Процессы в деталях паровых и газовых турбин, приводящие к исчерпанию их ресурса

Обзор физических явлений, способствующих исчерпанию ресурса деталей турбин

1. Малоцикловая усталость

Усталостью называется накопление повреждений в материале вследствие его циклического нагружения, приводящее к разрушению через определенное число циклов изменения нагрузок.

Различают многоцикловую и малоцикловую усталость. Четко обозначенной границы между этими видами усталости нет. Можно условно считать, что многоцикловая усталость определяется числом циклов до разрушения N > 104 . Областью малоцикловой усталости считают об­ласть, когда 1/4 < N < 104 .

Характеристики малоцикловой усталости включают зависимость между напряжениями и деформациями для среднего полуцикла деформирования (полуцикла с номером, равным числу циклов до разрушения) и зависимость малоцикловой долговечности от размаха пластических деформаций в среднем цикле.

Уравнение деформирования :

где Δε и Δσ – деформации и напряжения, отсчитываемые от точки реверса;

Е – модуль упругости;

Δσ_k – циклически предел текучести

m – модуль упрочнения

Известно, что при циклическом деформировании имеется петля пластического гистерезиса (см. рис. 3.1 и рис. 3.2). Ширина петли Δε^р может быть измерена только при напряжениях, больших некоторого предела, при котором точность используемой аппаратуры достаточна для обнаружения остаточной деформации образца. Обычная точность применяемой аппаратуры позволяет обнаружить остаточную деформацию, не ниже 0,01 %.

Рис. 3.2. Диаграмма деформирования при несимметричном цикле

Рис. 3.1. Диаграмма деформирования при циклическом нагружения

Малоцикловая усталость связана с медленно меняющимися воздействиями и обусловлена повторными переходными режимами — пуском, изменением нагрузки турбомашины, остановкой ее. Частота таких воздействий соответствует частоте изменения режима. В стационарных турбинах большой мощности частота воздействия не превышает нескольких сотен циклов в год (для установок полупикового и пикового назначения). За весь срок службы, равный более 30—40 лет, при этом накапливается число циклов, равное обычно не более 10⁴ . Этим и определяется с практической точки зрения предел числа циклов, ниже которого усталость относится к малоцикловой.

При малоцикловой усталости ширина петли Δε^р измерима, конструкции работают в условиях повторных пластических деформаций.

Для определения напряжений и деформаций в конструкциях при малоцикловой усталости необходимо проводить расчеты по уравнениям пластичности для повторного нагружения.

Область малоцикловой усталости устанавливают, используя качественный критерий :

Δσ_у > 2σ_е (Δσ_у = σ_1у – σ_2у) (3.1)

Где σ_1у, σ_2у — максимальное и минимальное значения напряжений в некоторой рассматриваемой точке детали за период одного цикла, рассчитанные в предположении упругости материала; σ_е — предел упругости материала.

Если выполняется неравенство (3.1), то материал в рассматриваемой точке испытывает повторное пластическое деформирование и, следовательно, его прочность определяется закономерностями малоцикловой усталости.

При выполнении противоположного неравенства :

Δσ_у = 2σ_е (3.2)

материал после первого цикла нагружения перейдет в упругую область (повторные пластические деформации не возникают). Переход в упругую область материала, подвергнутого на первых циклах пластической деформацией, называется приспособляемостью. Поэтому условие (3.2) можно назвать условием приспособляемости. Удобство критериев (3.1) и (3.2) заключается в том, что для их использования необходим расчет детали при переменных воздействиях только в упругих условиях для определения максимального σ_1у и минимального σ_2у напряжений за цикл изменения воздействия.

Долговечность при малоцикловой усталости устанавливается по эмпирическим зависимостям. Наиболее распространенной является следующая зависимость для одноосного напряженного состояния :

(3.3)

где С, k — постоянная материала; Δε^р— размах пластических деформаций за цикл в направлении оси образца.

Малоцикловая усталость в турбомашинах обычно связана с переменными температурными воздействиями, возникающими при переменных режимах работы турбомашин, поэтому часто малоцикловую усталость называют термической усталостью. Характерной особенностью термической усталости является неизотермичность процесса нагружения материала, так как сами напряжения возникают вследствие переменных температур в деталях турбомашин.

К 200 - 130

Исчерпание ресурса :