Аннотация:Одной из современных задач оценки безопасности эксплуатации турбин и компрессоров в газо- и паротурбостроении является исследование закономерностей стохастического процесса зарождения и развития усталостных микро- и макротрещин в конструкциях лопаточного аппарата при эксплуатационном нагружении. Проблема оценки ресурса работы лопаток связана с необходимостью изучать случайные процессы разрушения в областях многоцикловой и гигацикловой усталости. Усталостное разрушение охлаждаемых лопаток компрессоров и турбин вызывается, в основном, высоким уровнем осевых переменных напряжений в областях их концентрации (связанной со структурной неоднородностью материала, технологическими дефектами; коррозионными повреждениями, повреждениями в результате попадания посторонних предметов, разрушениями бандажных полок и др.), возникающих при их возможных резонансных вынужденных колебаниях, причинами которых являются турбулентные газовые потоки при вращении вала, парциальность подвода газа в цикле работы, неравномерность потока из сопловых каналов и др. Усталостным разрушениям наиболее подвержены турбинные и компрессорные лопатки авиационных газотурбинных двигателей, т.к. за цикл работы: запуск– основной режим–остановка, лопатка попадает на короткий период времени в условия вынужденных резонансных колебаний по одной из частот. Экспериментально обнаруживается, что микро- и макротрещины возникают перпендикулярно оси лопатки в корневом сечении в зоне концентрации напряжений от изгибных форм колебаний. В наиболее общем виде, осевое напряжение в лопатке может быть представлено в виде суммы постоянной составляющей и дискретного спектра с набором амплитуд, шагом, равным частоте вращения диска, и сдвигами фаз между компонентами. В данной работе исследуется асимметричное одночастотное нагружение с постоянной составляющей, определяемой известным образом как максимальное значение суммы растягивающего напряжения от центробежных сил и изгиба от аэродинамических сил. Метод оценки ресурса лопатки основывается на теории масштабно-структурного разрушения, согласно которой стохастический процесс усталостного разрушения рассматривается на шести масштабно-структурных уровнях, отвечающих разным стадиям эволюции материала и физическим механизмам. Для вероятности разрушения лопатки на микро, мезо- и макроуровнях при асимметричном одноосном нагружении строится иерархическая система определяющих соотношений, в которых в качестве переменной выбирается амплитуда напряжения, а материальные функции определяются по данным стандартных испытаний на усталостную прочность с учетом результатов физических исследований по развитию хрупких трещин. Рассматриваются материалы, имеющие предел выносливости, и материалы, у которых в области гигацикловой усталости предел усталости уменьшается с ростом числа циклов. В соответствии с известными критериями усталостной прочности выписываются зависимости материальных функций от параметра асимметрии цикла. Строятся кривые усталости лопатки по определенному уровню дефектности. Представляются результаты расчетов для лопатки из никелевого сплава ЖС6К в области многоцикловой и гигацикловой усталости. Определяются области развития дефектов, кривые усталости по образованию микротрещин, коротких и макротрещин при различных прогибах лопатки. Метод расчета подтверждается сравнением полученных результатов с известными данными по разрушению лопаток турбокомпрессоров.
