книги из ГПНТБ / Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки

температурных напряжений производили при помощи специальных прецизионных термостойких тензодатчиков из отожженной копстантановой проволоки в области температур 40—350 К- При этом использовали плоскую модель лопатки (пластина) и натурную ло­ патку газовой турбины ГТ-25-700ЛМЗ. Лопатки крепили хвостовой

водой хвостовой части до установления стационарного температур­ ного поля;

— выдержка при установившемся тепловом режиме с целью проверки устойчивости температурного поля;

—измерение показаний всех тензодатчиков при одновременном непрерывном контроле температуры;

—охлаждение вместе с печыо;

—измерение конечных показаний всех тензодатчиков при ком­ натной температуре.

Каждая лопатка была испытана при двух циклах нагрева и охлаждения. Деформация, измеренная каждым тензодатчиком, вы­ числялась по зависимости

І, 2е„ — (є, + є,)

По предварительной оценке экспериментальных данных можно сказать, что в натурной лопатке общий уровень напряжений зна­ чительно ниже, чем в пластине. В центральном сечении напряжения малы и достигают значения 10—20 Мн/м2 в области 70 мм •< х <: < 100 мм. Напряжения по поперечному сечению несимметричны и имеют наибольшее значение в тонкой части пера лопатки у ее вы­ ходной кромки в корневом сечении (до 60 Мн/м2). В плоской ло­ патке действуют напряжения, достигающие в центральном сечении 60 Мн/м2, а у кромок лопаток в корневом сечении 120 Мн/м2. Каса­ тельные напряжения не превышают 40 Мн/м2.

В работе оценена точность эксперимента, которая оказалась до­ вольно высокой. Случайные погрешности не превышают ±0,05 — 0,1 Мн/м2.

В работе [47] проведено исследование температурных полей и температурных напряжений в охлаждаемых лопатках с продольным протоком воздуха. Цель работы — получение «безградиентной» ло­ патки. Охлаждающий воздух распределялся по вертикальным ка­ налам дифференцированно в соответствии с локальными значениями коэффициентов теплоотдачи. Это дало возможность получить более равномерное температурное поле в поперечном сечении лопатки при пониженном расходе охлаждающего воздуха.

Произведенная оценка по температурным напряжениям при на­ чальной температуре газа ~1273 К и температуре охлаждающего воздуха —373 К показала, что напряжения весьма малы в стержне лопатки. Максимальные напряжения возникают в оболочке (рис. 126).

Рассмотренная лопатка не является оптимальным вариантом, обеспечивающим равномерное распределение температурных напря­ жений по ее контуру. На основе некоторых проведенных авторами

исследований можно заключить, что температурные напряжения могут быть сокращены при более рациональном распределении охла­ ждающего воздуха по каналам охлаждения.

Рассмотрев температурные напряжения для охлаждаемых воз­ духом лопаток газовых турбин при установившемся режиме их работы, можно сказать, что при расположении охлаждающих ка­ налов по периферии лопатки и соответствующем расходе воздуха через канал можно существенно выравиить температурные напря­ жения.

(5, Мн/н'

Еще большие возможности по выравниванию температурных напряжений появятся, если создать регулирование температуры стержня охлаждаемой лопатки, что можно сделать специальным охлаждением его. Меняя температуру стержня, добиваются тре­ буемого теплообмена в каналах и необходимой температуры стенки на каждом участке.

при нестационарных режимах работы

При пуске и остановке газотурбинной уста­ новки, а также при других переходных режимах в лопатках воз­ никает значительная неравномерность в распределении температуры. Это приводит к появлению температурных напряжений, которые алгебраически складываются с напряжениями, создаваемыми дей­ ствием центробежных сил. Исследование температурных напряже­ ний при нестационарных режимах позволяет более обоснованно выбрать режимы пуска и эксплуатации ГТУ. Особенно это важно для судовых ГТУ, которые работают на частичных нагрузках, в том числе работают определенное время на переходных режимах.

Определяющим фактором при оценке температурных напряжений служат температурные поля. Поэтому расчет температурных на­ пряжений при нестационарных режимах аналогичен расчету при

стационарном режиме, за исключением расчета температурных полей, которые будут определяться из уравнения теплопроводности с пра­ вой частью. Чтобы получить большую точность при расчетах тем­ пературных напряжений, возникающих в охлаждаемых лопатках при нагреве и охлаждении, целесообразно учитывать изменение фи­ зических постоянных от температуры. В работе [38] показано, что расчетные температурные напряжения, возникающие в лопатке при модуле упругости Е и коэффициенте линейного расширения а, взятых по средней температуре в каждый данный момент времени, примерно на 20% меньше температурных напряжений, подсчитанных при Е и а, зависящих от температуры. Расчет напряжений при Е и а, взятых при средней температуре полуцнкла, дает завышенные значения напряжений в момент наступления максимума более чем на 30%. При уменьшении температурных градиентов по сечению

расчеты температурных напряжений охлаждаемых сплошных и полых лопаток, проведенных на ЭЦВМ в Институте проблем металлове­ дения АН УССР, где Е и а принимались как функции от температуры.

Расчет напряжений выполняли для сплошной лопатки с хордой длиной 52 мм, максимальной толщиной 11,2 мм, высотой 75 мм и для пустотелой охлаждаемой лопатки с хордой длиной 55 мм, вы­ сотой ПОлш по общеизвестным зависимостям. Материалом для сплош­ ной лопатки был выбран сплав ЭИ765, пустотелой — ЭИ787Л. При расчете предполагалось, что деформации элементов лопаток являются упругими. Коэффициент линейного расширения и модуль упругости материала лопаток вводились в расчет как функции температуры и были представлены:

— для сплава ЭИ765

а = а 0 -h 0,0054Т-10-°;

—для сплава ЭИ787Л

а= «о -г 0,00657M0-G ;

•— для обоих сплавов Е = Е0 (1 — 4,6-10-5 Т1.з).

Значения температур были приняты на основании проведенных экспериментов на натурных образцах. Профиль сплошной лопатки был разбит на 54, пустотелой — на 84 участка. Температуру участка в каждый момент времени принимали постоянной, не зависящей от времени. Напряжения подсчитывали в различные моменты времени

На рис. 127 приведены температурные напряжения сплошной лопатки, охлаждаемой теплоотводом в диск в зависимости от времени при охлаждении и нагреве. Как видно из рисунка, наибольшие напряжения возникают на кромках лопаток. При нагреве и охла­ ждении они растут, имея разные знаки. Температурные напряжения

средней части лопатки при нагреве и охлаждении имеют разные знаки.

Распределение температурных напряжений в охлаждаемой пу­ стотелой лопатке представлено на рис. 128, а и б. В данном случае наиболее опасен режим охлаждения, так как максимальные напря-

а)

жения возникают почти мгновенно. Напряжения на выпуклой и вогнутой частях лопатки различные.

На рис. 129 показано изменение напряжений в различных точках сечения охлаждаемой пустотелой лопатки при нагреве. Наибольшие напряжения наблюдаются почти во всех точках через 10 с с момента начала нагрева. Через 35—40 с напряжения снижаются и становятся постоянными при наступлении стационарного режима. При этом на входной кромке устанавливаются напряжения положительные, на вогнутой, выпуклой частях и выходной кромке — отрицательные по знаку.

Проведенные исследования дали возможность обосновать появ­ ление трещин на выходной кромке лопаток при эксперименте. Так, при испытаниях сплошных лопаток на выходных кромках образо­ валось несколько трещин перпендикулярно кромке. Трещины уве­ личивались от цикла к циклу. Для всех материалов характерно, что в начальный период трещины растут очень быстро, достигая длины 4—8 мм, затем скорость их роста замедляется и после 800— 1000 циклов теплосмеи изменяется незначительно. На пустотелых

принимала волнистую форму, что можно объяснить потерей устой­ чивости сравнительно тонкой кромки при высоких уровнях сжимаю­ щих напряжений. При испытаниях пустотелой лопатки с различ­ ной толщиной стенок трещина образовалась после 20 циклов там, где была тоньше стенка, что совпадало с расчетными данными.

На рис. 130 представлено изменение температурных напряжений по профилю охлаждаемой лопатки при мгновенном подъеме нагрузки и подъеме нагрузки за 5 мин. Температурные напряжения при мгно­ венном подъеме нагрузки, т. е. при изменении начальной темпера­ туры от 718 до 973 К, значительно выше, чем при подъеме нагрузки в течение 5 мин. Особенно высокие напряжения возникают на кром­ ках лопаток.

Для рассмотренных случаев нагрева максимальные напряжения на поверхности сечения лопатки имеют отрицательный знак, а на­ пряжения от центробежных сил из них вычитаются. Обратная кар­ тина наблюдается при снижении температуры газа, например при срыве факела, когда температура газа почти мгновенно падает с 973 до 563 К- В данном случае по расчетам получается, что темпера-

с напряжениями от центробежных сил. В результате напряжения превосходят предел текучести и в лопатке возникают пластические деформации. Поэтому для охлаждаемых лопаток наиболее тяжелым режимом работы является остановка машины.

§69. Суммарные напряжения в диске произвольного профиля,

вызванные центробежными силами и неравномерным нагревом

Диски охлаждаемой газовой турбины работают в условиях неравномерного нагрева. Эта неравномерность вызвана прежде всего тем, что диск работает в условиях нагрева со стороны обода и охлаждения его полотна. Поэтому по его высоте всегда суще­

—поперечные размеры диска малы по сравнению с его диаметром;

—температура диска есть функция только радиуса.

тробежная сила вызовет на гранях А В и СД окружные напряжения ah а на AD и ВС — радиальные напряжения аг и or + dcr, соответ-

ственно. Ввиду малости касательных напряжений действие их не

возникающих в результате действия на выделенный объем элемен­ тарной центробежной силы dc. Выражения для внутренних сил

Пренебрегая бесконечно малыми величинами третьего и четвертого порядка, последнее уравнение представим в виде

Выразим элементарную массу выделенного элемента через его объем

Проектируя все силы (внешние и внутренние), действующие на вы­ деленный элемент в радиальном направлении и приравнивая сумму их нулю, имеем

Заменив в полученном уравнении элементарные силы их значениями

Это уравнение связывает между собой радиальные и окружные на­ пряжения в диске. Уравнения, связывающие между собой напря-

жения її относительные удлинения для плоского напряженного состояния с учетом температуры, можно получить на основании за­ кона Гука:

преобразований получим основное расчетное уравнение диска с уче­

Определив из выражения (409) радиальные перемещения, можно по уравнениям (407) и (408) найти искомые напряжения в диске аг и а,. При этом закон изменения температуры диска по радиусу может быть задан из проведенных специальных расчетов или из экспери­ мента. Истинный профиль диска при расчетах заменяется ступен­ чатым, составленным из участков постоянной толщины. Тогда диф-

ференциальное уравнение для части диска с постоянной толщиной при равномерно нагретом диске можно представить

Подставляя выражения (414) и (415) в (404) и (405), окончательно будем иметь: