , 0 мм) позволяют использовать их для натурных деталей в зо­ нах высоких градиентов деформаций. Для ряда конструкций и ус­ ловий нагружения тензорезистивный метод является единственно приемлемым.

Анализ термомеханического напряженного состояния высоконагруженных конструкций и агрегатов показывает, что важное зна­ чение имеют измерения упругих и упругопластических деформаций в локальных зонах деталей в течение нескольких десятков (сотен) циклов нагружения в сочетании с высокими стационарными или циклическими температурами (до 1000° С).

165

Универсальных тензорезисторов для длительных измерений ста­ тических и медленно меняющихся деформаций в условиях повтор­ ных циклов нагревов и охлаждений, значительных скоростей изме­ нения нагрузки и температуры в переходных режимах не сущест­ вует.

В натурной тензометрии квазистатических и повторно-статиче­ ских деформаций для однократного или нескольких циклов нагру­ жений используют средства и приемы, отработанные для измере­ ния статических деформаций. Определяющим признаком при клас­ сификации тензорезисторов для измерений статических деформа­ ций является прежде всего температура. Условно можно выделить следующие характерные диапазоны температур: пониженные и умеренные (—60 ... 70°С), при которых работают химические ап­ параты, баллоны высокого давления, сосуды, магистральные трубо­ проводы [15]; повышенные (св. 250 ... 400" С), характерные для ра­ боты деталей водо-водяных атомных реакторов [25], элементов пла­ нера сверхзвукового самолета [92]; высокие (св. 600 ... 1200° С), свойственные элементам тепловой энергетики при сверхкритических параметрах пара [33, 39], деталям горячего тракта судовых и авиа­ ционных [40] газотурбинных двигателей и др.

Для нормальных температур широко используют тензодатчики. Тензочувствительную решетку (ТР) проволочных (ПКБ, ПКП) н фольговых (ФКПА, ТФРЦ, ТФРЦУ) тензодатчиков изготовляют из константана, в качестве связующего и изолирующего материала для приклейки к детали используют клеи БФ-2, БФ-4, лак ВЛ-9. Проволочные тензодатчики изготовляют с базами 5 ... 30 мм; они допускают при установке на клеевой подложке значительные стати­ ческие упругопластические деформации (до 1 0 %) с коэффициентом тензочувствителыюсти й= 2±0,2. Тензодатчики из фольги толщиной 3 ... 1 0 мкм имеют те же характеристики, но обладают рядом пре­

большую силу тока; вследствие отсутствия поперечной тепзочувствительности некоторые из них (например, малобазные ФК-Ц) не требуют усилительной аппаратуры [34].

Для измерения статических и малоцикловых упругопластиче­ ских деформаций в локальных зонах элементов конструкций особый интерес представляют малобазные (S = l мм) фольговые тензодат­ чики РФРЦ-У [3, 4, 34]. Точное воспроизведение упругопластиче­ ских (в том числе циклических) деформаций достигается с помощью развитых концов А (рис. 3.32, а), а наличие массивных токовыводов Б обеспечивает хороший теплоотвод. Такие тензодатчики изго­ товляют и в виде цепочек прямоугольных (рис. 3.32, б) розеток с шагом 2 —3 мм.

Малая база и плотное расположение тензорезисторных цепочек [3 4 ] позволяют с достаточной точностью измерять упругопластиче­ ские деформации. Малобазные датчики ТФРЦ-У регистрируют де­ формации до 2 %•

166

При температурах до 250° С используют тензодатчики из Кон­ стантиновой проволоки (1 -ВОС, 1-ВО, МПТ) с клеевыми и неорга­ ническими связующими (например, цемент У—Б/У— 6 для тензо­ датчика ЭТК [36, 41, 83, 92]. Применяют также малобазные фоль­ говые тензодатчики марки ФК (до 1 0 0 ° С) и ФК-Ц (до 250° С), но с кремнеорганическим связующим (Ц-10) [92].

рома: 8 — перемычки; 9 — металлическая трубка; 10 — подложка из фольги

Одной из важнейших и наиболее сложных проблем современной тензометрии является измерение упругопластических (статических и малоцикловых) -деформаций и разработка соответствующих вы­ сокотемпературных тензорезисторов (ВТР). Основные трудности заключаются в подборе материалов, конструкции и технологии из­ готовления тензорезисторов, обеспечивающих стабильность метро­ логических характеристик.

Идеальный тензорезистор для измерения статических и малоцик­ ловых упругопластических деформаций независимо от температур должен точно передавать деформации от детали к тензочувствительной решетке, однозначно воспроизводить зависимость измене­ ния сопротивления чувствительного элемента тензорезистора (тензорешетки) от деформации, иметь высокое электрическое сопротив­ ление изоляции, обладать стабильностью метрологических харак­ теристик при статическом и циклическом характере деформирова­ ния, и, наконец, необходима простота установки его на деталь.

167

При повышенных и высоких температурах применяют тензометры с решетка­ ми из следующих сплавов', константан, нихромовые сплавы (Х20Н80Ю, Х20Н80ЮД), ннкельмолибденовЫе (НМ23ХЮ ), железохромалюминневые (НМ23ХЮ ), железохромалюминневые (0X21Ю5ФМ, 0X21Ю9, 0X211010, 0Х14Ю6ФМ), а также сплавы на основе платины с добавками тугоплавких ме­ таллов: платина-вольфрам, палладий-серебро (ПдСр40), палладий-иридий

(ПдИЮ ).

Рекомендованы [41, 83] следующие предельные температуры применимости материалов для тензорешетки ВТР: нихромовые сплавы — 350° С; никельмолибде-

кельмолибденовых и железохромалюминиевых сплавов существуют температур­

миниевые сплавы и сплав платина-вольфрам [36, 83]. Однако железохромалюми-

ВТР связующие изготовляют на основе кремнеорганических соединений (цементы

редать от детали к тензорешетке связующее, не разрушаясь и не теряя эластич­ ность. Например, предельная деформация для цементов не превышает 0,2% при любой температуре, а для связующего на основе жаростойких окислов алюминия она возрастает с 0,2% при нормальных температурах до 1,8% при 600° С. Связу­ ющее КПН-3 при температурах 600 ... 650° С сохраняет способность передавать значительные упругопластические деформации детали (до 2,4%) при наличии хо­ рошей адгезии.

На базе рассмотренных матералов разработан ряд отечествен-* ных высокотемпературных тензорезисторов: ТТР (7’max = 550oС), ПС (450), ВТ-К (500), ВТ-ХЮ (600), НМП-430 (430), НМТ-450 (450), ТТБ (540), ТТ-600 Гш ах^бО О 0 С.)

На рис. 3.32, г показана конструкция ВТР типа ТТ-600 [41, 83]. Тензочувствительная решетка 2 из сплава 0Х14Ю6ФМ закрепляется на подложке 1 через под­ слой нихрома 7 с помощью изолирующего подслоя 3. Снаружи тензорешетка закрыта изолирующим слоем 4, который, как и подслой 3, наносят методом на­ пыления жаростойких окислов алюминия. Важными элементами тензорезистора являются перемычки 8, фиксирующие тензорешетку. Перемычки обеспечивают уменьшение общей толщины до 0,4 мм, а также снижают жесткость датчика в

до 650° С ), выпускаемые в США. На рис. 3.32, д приведена схема тензорезистора CG. Однопетлевую тензочувствительную решетку 9 запрессовывают в трубку ( 0 1 мм) 2 вместе с изолирующим подслоем 3. Такой элемент укрепляют на под­ ложке из фольги, которую затем приваривают к детали 1 точечной сваркой. Сиг­ нал снимают с выводных концов 5.

Приведенные выше максимальные рабочие температуры тензо­ датчиков показывают, что в настоящее время обеспечиваются из­ мерения до 650° С. Считается [41], что диапазон рабочих температур ВТР на основе жаростойких окислов алюминия можно расширить до 750° С ири условии успешного поиска новых жаропрочных спла-

168

BOB для тензорешетки и дальнейшего совершенствования техноло­ гии изготовления тензорезисторов.

Одним из возможных направлений в решении проблемы повы­ шения максимальных температур измерения может стать предло­ жение [14] по применению высокотемпературного пленочного тензорезистора с антишунтирующим экраном (рис. 3.32, е). Основным элементом такого ВТР является многопетлевая пленочная тензочувствительная решетка 2 из платины, наносимая на изолирующий

Рис. З.ЗЗ. Схемы защиты и установки тензодатчиков ( я ... в) и комбинированного герметизированного датчика температуры и деформации (г), применяемых для измерения нестационарных повторно-статических деформаций в элементах паро­ вых турбин при эксплуатации:

слой 4 из жаростойкого окисла или высокотемпературной эмали методом вжигания [36, 83]. Для снижения шунтирования (с повы­ шением температуры) в слое связующего располагается экран 6 (изготовляют из платины тем же методом, что и тензорешетки), имеющий общую точку В с тензорешеткой и деталью. Рассмотрен­ ная конструкция ВТР показала удовлетворительные результаты (при тензометрировании лопаток авиадвигателя) до температуры 850° С.

Важным обстоятельством, определяющим возможность прове­ дения измерений на деталях в потоке высокотемпературной рабо­ чей среды (скорости, давления, химическая активность), является защита датчиков. Ценный опыт накоплен [33, 39, 74, 77, 89, 98] при тензометрировании объектов тепловой энергетики.

На наружных поверхностях, не находящихся под воздействием рабочей сре­ ды, защита тензорезистора 2 (рис. 3.33, а) выполняется в виде колпачка 4 с эк­ раном 5. При измерениях на внутренних поверхностях простейшим вариантом за­ щиты является установка тензорезистора 2 в специальное углубление на дета­ ли 1 с последующей приваркой крышки 4 (рис. 3J33, б) .

169

кповерхности детали 1, а также выводов проводов [74].

Вусловиях нестационарных эксплуатационных режимов работы агрегатов,

когда одновременно изменяются механические и термические нагрузки, необходи­ мо получать данные и о деформациях, и о температурах. Это необходимо также для расшифровки показаний тензореэисторов, характеристики которых зависят от температуры.

Поэтому в ряде случаев оправдано применение комбинированных термодатчи­ ков [33, 77], включающих тензорезиеторы и термопару. Эти датчики позволяют в случае квазистационарных (малоцикловых) и особенно быстропротекающнх (на переходных режимах) тепловых и механических процессов осуществлять строгую синхронизацию записи переменных деформаций и температур. Комбинированный датчик температуры и деформации (рис. 3.33, г ) выполнен на базе высокотемпе­ ратурного тензорезистора на металлической подложке 9 и термопары 6 . Он пред­ назначен для измерения квазистатических деформаций в агрессивных паровых средах при температуре до 540° С. Герметизация элементов 6 , 1 2 , 1 3 производит­ ся крышкой нз фольги 4 с переходником 10 .

При измерении малоцикловых деформаций в элементах конст­ рукций с помощью тензореэисторов очень важна стабильность их характеристик во времени и по числу циклов в условиях циклическо­ го воздействия температур. Имеются данные, что при упругих де­ формациях не изменяются основные характеристики до числа цик­ лов нагружения 105 (например, для тензодатчиков ПКБ-20-120) {92]. При работе тензореэисторов за пределами упругости и повторном деформировании возникает ряд специфических особенностей: непо­ стоянство коэффициента тензочувствительности при высоких цик­ лических деформациях и его изменение по числу циклов нагруже­ ния; «уход нуля» в процессе циклического деформирования; выход из строя тензореэисторов через определенное для каждого уровня размаха деформаций число циклов нагружения.

Указанные факторы в значительной степени определяются ти­ пом и конструкцией тензорезисторов, технологией изготовления, и в каждом случае требуется оценка их характеристик и долговеч­ ности применяемых тензодатчиков.

Например, малобазные фольговые тензодатчики типа ТФРЦ-У [3, 4] можно использовать для измерения как статических деформаций (до 5%), так и цикличе­ ских (до ±2% ) в зонах с высокими градиентами деформаций (база тензорезис­ тора 1 мм). При этом коэффициент тензочувствительности остается практически неизменным [4].

При проведении исследований наряду с тензометрированием используют и другие экспериментальные методы. Применяют метод хрупких тензочувствительных покрытий. Он весьма прост и эффек­ тивен и позволяет оперативно отыскать наиболее опасные зоны ис­ следуемой конструкции и оценить напряжения. При хорошей адге­ зии между поверхностью детали и тонким покрытием в последнем возникают те же деформации, что и в детали. Обладая малой плас­ тичностью, покрытие в процессе нагружения детали разрушается под действием растягивающих напряжений, и трещины распростра­ няются от более напряженных к менее напряженным точкам. Та­ ким образом визуально устанавливаются зоны наибольших напря­ жений и их главные направления. Погрешность определения мак­

170