Ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур

Традиционная модель континуальной механики разрушения Качанова-Работнова-Хейхерста расширена на случай переменной температуры и деформационного упрочнения. Скорости ползучести и повреждаемости полагают зависимыми от температуры. Полученная модель неизотермической ползучести и повреждаемости внедрена...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2008
Hauptverfasser:	Львов, Г.И., Лысенко, С.В., Гораш, Е.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2008
Schriftenreihe:	Проблемы прочности
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48356
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур / Г.И. Львов, С.В. Лысенко, Е.Н. Гораш // Проблемы прочности. — 2008. — № 5. — С. 37-44. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-48356
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-483562013-08-18T17:07:36Z Ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур Львов, Г.И. Лысенко, С.В. Гораш, Е.Н. Научно-технический раздел Традиционная модель континуальной механики разрушения Качанова-Работнова-Хейхерста расширена на случай переменной температуры и деформационного упрочнения. Скорости ползучести и повреждаемости полагают зависимыми от температуры. Полученная модель неизотермической ползучести и повреждаемости внедрена в конечноэлементный код универсального комплекса ABAQUS. Тестирование математической модели выполнено на осесимметричной задаче для корпуса газовой турбины. Традиційну модель континуальної механіки руйнування Качанова-Работнова-Хейхерста розширено на випадок змінної температури і деформаційного зміцнення. Швидкості повзучості і пошкоджуваності приймаються залежними від температури. Отриману модель неізотермічної повзучості і пошкоджуваності було упроваджено в скінченноелементний код універсального комплексу ABAQUS. Тестування математичної моделі виконано на осесиметричній задачі для корпусу газової турбіни. The conventional Kachanov-Rabotnov-Hayhurst type continuum damage mechanics model is extended to the case of variable temperature and strain hardening. Both the creep and the damage rates are assumed to be temperature-dependent. The resulting non-isothermal creep-damage model has been incorporated into the FE-code of the universal CAE-system ABAQUS. The testing of mathematical model was executed on axisymmetric problems for a gas turbine body. 2008 Article Ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур / Г.И. Львов, С.В. Лысенко, Е.Н. Гораш // Проблемы прочности. — 2008. — № 5. — С. 37-44. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48356 539.3 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Львов, Г.И. Лысенко, С.В. Гораш, Е.Н. Ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур Проблемы прочности
description	Традиционная модель континуальной механики разрушения Качанова-Работнова-Хейхерста расширена на случай переменной температуры и деформационного упрочнения. Скорости ползучести и повреждаемости полагают зависимыми от температуры. Полученная модель неизотермической ползучести и повреждаемости внедрена в конечноэлементный код универсального комплекса ABAQUS. Тестирование математической модели выполнено на осесимметричной задаче для корпуса газовой турбины.
format	Article
author	Львов, Г.И. Лысенко, С.В. Гораш, Е.Н.
author_facet	Львов, Г.И. Лысенко, С.В. Гораш, Е.Н.
author_sort	Львов, Г.И.
title	Ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур
title_short	Ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур
title_full	Ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур
title_fullStr	Ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур
title_full_unstemmed	Ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур
title_sort	ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48356
citation_txt	Ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур / Г.И. Львов, С.В. Лысенко, Е.Н. Гораш // Проблемы прочности. — 2008. — № 5. — С. 37-44. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Проблемы прочности
work_keys_str_mv	AT lʹvovgi polzučestʹidlitelʹnaâpročnostʹkomponentovgazovyhturbinsučetomneodnorodnogoraspredeleniâtemperatur AT lysenkosv polzučestʹidlitelʹnaâpročnostʹkomponentovgazovyhturbinsučetomneodnorodnogoraspredeleniâtemperatur AT gorašen polzučestʹidlitelʹnaâpročnostʹkomponentovgazovyhturbinsučetomneodnorodnogoraspredeleniâtemperatur
first_indexed	2025-07-04T08:46:06Z
last_indexed	2025-07-04T08:46:06Z
_version_	1836705400668291072
fulltext	УДК 539.3 Ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур Г. И. Львов, С. В. Лысенко, Е. Н. Гораш Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, Украина Традиционная модель континуальной механики разрушения Качанова-Работнова-Хейхерста расширена на случай переменной температуры и деформационного упрочнения. Скорости ползучести и повреждаемости полагают зависимыми от температуры. Полученная модель неизотермической ползучести и повреждаемости внедрена в конечноэлементный код уни версального комплекса ABAQUS. Тестирование математической модели выполнено на осе симметричной задаче для корпуса газовой турбины. К лю ч е в ы е с ло в а : скорость ползучести и повреждаемости, модель неизо термической ползучести и повреждаемости. Конструкционные элементы газовых турбин функционируют в услови ях повышенных температур и сложного напряженного состояния в течение длительного времени. Исследование ползучести конструкций с учетом на копления повреждений необходимо для достоверного анализа их длительной прочности. Многие элементы энергетического оборудования - секции турбин высокого и низкого давления, выхлопные патрубки, а также диффузоры работают в неоднородном тепловом поле, что обусловливает необходимость постановки задачи неизотермической ползучести и повреждаемости. Это особенно важно для толстостенных элементов корпусов турбин, в которых высокое внутреннее давление сочетается с большими градиентами темпе ратур. Металлографические исследования жаропрочных сталей свидетельст вуют о значительной сложности и разнообразии физических процессов на разных стадиях ползучести. Можно сделать вывод о преобладании диффу зионно-управляемого перемещения дислокаций на второй стадии ползучес ти. Различные механизмы взаимодействия частиц с дислокациями, а также изменения во времени микроструктуры материала могут действовать в течение третьей стадии ползучести, приводя к уменьшению прочности материала и, как следствие, к разрушению. Энергии активации диффузион ных и дислокационных процессов по-разному зависят от температуры, что принималось во внимание при разработке модели ползучести с учетом повреждаемости при переменной температуре. Таким образом, в основу предложенной в данной работе неизотерми ческой модели ползучести с учетом повреждаемости положены модель Качанова-Работнова-Хейхерста [1-3] и физические механизмы ползучести типичных жаропрочных сталей. Для адекватного описания стадии первич ной ползучести вводится функция деформационного упрочнения в виде Н (е сг) = 1 + С ехр(— е сг/ к ). (1) © Г. И. ЛЬВОВ, С. В. ЛЫСЕНКО, Е. Н. ГОРАШ, 2008 ^SSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 37 Чтобы установить различное влияние температуры на диффузионную ползучесть и поперечное скольжение дислокаций, вводятся две разные функ циональные зависимости: первая - в определяющее уравнение для скорости деформации ползучести; вторая - в эволюционное уравнение, определя ющее скорость повреждаемости. Для описания этих зависимостей от темпе ратуры используется функция Аррениуса [4]: А(Т) = А ехр(- £ а / Я Т ); В(Т) = В ехр(- £ р / Я Г ). (2) Для одноосного напряженного состояния уравнения ползучести и по вреждаемости с учетом деформационного упрочнения для полей перемен ной температуры имеют следующий вид: Г. И. Львов, С. В. Лысенко, Е. Н. Гораш d e cr гг I a Y = A (T )H (e c Л— 1 , (3, dm a ’ — = B ( T ) ------ . d t ( 1 -m ) 1~77 = B ( T ) ^ — i ■ (4) В уравнениях (1)-(4) введены обозначения: e cr - деформация ползу чести; t - время; a - одноосное напряжение; Q а и Q р - энергии акти вации; Т - абсолютная температура; А, В , С , n, m, k , I - константы ползучести материала; m - скалярный параметр повреждаемости, 0 < m< m * (m * - критическое значение параметра повреждаемости, соответствующее времени до разрушения t ). Количество констант можно сократить, если вместо энергий активации процессов ползучести Q а и повреждаемости Q р , а также универсальной газовой постоянной ввести в рассмотрение следующие две константы ползу чести: h = Q а /R ; p = Q р /R . (5) Для типичной жаропрочной стали значения температурных энергий активации процессов ползучести Q а и повреждаемости Q р разные. Наряду с другими константами материала они определяются с помощью набора экспериментальных кривых ползучести для широкого диапазона напряже ний и температур. Проинтегрировав по времени эволюционное уравнение повреждаемос ти (4) в предположении постоянных значений напряжения (a = const) и температуры (Т = const), получим функцию m(t ) в виде m ( t ) = 1 - [1 - ( I + 1)B exp( p /T ) a m t ]1/(l+1). (6) Время до разрушения г может быть определено, если в уравнении (6) принять т = 1: г* =1/ [ ( I + 1)Вехр( р /т ) а т ]. (7) 38 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 5 Ползучесть и длительная прочность компонентов С учетом функции т (t ) в виде (6) определяющее уравнение (3) инте грируется в предположении постоянного напряжения (о = const): £ cr ( t ) = k ln[(1 + C )exp(C(t) /k ) - C ], A e x p \P j h jo "- " B (n - l - 1) l-n+1 1 - ( 1+ 1)B exp \|- T \ ° m t l+1 - 1 (8) В соответствии с известными механизмами деформации [5] скорость деформации ползучести на первой и второй стадиях ползучести зависит в основном от интенсивности напряжений. На третью стадию ползучести, ускоряемую повреждаемостью, дополнительно влияет вид напряженного состояния. Для многоосного напряженного состояния классическая изотропная концепция Качанова-Работнова-Хейхерста [6], которая опирается на степен ную зависимость для функции напряжений и скалярный параметр повреж даемости, дополнена составляющими от времени и функцией упрочнения: 3 ££ cr = _ экв 2 о s; vM / 1 + C exp £ cr С cjt. w 11 о 1 - а (9) а = в ex p \|- \ / / \ \ i p j (\ 0 экв/) (10) Здесь ё сг - тензор скорости деформации ползучести; 66 - скорость повреж- / 1/2 даемости; а у = [3/2 х -х ] - интенсивность напряжений; 5 - девиатор тен зора напряжений; а 6кв - эквивалентное напряжение, используемое в форме, предложенной в [7], = а о j + (1 - а )о v (11) cr k где а ! - максимальное главное напряжение; а - весовой коэффициент, или коэффициент влияния, определяющий величину влияния главных механиз мов повреждаемости на эволюцию повреждаемости (в основном определя ется напряжениями а : или а у). Коэффициент а принимаем равным 0,3 как усредненное значение для жаропрочных сталей [8], которые исполь зуются в производстве элементов газовых турбин. В модели ползучести с учетом повреждаемости (9), (10) выполняется условие несжимаемости, а накопление повреждений происходит только при положительном эквивалентном напряжении: (а экв) = а экв V а экв > °; (а экв) = 0 V а экв ^ ° (12) ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 5 39 Г. И. Львов, С. В. Лысенко, Е. Н. Гораш Процедура идентификации констант ползучести материала при пере менной температуре детально описана в [9-11]. Суть ее состоит в аппрок симации методом наименьших квадратов экспериментальных кривых ползу чести, полученных в широком диапазоне температур и напряжений. Для неизотермической модели ползучести, адекватно описывающей все три ста дии ползучести, определяются девять констант ползучести. Сначала обраба тываются участки установившейся ползучести. Зависимость между мини мальной скоростью ползучести и напряжением, записанная в двойных лога рифмических координатах, аппроксимируется методом наименьших квадра тов. Это позволяет вычислить независимую от температуры константу п и ряд температурно-зависимых констант ползучести A j ( j = 1 ,2 ,..., <р). По следний массив данных довольно точно аппроксимируется методом наимень ших квадратов с использованием функции в форме Аррениуса (2) от темпе ратуры. В итоге определяются еще две константы A и h для участка установившейся ползучести. На следующем этапе анализируется третий участок - участок ускоренной ползучести, предшествующий разрушению. Здесь прежде всего определяется усредненная константа l, которая регули рует кривизну участков третьей стадии кривых ползучести. Затем устанав ливается зависимость между временем до разрушения и напряжением, запи санная в двойных логарифмических координатах. С использованием метода наименьших квадратов и функции Аррениуса (2) определяются еще три константы для третьей стадии ползучести: m, B , p . На заключительном этапе вычисляются усредненные константы С , к, которые характеризуют первую стадию ползучести. Методика идентификации констант автоматизи рована в программе MO Excel. При исследовании длительной прочности конструкций можно пренебречь деформационным упрочнением на первой стадии ползучести и ограничиться минимальным набором из шести констант ползучести: A, n, h, B, m, p . Для жаропрочной стали 12CrMoWNiVNbN по изложенной методике определены их значения: A = 3 ,95-10“3 [МПа-п/ч]; n = 5,6253; h = 15950; B = 3 ,74 -10“4 [МПа-т/ч]; m = 8,0438; p = 18550. Разработана подпрограмма на языке программирования FORTRAN, в которой используется модель неизотермической ползучести. Она внедрена в конечноэлементный код инженерного программного комплекса ABAQUS 6.6 с использованием его стандартных подпрограмм “USDFLD” и “CREEP”. Вве дены дополнительные переменные состояния для параметра повреждаемос ти и эквивалентной деформации ползучести. Процесс интегрирования сис темы дифференциальных уравнений (9), (10) по времени автоматически заканчивается, когда параметр повреждаемости достигает критического зна чения т * = 0,9. При этом формируется текстовый файл, в котором регистри руется полная информация о разрушении конструкции. Выполнен расчет неизотермической ползучести с учетом поврежда емости корпуса газовой турбины высокого давления, которая функциони рует в неоднородном тепловом поле. Построена осесимметричная модель 40 ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2008, № 5 Ползучесть и длительная прочность компонентов корпуса, нагруженного внутренним давлением Р = 5 МПа, с дискретно заданными температурными граничными условиями в диапазоне Т = 381... ... 535°С, которые использованы из предварительно решенной задачи неста ционарной теплопроводности корпуса газовой турбины. Конечноэлементная модель корпуса (рис. 1,а) содержит 1777 осесим метричных элементов САХ4Т, в которых узловые степени свободы вклю чают перемещения и температуру. Особо выделен конечный элемент (КЭ) под номером 1419 (рис. 1,6), где прогнозируется максимальное напряженно- деформированное состояние с последующим накоплением повреждений и разрушением конструкции. а б Рис. 1. Конечноэлементная модель корпуса газовой турбины: а - полная модель; б - участок опасного напряженно-деформированного состояния. На первом этапе решается стационарная задача теплопроводности и задача термоупругости. Неоднородное тепловое поле представлено на рис. 2. Затем решается задача ползучести с повреждаемостью методом шагов по времени с автоматическим выбором шага. Параметр повреждаемости ш достигает критического значения в 1419-м конечном элементе в момент времени разрушения г * = 25663 ч. На рис. 2,б показано конечное распре деление эквивалентного напряжения по Мизесу в этот момент времени. В частности, в 1419-м КЭ происходит перераспределение в процессе ползу чести эквивалентного напряжения по Мизесу (рис. 3). Подобным образом изменяется также другое эквивалентное напряжение, связанное с видом напряженного состояния (11). Эквивалентные напряжения снижаются в не сколько раз, что аналогично процессам образования шейки при разрыве опытных образцов. При ползучести также перераспределяются деформации ползучести и повреждаемости. Они возникают на внутренней поверхности корпуса, но с течением времени их максимальные значения смещаются на внешнюю поверхность корпуса и достигают пика именно в 1419-м КЭ. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 41 Г. И. Львов, С. В. Лысенко, Е. Н. Гораш Рис. 2. Распределение в корпусе турбины температуры, Т °С (а) и напряжения по Мизесу. МПа (б) в момент разрушения. а, МПа Рис. 3. Перераспределение напряжений по Мизесу в 1419-м КЭ. На рис. 4 представлено конечное распределение основных характерис тик неизотермической ползучести с повреждаемостью: эквивалентной де формации ползучести є скв и скалярного параметра повреждаемости ю в момент разрушения корпуса газовой турбины. В укрупненном масштабе там же показано распределение параметра повреждаемости ю в области, кото рая охватывает 1419-й КЭ. Историю накопления повреждений в процессе ползучести в одной интеграционной точке 1419-го КЭ иллюстрирует рис. 5. Применение неизотермической теории длительной прочности позво ляет не только более точно оценить ресурс работы газовой турбины, но и изучить процессы перераспределения характеристик напряженно-деформи рованного состояния, предшествующие разрушению конструкции, на новом качественном уровне. 42 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2008, N2 5 Ползучесть и длительная прочность компонентов Ґ X а б Рис. 4. Распределение основных переменных состояния при разрушении: а - деформации ползучести £^в; б - параметр повреждаемости т. т 0,8 0,6 0,4 0,2 и 0 5 -и -о к и г-104, с Рис. 5. Накопление параметра повреждаемости т в 1419-м КЭ. Р е з ю м е Традиційну модель континуальної механіки руйнування Качанова-Работно- ва-Хейхерста розширено на випадок змінної температури і деформаційного зміцнення. Швидкості повзучості і пошкоджуваності приймаються залеж ними від температури. Отриману модель неізотермічної повзучості і по шкоджуваності було упроваджено в скінченноелементний код універсаль ного комплексу ЛБЛ риЗ. Тестування математичної моделі виконано на осесиметричній задачі для корпусу газової турбіни. 1. К ачанов Л . М . О времени разрушения в условиях ползучести // Изв. АН СССР. Отд-ние техн. наук. Механика и машиностроение. - 1958. - 8. - С. 26 - 31. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 43 Г. И. Львов, С. В. Лысенко, Е. Н. Гораш 2. Р абот нов Ю . Н . Проблемы прочности материалов и конструкций. - М.: Наука, 1959. - С. 5 - 7. 3. H ayhurst D. R . Computational continuum damage mechanics: its use in the prediction of creep in structures: past, present, and future // Creep in Structures / Eds. S. Murakami and N. Ohno. - Dordrecht: Kluwer, 2001. - P. 175 - 188. 4. P errin I. J. a n d H ayhurst D. R. Creep constitutive equations for a 0.5Cr- 0.5Mo-0.25V ferritic steel in the temperature range 600-675oC // Strain Analysis. - 1996. - 31, No. 4. - P. 299 - 314. 5. A ltenbach H . Creep and Damage in Materials and Structures // CISM Courses and Lectures. - Wein; New York: Springer, 1999. - 399. - 348 p. 6. G orash E ., L vov G., H a rder J ., et. al. Comparative analysis of the creep behaviour in a power plant component using different material models // Creep and Fracture in High Temperature Components - Design and Life Assessment Issues, ECCC, ImechE. - London, 2005. - 12 p. 7. Leckie F. A. a n d H ayhurst D. R . Constitutive equations for creep rupture // Acta Met. - 1977. - 25. - P. 1059 - 1070. 8. H yde T. H ., Sun W., and W illiam s J. A . Creep analysis of pressurized circumferential pipe weldments - a review // Strain Analysis. - 2003. - 38, No. 1. - P. 1 - 29. 9. K ostenko Y., L vov G., G orash E ., et. al. Power plant component design using creep-damage analysis // Proc. of IMECE2006: ASME Int. Mech. Eng. Cong. and Exposition. - ASME, 2006. - 10 p. 10. Г ораш Е. H ., Л ы сенко С. В., Л ьвов Г. И . Неизотермическая ползучесть и повреждаемость элементов паровых турбин // BicH. НТУ “ХП1”. Дина- мжа та мщтсть машин. - 2006. - 21. - С. 75 - 88. 11. Л ьвов Г. И ., Л ы сенко С. В., Г ораш Е. Н . Применение изотропной модели ползучести с учетом повреждаемости и упрочнения к неизотер мическим расчетам длительной прочности: Тез. докл. конф. “Актуаль ные проблемы прикладной математики и механики” (АППММ’06). - Харьков, 2006. - С. 76. Поступила 25. 10. 2007 44 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 5

Ползучесть и длительная прочность компонентов газовых турбин с учетом неоднородного распределения температур

Institution

Ähnliche Einträge