Полный текст

Настоящий обзор основан на положительном опыте, который накоплен коллективом сотрудников лабораторий ФИЦ Казанский научный центр РАН в порядке обоснования состоявшихся в практике эксплуатации вращающихся дисков турбомашин в авиации и станционной энергетике конструктивно-технологических решений [1 17]. Этот опыт не ограничивается настоящими результатами и в соответствующих публикациях коллектива авторов представлены приложения к трубопроводам, панелям обшивки фюзеляжа, гидроцилиндрам и т.д. [18, 19]. В настоящее время проектирование компонентов паровых турбин станционной энергетики и газотурбинных двигателей (ГТД) гражданской авиации становится очень сложным из-за высоких температур, комплексных механических нагрузок, коррозионной среды и длительных прогнозируемых сроков службы. Эксплуатация узлов паровых турбин и авиационных двигателей характеризуется достижением предельных параметров и условий. Необходимость обеспечения длительного срока службы обусловливает применение концепции допускаемой повреждаемости, основанной на анализе состояния критических зон элементов конструкций. Условия нагружения вращающихся дисков турбомашин предопределяют зарождение и развитие усталостных трещин в критических зонах в условиях многоосного напряженно-деформированного состояния, высоких температур и коррозионных сред. Состояние этих критических зон характеризуется нелинейным деформированием, когда эквивалентные напряжения по Мизесу превышают предел текучести материала при соответствующей температуре в условиях одноосного растяжения. Эти обстоятельства стимулируют разработку новых моделей роста усталостных трещин, которые все чаще используются в качестве инженерных инструментов для оценки остаточной долговечности элементов конструкций. Предполагается реализация технологии субкомпонентных испытаний и подходов континуальной механики повреждений сплошных сред, а также методов механики упругопластического разрушения к оценке несущей способности вращающихся дисков турбомашин. Прогнозирование роста усталостных трещин в критических зонах вращающегося диска при нестационарном термо-механическом нагружении, является одной из составляющих стратегии эксплуатации по условиям допускаемой повреждаемости на основе диагностики индивидуального технического состояния элементов конструкций. Одним из инженерных инструментов достижения этих целей могут быть подходы по имитационному моделированию. Подобные подходы можно разделить на две основные стратегии. Первая представляет собой испытания образцов или имитационных моделей, которые непосредственно вырезаны из рассматриваемых критических зон конструкций. В этом случае имитационная модель содержит эксплуатационные повреждения, накопленные в критических зонах, и сохраняет состояние внешней поверхности при достигнутом уровне долговечности. Вторая стратегия требует проектирования и изготовления специальных имитационных моделей и испытательных стендов. В некоторых случаях имитация применяется для калибровки и проверки усовершенствованных подходов к моделированию роста усталостных трещин и прогнозированию срока службы, поскольку очень сложно воспроизвести на стандартных испытательных образцах напряженно-деформированное состояние, возникающее в процессе эксплуатации реальных вращающихся дисков турбомашин. Проектирование и изготовление имитационных моделей может быть осуществлено из того же материала, что и диск турбины или компрессора в строгом соответствии с технологией их изготовления. Основной недостаток испытаний полноразмерных конструкций состоит в высокой стоимости и длительности проведения испытаний, отсутствии возможностей наблюдения за развитием дефектов, а также низкой статистической достоверностью результатов испытаний. Подходы имитационного моделирования свободны от большинства подобных ограничений. Главным преимуществом имитационного моделирования в ряде случаев является замена дорогостоящих и длительных испытаний натурных конструкций. Как правило, имитационное моделирование представляет собой комбинацию расширенных экспериментальных и параметрических численных исследований.

Об авторах

В. Н Шлянников

Институт энергетики и перспективных технологий ФИЦ «Казанский научный центр» РАН, Казань, Российская Федерация

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 2

PDF (Russian) - 1