УДК 621.438-226.2:539.376

ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ МОНТАЖНОГО НАТЯГА НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБИН СОВРЕМЕННЫХ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ

ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова":
Борис Евгеньевич Васильев,
Любовь Александровна Магеррамова, к.т.н.

 

Проведен анализ контактного взаимодействия бандажных полок лопаток турбины в заданных эксплуатационных условиях и при монтаже. Определено влияние величин предварительного натяга (зазора) на кинетику напряженно-деформированного состояния (НДС) бандажных полок и подполочных зон лопаток в процессе работы вследствие явления ползучести. Даны рекомендации по методике выбора предварительного натяга (зазора) для обеспечения надежности конструкции.

The analysis of contact interaction between turbine blades shrouds in the set of operating conditions and installation has been carried out. The influence of contact tightness value on the kinetics of shroud stress-strain state (SSS) due the creep phenomenon has been estimated. Recommendations on contact tightness value selection to ensure the reliability of the design has been given.

Ключевые слова: лопатки с бандажной полкой, контактное взаимодействие, предварительный натяг, ползучесть.

Keywords: shrouded blades, contact tightness, creep.

Бандажные полки на турбинных лопатках применяют для повышения газодинамической эффективности и вибрационной надежности. Это требует сохранения в рабочих условиях контакта между полками лопаток. С увеличением частоты вращения ротора и роста температур величина натяга увеличивается: происходит вытяжка, раскрутка лопаток и деформирование бандажных полок. Существенное влияние оказывает истирание наплавленных на рабочие грани твердосплавных покрытий в процессе работы, что может приводить к уменьшению натяга.

Бандажные полки создают дополнительную центробежную нагрузку на лопатки, замковые соединения и диск. Напряжения в зонах между рабочими и смежными гранями (рис. 2), которые являются концентраторами, и в подполочных сечениях профильной части лопаток могут достигать высоких значений на рабочих режимах. С течением времени при высоких температурах происходит накопление деформаций вследствие явления ползучести материала, что может оказать влияние на контактное взаимодействие полок. По этой причине необходимо так выбрать величину предварительного натяга (а в некоторых случаях - зазора), чтобы удовлетворить требованиям вибрационной надежности и длительной статической прочности.

Влияние различных факторов на работу бандажных полок простыми инженерными методами рассматривалось в работе [1]. На примере рабочей лопатки турбины с бандажной полкой из современного жаропрочного сплава проведено исследование влияния монтажного натяга/зазора на величину контактного давления, угол закрутки и напряженное состояние в "опасных" зонах лопатки в различных условиях работы. Расчеты проводились в трехмерной постановке конечно-элементным комплексом ANSYS.

На рис. 1. показана исследуемая лопатка с бандажной полкой, расчетная модель взаимодействия контактных граней с учетом циклической симметрии и увеличенный фрагмент зоны контакта. Монтажный натяг составляет 0,4 мм.

При моделировании контакта трение не учитывалось. Используемые в расчетах опции контакта (учет начального проникновения, радиус области поиска контактной пары (pinball region) и другие) оказывают существенное влияние на результаты.

Из рис. 2 видно температурное состояние лопатки на режиме с максимальной частотой вращения и эквивалентные напряжения в верхней части лопатки в условиях предварительного натяга 0,4 мм и положение "опасных" зон. "Опасными" являются зоны: 1- галтель между контактной и соседней гранями бандажной полки, 2- галтель между полкой и профильной частью лопатки со стороны корыта.

Нами было исследовано влияние величины натяга на параметры контакта и напряжения в "опасных" зонах. Для этого проведены расчеты на переходном режиме от начального состояния монтажа с температурой Т = 20°С и n = 0 об/мин до параметров максимального режима. Принято, что с увеличением частоты вращения одновременно линейно менялось температурное состояние лопатки. Величина монтажного натяга принималась 0,4 мм и 0,2 мм. Для моделирования зазора задавалось отрицательное значение натяга 0,05 мм.

Угол закрутки и величина контактного давления возрастают от начальных значений до величин, соответствующих максимальному режиму почти линейно с увеличением параметров режима при установке лопаток с натягом.

При установке лопаток с зазором контактное давление равно нулю, пока бандажные полки не вошли в контакт, а угол закрутки меняется незначительно. При достижении режима с частотой вращения ~30...40%, при которой бандажные полки начинают контактировать, контактное давление постепенно увеличивается и оба исследуемых параметра возрастают практически эквидистантно вариантам с натягом.

Таким образом, для каждой конкретной конструкции и режимов работы можно установить параметры рабочего процесса, на котором бандажные полки войдут в контакт. На прочность в опасных зонах основное влияние оказывает величина натяга/зазора.

Использование зависимостей, дополняющих требования обеспечения вибрационной надежности, позволяют определить величину натяга/зазора для того, чтобы обеспечить приемлемый уровень статических напряжений в опасных зонах лопатки. Например, если ограничением по величине напряжения в зоне 1 является 600 МПа, то величина предварительного натяга не должна превышать 0,12 мм.

На рис. 4 показан характер изменения контактного взаимодействия полок при 0, 40, 90, 100% от частоты вращения и с величиной натяга/зазора Δ = 0,4 и Δ = -0,05 мм.

Характер изменения распределения контактного давления показывает, что в процессе работы при возрастании параметров режима полки, деформируясь, наклоняются и поворачиваются. При этом части контактных поверхностей могут оказаться вне контакта (синий цвет на рис. 4). Такое условие - отсутствия контакта - особенно заметно в варианте сборки лопаток с зазором (верхний правый рис. 4). В этом случае при увеличении параметров режима до 30...40% полки, поворачиваясь, начинают контактировать на небольшом участке поверхности, который постепенно увеличивается и достигает ~17% площади рабочей грани. Это может повлиять на динамическое поведение лопаток.

В работе [2] показано, что при неизменных параметрах режима выбор одного из уравнений ползучести программы ANSYS, не оказывает существенного влияния на результаты расчета кинетики НДС. В данной работе использовалось уравнение теории течения.

На рис. 5 и 6 приведены изменения с течением времени наработки на максимальном режиме величин среднего контактного давления и относительной площади контакта.

Эти величины с течением времени наработки уменьшаются за счет явления ползучести материала лопатки. Причем, уменьшение более существенно при больших величинах монтажного натяга. При относительно большой наработке напряжения уже практически не зависят от величины предварительного натяга/зазора. В данном примере эта величина наработки составила 100 ч. Т.е. определяющим для выбора величины натяга/зазора является напряженное состояние на начальном этапе работы.

Изменение контактного давления и площади контакта с течением времени практически отсутствует в случае, когда лопатки собраны с зазором.

Угол закрутки не изменяется сколько-нибудь заметно в процессе работы.

При проектировании бандажированных лопаток важно выбирать величину монтажного натяга/зазора, принимая во внимание наряженное состояние "опасных" зон на рабочих режимах, и учитывать релаксацию напряжений в течение работы. При выборе монтажного зазора необходимо знать, на каком режиме (при какой частоте вращения) бандажные полки должны войти в контакт и какова площадь этого контакта. Это важно для обеспечения динамической надежности на рабочих режимах. Варьируя величину монтажного натяга бандажной полки лопатки, можно определить его оптимальную с точки зрения обеспечения статической прочности величину.

Литература

1. Расчет на прочность деталей машин: Справочник/ И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993. -640 с.: ил.

2. Васильев Б.Е., Магеррамова Л.А. Определение кинетики НДС лопаток турбин с использованием различных вариантов учета ползучести программного комплекса ANSYS. Двигатель, 2008, № 6, с.18-19.

3. К.А. Басов. ANSYS: справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2005. - 640 с, ил.

Связь с авторами:

Рабочий телефон: (495) 362-1283.
Электронная почта: b_vasilyev@ciam.ru