Ви є тут

Деформирующая способность парных рабочих лопаток газотурбинных двигателей в условиях воздействия центробежных сил и температуры

Автор: 
Адаменко Александр Яковлевич
Тип роботи: 
ил РГБ ОД 61
Рік: 
3408
Артикул:
1010
179 грн
Додати в кошик

Вміст

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ..................................................... 4
1. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ ДЕМПФИРОВАНИЕ
КОЛЕБАНИЙ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН................... II
1.1 Демпфирующие свойства турболопаточных материалов........................................’ 12
1.2 Конструкционное рассеяние энергии в замковых соединениях лопаток с диском........................... 24
1.3 Демпфирующая способность бандажных соединений ................................................... 32
1.4 Постановка задачи исследования .................... 38
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕМПФИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РАБОЧИХ ЛОПАТОК И ИХ МОДЕЛЕЙ В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ
СИЛ И ТЕМПЕРАТУРЫ......................................40
2.1 Экспериментальная установка........................ 40
2.2 Объекты исследования и особенности подготовки
к эксперименту.................................. 55
2.3 Особенности методики определения характеристик демпфирования колебаний вращающихся стержней...................................... 68
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕМПФИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТУРБОЛОПАТОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С РАЗЛИЧНЫМ МЕХАНИЗМОМ РАССЕЯНИЯ ЭНЕРГИИ................................................ 84
3.1 Краткая характеристика исследуемых материалов
и условия проведения эксперимента............... 84
3.2 Демпфирующая способность стержней из материала с магнитомеханическим механизмом рассеяния энергии..............................................89
3.3 Демпфирующая способность стержней из материалов с микропластическими механизмами рассеяния энергии...................................102
з
3.4 Оценка влияния поля центробежных сил на
демпфирующую способность материалов в условиях нормальной и повышенных температур .... 114
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕШФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ПАРНЫХ
ЛОПАТОК С СОСТАВНЫМ ЕЛОЧНЫМ ХВОСТОВИКОМ.....................123
4.1 Расчетная модель лопаток..............................124
4.2 Анализ резонансных колебаний к характеристик демпфирования расчетной модели лопаток при различной расстройке частот подсистем.....................127
4.3 Исследование резонансных колебаний стержневых
моделей лопаток на вращающемся диске ..... 140
4.4 Характеристики демпфирования колебаний моделей лопаток в поле центробеленых с ил при нормальной и повышенной температурах ...................146
4.5 Демпфирующая способность натурных турбинных лопаток.................................................161
5. ВИБРОНАПЕЯШПЮСГГЬ И ДЕМПФИРУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ
ПОПАРНО БАНДАЖИРОВАННЫХ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ... 175
5.1 Анализ зависимости уровня вибронапряженности моделей и натурных лопаток от условий сопряжения бандажных полок и конструктивных параметров лопаток............................................176
5.2 Исследование вибронапряженности натурных лопаток в поле центробежных сил и температуры при различных условиях сопряжения бандажных полок . 187
5.3 Оценка характеристик демфирования колебаний лопаток в поле центробежных сил к температуры при различных условиях сопряжения бандажных
полок................................................201
5.4 Сравнительная оценка уровня вибронапряженности попарно бандажированных лопаток...................206
основные вывода.................................................212
СПИСОК ОСНОВНОЙ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.......................216
ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................236
4
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современного транспортного турбостроения сопровождается интенсификацией рабочих процессов, увеличением напряженности элементов конструкции при одновременном стремлении к уменьшению материалоемкости, повышению прочности, надежности и ресурса создаваемых изделий.
Снижение материалоемкости авиационных газотурбинных двигателей путем устранения избыточных запасов прочности обусловило возрастание доли прочностных дефектов (более 60 %) в общей массе отказов, выявленных в процессе доводки изделий, причем в 70 % случаев прочностные дефекты имеют вибрационное происхождение [ 50
Надежность работы газотурбинных двигателей (ГТД) в значительной степени определяется прочностью рабочих лопаток ротора, находящихся в тяжелых условиях силового и теплового воздействия. Наибольшую опасность для рабочих лопаток представляют переменные нагрузки, возникающие вследствие окружной неравномерности газового потока или вращающегося срыва £ 20,
109, 123 У. При определенных условиях возникают резонансные колебания, сопровождающиеся высокими циклическими напряжениями, которые зачастую приводят к усталостному разрушению лопаток.
Традиционный способ исключения резонансных колебаний путем отстройки собственных частот лопаток, используемый в практике стационарного турбостроения, имеет ограниченное применение для транспортных турбомашин с переменным числом оборотов ротора.
В условиях, близких к резонансным, уровень динамических напряжений в лопатках при заданной величине возмущающих сил
определяется интенсивностью демпфирования их колебаний, обусловленного рассеянием энергии в материале лопатки, конструкционным гистерезисом в сочленениях и аэродинамическим сопротивлением газового потока.
Вопросы аэродинамического демпфирования колебаний лопаток, нашедшие отражение в известных работах /*20, 109, 123], как и возбуждения колебаний лопаток здесь не рассматриваются.
Эффективность каждого вида демпфирования для данных типа материала и жесткости пера лопатки, конструкции замкового и бандажного соединений, в значительной степени зависит от фак- • торов, обусловленных специфическими особенностями работы турбоагрегата. Для рабочих лопаток авиационного газотурбинного двигателя к числу таких факторов, действующих одновременно, относятся температура и центробежные силы. Однако к настоящему времени накоплено крайне мало сведений о совместном влиянии статического растяжения и температуры на демпфирующие свойства турболопаточных материалов и практически полностью отсутствуют данные о влиянии центробежных сил на демпфирование колебаний лопаток или их моделей в условиях рабочих температур.
Отсутствуют также результаты исследований особенностей колебаний парных лопаток с учетом их связанности и наличия расстройки частот, а также демпфирующей способности замковых и бандажных соединений парных лопаток на вращающихся дисках при высокой температуре, т.е. в специфических условиях работы реальной турбины. Использование упрощенных методик, имитирующих действие центробежных сил, а также неучет воздействия температуры и связанного характера колебаний лопаток на диске не позволяет в ряде случаев получить достоверные количественные оценки и выявить качественно важные особенности демпфиро-
6
вания колебаний парных лопаток.
В связи с этим возникает необходимость проведения комплексных исследований демпфирующей способности парных рабочих лопаток турбомашин с учетом типа их материала, замкового и бандажного соединений в условиях, максимально приближенных к реальным.
Целью настоящей работы является изучение демпфирующей способности парных рабочих лопаток современных газотурбинных авиационных двигателей и их стержневых моделей при наиболее опасных для лопаток изгибных колебаниях в условиях совместного воздействия центробежных сил и температуры и оценка вклада в этих условиях рассеяния энергии в материале, замковом и бандажном соединениях лопаток.
Для решения поставленной задачи выполнено следующее:
- в лабораторных условиях практически реализовано совместное воздействие на модели и натурные лопатки центробежных сил и температуры путем разработки и создания на базе существующего стенда [ 117 У установки КД-4М с более широкими возможностями;
- разработана методика оценки демпфирующей способности турболопаточных материалов при поперечных колебаниях в условиях воздействия центробежных сил с использованием установленных на вращающемся диске и кинематически возбуждаемых образцов камертонного типа с некоторой расстройкой их частот;
- оценены демпфирующие свойства ряда турболопаточных материалов при раздельном и совместном действии центробежных сил и температуры и показана погрешность при их определении путем простого суммирования эффектов от раздельного влияния температуры и растягивающих напряжений;
7
- определена демпфирующая способность стержневых моделей лопаток с составным и цельным елочным хвостовиком на вращающемся диске в условиях нормальной и повышенной температур;
- рассмотрено влияние разночастотности лопаток с составным хвостовиком на их вибронапряженность и демпфирующую способность в условиях воздействия центробежных сил и температуры;
- проведен аналитический анализ резонансных колебаний модели системы парных лопаток с составным хвостовиком с учетом их упруго-диссипативной связанности;
- проведено экспериментальное исследование демпфирующей способности попарно баядажированных натурных рабочих лопаток с различными условиями сопряжения полок в широком диапазоне частот вращения диска при рабочей температуре.
В диссертационной работе показано, что наличие статических растягивающих напряжений от центробежных сил и температуры приводит к более интенсивному подавлению демпфирующей способности материала с выраженным магнитомеханическим гистерезисом (сталь 12X13, отпуск 750 °С) по сравнению с простым суммированием эффектов от раздельного воздействия этих факторов, при этом максимальная погрешность достигает 80 %.
Для материалов, рассеяние энергии в которых обусловлено в основном микропластическими деформациями (сталь 12X13, отпуск 420 °С, титановый сплав ВТЗ-1, никелевый сплав ХН77ТЮР), совместное действие температуры и центробежных сил приводит к повышению демпфирующей способности и для некоторых из них (12X13, ХН77ТЮР) это воздействие близко к простому суммированию эффектов от каждого фактора в отдельности.
Аналитическое и экспериментальное исследование колебаний
парных лопаток с составным хвостовиком, обладающих незначительной (до 5 %) частотной расстройкой, показали возможность возникновения близкой к противофазной формы колебаний при синфазном возбуждении. Вибронапряженность лопаток при этом может повыситься до 4 раз по сравнению с настроенной системой (при равенстве собственных частот отдельных лопаток), что обусловлено резким снижением (до 30 раз) демпфирующей способности замкового соединения. В этом случае демпфирование колебаний происходит в основном за счет рассеяния энергии в материале лопаток.
При синфазных колебаниях парных лопаток потери энергии в замковом соединении с составным хвостовиком более чем на порядок превышают рассеяние энергии в материале и выше, чем у соединения с цельным хвостовиком в 3 раза при комнатной температуре и в 5,8 раза при 500 °С.
Исследования демпфирующих свойств попарно бандажирован-ных лопаток показали эффективность введения натяга по бандажным полкам не только для интенсивного демпфирования синфазных колебаний, обусловливающего по сравнению с постановкой лопаток с зазором снижение уровня динамических напряжений по первой изгибной форме в 10...15 раз, но и для устранения опасных противофазных колебаний лопаток. Установлено, что демпфирующая способность бандажного соединения повышается в условиях рабочих температур и для каждой скорости вращения существует оптимальное значение натяга по бандажным полкам, обеспечивающее минимальную вибронапряженность лопаток. Показано, что при рабочей температуре на проходных оборотах возможно ослабление натяга и даже появление зазора между полкаш, сопровождающееся ухудшением диссипативных свойств бандажного
а
V/
соединения.
Практическая ценность выполненной работы состоит в следующем.
Разработанная в диссертации методика определения демпфирующей способности материалов при кинематическом возбуждении колебаний образцов камертонного типа с некоторой расстройкой их частот может быть использована и в других установках для сведения к минимуму перекачки энергии между исследуемыми образцами и упругими элементами установки.
Созданная установка ВД-4М практически реализует возможность оценки демпфирующей способности рабочих лопаток ГТД в экстремальных условиях силового и теплового нагружения.
Полученные закономерности изменения диссипативных свойств турболопаточных материалов, замковых и бандажных соединений и натурных попарно-бандажированных лопаток в условиях совместного действия поля центробежных сил и температуры позволят., правильно оценивать демпфирующую способность рабочих лопаток в реальных условиях эксплуатации.
Показанная в работе возможность возникновения близких к противофазным колебаний парных лопаток даже в условиях синфазного возбуждения устанавливает одну из причин разброса вибронапряжений лопаток, регистрируемого при стендовых испытаниях авиадвигателей.
Приведенные рекомендаций по назначению начальных условий сопряжения бандажных полок лопаток при сборке позволят-увеличить надежность и ресурс работы ГТД, в конструкции которых используются попарно бандажированные лопатки.
Результаты исследований внедрены на Запорожском ПО "Моторостроитель" с экономическим эффектом 68 тыс.руб.
Основные положения диссертационной работы нашли отраже-
10
ние в работах [ 1...7, 36, 121У и обсуждались на ХП и ХШ конференциях по вопросам рассеяния энергии при колебаниях механических систем (Киев, 1980 г., 1983 г.); научно-производственной конференции, посвященной 112-й годовщине со дня рождения В.И.Ленина (Житомир, 1982 г.); всесоюзном научном совещании по проблемам прочности двигателей (Москва, 1984 г.); тематическом семинаре "Усталость и колебания" (1984 г.) и научных семинарах отдела вибрационной надежности (1980-1984 г.г.) Института проблем прочности АН УССР.
Работа выполнена в отделе вибрационной надежности Института проблем прочности АН УССР в рамках Республиканской целевой комплексной научно-технической программы РН.Ц.ООЗ "Снижение материалоемкости оборудования и сооружений".
Автор выражает глубокую благодарность коллективу отдела вибрационной надежности Института проблем прочности АН УССР за помощь, оказанную при выполнении данной работы.
Особую признательность автор выражает научному руководителю лауреату Государственной премии СССР, доктору физико-математических наук, профессору Валентину Владимировичу Матвееву и кандидатам технических наук, старшим научным сотрудникам Ивану Гордеевичу Токарю и Анатолию Павловичу Зиньковскому за повседневное внимание, всестороннюю поддержку и дружескую помощь при Выполнении настоящей работы.
II
I. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ОБУСЛОВЖВАКВДЕ ДЕМПФИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН
Демпфирующая способность рабочих лопаток, характеризуемая обычно логарифмическим декрементом колебаний, определяется рассеянием энергии в их материале и так называемым конструкционным рассеянием энергии, обусловленным трением в замковых и бандажных соединениях при колебаниях. Как уже отмечалось во введении, аэродинамическое демпфирование колебаний лопаток, обусловленное сопротивлением обтекающего потока, здесь не рассматривается.
Практикой установлено /*72, 97 ], что логарифмический декремент колебаний, обусловленный гистерезисными потерями энергии в материале лопаток, не превышает, как правило,
2...3 %, тогда как за счет конструкционного рассеяния энергии он может достигать 6...7 % и более.
В зависимости от конструкционных особенностей и специфических условий работы турбоагрегата вклад каждого из перечисленных источников потерь энергии в общий уровень демпфирования будет различным. Так, для длинных и тонких лопаток компрессоров, жестко закрепленных в диске и не имеющих бандажных связей, определяющим, кроме аэродинамических потерь энергии, будет рассеяние энергии в материале. В случае относительно длинных лопаток с бандажными связями основными могут быть потери энергии на трение в бандажных сочленениях, а для коротких и жестких лопаток первых ступеней турбины определяющим будет конструкционный гистерезис в замковом соединении.
12
1.1 Демпфирующие свойства турболопаточных материалов
В процессе деформирования любой материал способен в той или иной мере поглощать энергию колебаний, что обусловлено его несовершенной упругостью Г31, 52 , 90 Для конструкционных материалов существует несколько механизмов рассеяния энергии С49, 52, 94, 98, 135 и др. У, однако для используемых в настоящее время турболопаточных сплавов в области характерных для инженерной практики амплитуд циклических напряжений и частот нагружения известно два основных механизма: гистере-зисное рассеяние энергии, обусловленное микропластическими деформациями и магнитомеханический гистерезис (ММГ). В первом случае гистерезис обусловлен необратимыми перемещениями дислокаций под воздействием циклических напряжений. Чем выше напряжения - тем интенсивнее протекает этот процесс, в результате которого в микрообъемах материала возникают микропласти-ческие деформации [ 31 ], обусловливающие рассеяние энергии в материале.
Следует отметить, что с повышением плотности дислокаций, а также с увеличением количества примесных атомов происходит частичная блокировка дислокаций и, как следствие, уменьшение демпфирования за счет микропластических деформаций.
Для ферромагнитных материалов основным механизмом демпфирования является ММГ [ 139 ]. Переменные напряжения при колебаниях вызывают циклические перемещения границ доменов -малых областей в ферромагнетике, каждая из которых намагничена до насыщения вдоль какого-то определенного направления.
Этот процесс, являясь необратимым, требует подвода механической энергии. Демпфирование колебаний, обусловленное ММГ, об-
ладает ярко выраженной амплитудной зависимостью, которая может иметь экстремумы. Наложение внешнего магнитного поля, создание внутренних напряжений в материале уменьшают проявление ММГ. С потерей магнитных свойств ферромагнетика при нагреве ГМГ также исчезает Г45 ].
Рассеяние энергии колебаний, обусловленное микропласти-ческими деформациями и ММГ практически не зависит от частоты циклического деформирования в диапазоне ее изменения, характерном для работы большинства деталей машин /*30 , 31, 45 , 52 , 94 J.
Преобладание одного из механизмов демпфирования обусловливает отличие в характере изменения демпфирующей способности различных материалов от амплитуды циклического деформирования, технологии термо-механической обработки, температуры, трени-. ровки, старения, асимметрии цикла, размера и формы деталей, вида и формы их колебаний, наличия магнитного поля и ряда других факторов. Рабочие лопатки турбин подвергаются воздействию значительных центробежных сил и высоких температур.
Рассмотрим влияние этих эксплуатационных факторов на демпфирующие свойства материала лопаток.
1.1.1 Влияние температуры
Одно из первых систематических исследований этого вопроса было проведено на образцах-камертонах, изготовленных из турболопаточных материалов различных классов, в широком температурном диапазоне [ 147 _/. Для аустенитного сплава наблюдалось монотонное увеличение логарифмического декремента колебаний с повышением температуры во всем рассмотренном диапазоне циклических напряжений. Для стали с 13 $-ным содержанием хрома наблюдалась более сложная зависимость: при отно-
14
сительно небольших амплитудах напряжений (до 80 МПа) логарифмический декремент увеличивался с ростом температуры до 400 °С, а при напряжениях, превышающих 160 МПа, наблюдалась обратная картина. Авторы не объяснили различие полученных зависимостей.
При исследовании демпфирующей способности отечественный хромистой турболопаточной стали 1X13 с повышением температуры до 450...500 °С наблюдалось некоторое снижение логарифмического декремента, а при дальнейшем нагреве - резкое увеличение демпфирующей способности С127 ]. Такой характер температурной зависимости автор объяснил выделением в указанном диапазоне температур карбидов из твердого раствора, затрудяющих процесс микропластического деформирования. Дальнейшее повышение температуры приводило к вторичному растворению карбидов и повышению пластичности основной фазы - феррита. Следствием этих процессов и являлось резкое повышение логарифмического декремента при температурах выше 500 °С. Характерно, что при низких уровнях циклических напряжений, меньших 30 МПа, наблюдалось монотонное увеличение логарифмического декремента колебаний с повышением температуры во всем диапазоне ее изменения /" 26,
127 7.
Последующие исследования демпфирующей способности хромистых турболопаточных сталей 1X13, 2X13 и их зарубежных аналогов /”22 , 27 , 80...82 , 88, 1387 показали типичную для сталей этого класса зависимость: при амплитуде циклических напряжений, превышающей определенное значение, наблюдали аномальное снижение логарифмического декремента колебаний образцов с повышением температуры как при изгибных /~80 , 88, 138У, так и при продольных /”22, 957 колебаниях. Минимальное значение декремента наблюдали при температурах от 400 до 500 °С: с даль-, нейшим ростом температуры происходило резкое повышение демпфи-
15
рующих свойств этих сталей.
Полученные закономерности можно также объяснить исходя из магнитомеханического механизма рассеяния энергии [45, 139 J. Согласно /*45 ] в ферромагнитных сталях при комнатной температуре существуют дополнительные потери энергии, обусловленные проявлением ММГ. С повышением температуры происходит постепенное снижение магнитострикционного эффекта вплоть до его полного исчезновения при достижении температуры точки Кюри. Вместе с тем, дальнейшее повышение температуры способствует развитию микропластического механизма рассеяния энергии.
При испытаниях модифицированных турболопаточных сталей мартенситного и мартенситно-ферритного классов также обнаружено аномальное снижение декремента колебаний в области температур 300...500 °С, которое связывается со снятием внутренних напряжений /"84, 85 У или прохождением процесса начальной стадии выпадения субмикроскопических дисперсных зарождений карбидной фазы Г127У. К сожалению, отсутствие в указанных работах данных испытаний демпфирующей способности этих сталей в магнитном поле не позволяет оценить вклад магнито-механи-ческой составляющей демпфирования, иногда довольно существенный /"45, 129, 150_7, в общий уровень рассеяния энергии при колебаниях.
Следует отметить, что вклад магнитомеханического демпфирования будет зависеть от внутренних остаточных напряжений в материале, обусловленных термомеханической обработкой /”66, 88 _7. Возникающие при закалке или наклепе внутренние напряжения препятствуют процессам смещения границ доменов, резко уменьшая проявление ММГ. Так, при испытаниях стали 1X13 /"81У в закаленном состоянии не обнаруживалось аномального снижения декремента колебаний с повышением температуры испы-
16
таний. Влиянием наклепа можно объяснить также некоторое повышение логарифмического декремента сталей с явно выраженным ММГ при нагреве до 100...200 °С, образцы которых не подвергались отпуску после механической обработки [ 46, 136 ]. При дальнейшем увеличении температуры до 500 °С происходило падение логарифмического декремента с последующим его ростом при более высоких температурах. При повторном нагреве первоначальное повышение декремента в области невысоких температур исчезало, а падение декремента оставалось, распространяясь теперь уже на весь диапазон температур от 20 до 500°С, что объясняется снятием при первоначальном нагреве внутренних напряжений, блокировавших смещение границ доменов. Результатом отжига можно объяснить и более высокие значения демпфирующей способности образцов из хромистых сталей в процессе цикла охлаждения или повторного нагрева по сравнению с данными, полученными при первоначальном нагреве [ 22, 23 ].
Демпфирующая способность ферромагнитных сталей с подавленным ММГ, а также парамагнитных турболопаточных материалов обусловлена, в основном, микропластическим механизмом рассеяния энергии, что отражается на температурной зависимости логарифмического декремента этих материалов. Многочисленными исследованиями установлено значительное повышение их демпфирующей способности с приближением к максимальной рабочей температуре, что согласуется с основными положениями дислокационной теории внутреннего трения /"49, 90, 98, 125, 132 и др..у7, однако характер изменения логарифмического декремента при повышении температуры не всегда бывает однозначным. В одном из первых исследований [ 26 У для аустенитной стали наблюдался минимум.на температурной зависимости в диапазоне 200...300 °С. Сложный характер изменения логарифмического декремента коле-
I?
баний образцов из аустенитной стали наблюдался в работе /"148_7. С ростом температуры до 250...300 °С происходило увеличение уровня демпфирования, затем снижение до минимального значения при 400...500 °С с последующим увеличением при более высоких температурах.
Демпфирующая способность жаропрочных сплавов на никелевой основе (ЖСЗ,ЭИ617, ЭИ437Б, ЭИ602, ВЖ98), незначительная при комнатной температуре, монотонно увеличивается с повышением температуры вплоть до рабочих температур [76 _7. Аномальное снижение декремента наблюдалось у сплавов ВЖ98 и ЖСЗ при температурах, превышающих 800 и 900 °С соответственно.
Низкий уровень рассеяния энергии при комнатной температуре в сплавах, предназначенных для работы в условиях высоких (до 800...900 °С) температур, обусловлен весьма низкой их пластичностью из-за большого количества препятствий движению дислокаций в виде дисперсных выделений карбидных и интерме-таллидных фаз.
Дальнейшие исследования демпфирующей способности жаропрочных сталей и сплавов ЭИ415, ЭИ607А, ЭИ696М, ЭИ867А,
КС6К и др. /"16 , 66 , 79 , 95, 132, 134_7также показали, как правило, возрастание декремента колебаний с повышением температуры. Интенсивность этого роста увеличивается по мере приближения к максимальной рабочей температуре, что объясняется обычно понижением сопротивляемости материала микроплас-тическим деформациям.
Исключение составляет область невысоких температур от 100 до 400 °С для аустенитных сталей и никелевых сплавов /*16, 957, образцы которых не подвергались термообработке после изготовления. При первом цикле нагрева наблюдалось некоторое снижение логарифмического декремента в указанном
18
диапазоне температур. Это связано с чувствительностью некоторых сплавов к наклепу при механической обработке, который, в отличие от материалов с магнитомеханическим механизмом рассеяния энергии приводит к повышению демпфирующей способности парамагнитных материалов £ 66, 103 £. При рабочих температурах наклеп снимается, поэтому при охлаждении или повторном нагреве указанных аномалий не наблюдали. Для сплавов ЭИ893, ЭП288, ЭП452, стали ЭИ696 £46, 95 £ было отмечено снижение декремента колебаний в области температур до 300 °С также и при повторном нагреве, связанное, по-видимому, с процессами деформационного старения.
Демпфирующая способность титановых сплавов, используемых для изготовления лопаток,практически не изменяется до 200 °С £ 11]. Заметное возрастание демпфирующих свойств сплавов ВТЗ-1, ВТ9, ВТ18 начинается с температур 300...350 °С.
Подводя итог многочисленным исследованиям, можно сделать вывод о том, что с повышением температуры демпфирующая способность материалов, обусловленная микропластическими деформациями, увеличивается, если при воздействии температуры в них не происходит структурных превращений, а проявление магнитомеханического гистерезиса уменьшается.
1.1.2 Воздействие статических напряжений растяжения
Величина статических растягивающих напряжений, обусловленных действием центробежных сил, в корневом сечении лопаток турбомашин достигает значений 250...300 МПа £ 13, 112]. В связи с этим важное практическое значение имеет вопрос оценки влияния статических напряжений растяжения на демпфирующую спо-
19
собность турболопаточных материалов при основных и наиболее опасных для лопаток изгибных колебаниях.
В большинстве случаев зарегистрировано уменьшение логариф-' мического декремента изгибных колебаний образцов с наложением статического растяжения /Г61, 62, 92, 103, 128, 130, 134, 144 J независимо от основного механизма рассеяния энергии в материале.
Для образцов из ферромагнитных материалов с выраженным ММГ( сталей ЭИ961, с отпуском при 580 °С, 14П7Н2, ДИ1) [61,
62 J это уменьшение достигало нескольких раз, а для немагнитных материалов (сталь ЭИ696М, титановый сплав BT3-I, алюминиевый сплав ВД17) и ферромагнитных, но с подавленным ММГ (сталь ЭИ961, с отпуском при 350 или 850 °С) /"62 J наблюдалось или незначительное уменьшение логарифмического декремента колебаний, или даже некоторое его увеличение (сплав ЭП718) /”134_7.
В работе /*63_7 показано, что при определении логарифмического декремента изгибных колебаний растянутых стержней необходимо обязательно учитывать работу сил растяжения на продольных перемещениях при изгибе образцов. Подобным же образом следует учитывать и увеличение потенциальной энергии образцов за счет работы центробежных сил на продольных перемещениях при изгибе стержней, испытываемых на вращающемся диске С 67_7.
Неучет этого обстоятельства может создать иллюзию интенсивного уменьшения демпфирующей способности материала с наложением статического растяжения даже в том случае, когда уровень рассеяния энергии в материале образца на самом деле увеличивается. Если учесть указанное изменение потенциальной энергии стержня /*63_7, то оказывается, что с наложением статических напряжений растяжения демпфирующая способность иссле-
20
дованных материалов с выраженным ММГ снижается, а материалов с микропластическим механизмом рассеяния энергии в зависимости от их состояния может как уменьшаться, так и возрастать. Это в определенной мере качественно согласуется с результатами исследований демпфирования крутильных колебаний растянутых стержней С45, 128, 140 J. Следует заметить, что постановка эксперимента по изучению влияния статического растяжения при крутильных колебаниях наиболее простая и поэтому первые исследования /~45, 140 J проводились именно при этом виде колебаний.
Исследования изгибных колебаний стержней в поле центробежных сил С67, 118... 120, 122J также качественно подтвер дили сделанные выводы о влиянии растягивающих напряжений на диссипативные свойства материалов с различными механизмами демпфирования. Было показано уменьшение демпфирующей способности сталей ЭИ961 (отпуск 730 °С), ІХІЗ (отпуск 580 °С), І4ХІ7Н2 и увеличение дая сплавов Діб, МЦИ, а также стали ІХІЗ (отпуск 800 °С).
Для оценки вклада ММГ в общий уровень рассеяния энергии при колебаниях многие исследователи прибегают к испытаниям ферромагнитных материалов в магнитном поле различной интенсивности, действие которого в некоторой степени подобно действию статических напряжений /"138, 144, 150J. Следует отметить, что ухудшение демпфирующих свойств материалов с выраженным ММГ при наложении растягивающих напряжений происходит только до определенного предела. При дальнейшем увеличении статических напряжений возможно увеличение гистерезисных потерь, обусловленное развитием микропластических деформаций /*63J.
Резюмируя результаты многих исследований, следует отметить, что если для материалов с выраженным ММГ большинство исследователей едины во мнении о подавляющем воздействии ста-
21
тических напряжений на демпфирующие свойства, то для материалов с микропластическим механизмом рассеяния энергии картина более сложная.
До настоящего времени отсутствует единое мнение и о механизме воздействия статических напряжений на рассеяние энергии в материале. Не отрицая эффекта подавления ММГ в поле статических напряжений для ферромагнитных материалов, блокирующих смещение границ доменов, основную причину падения демпфирующей способности материала авторы работ [ 128, 130 7” усматривают в том, что наличие постоянных напряжений, приближая циклы к знакопостоянным, затрудняют проявление эффекта Баушингера в микрообъемах материала, результатом чего и является уменьшение демпфирования. Однако это не объясняет наблюдаемое повышение демпфирующих свойств при асимметричном циклическом нагружении ряда материалов.
Практически отсутствуют также данные о диссипативных свойствах современных жаропрочных сплавов в поле центробежных сил, т.е. в специфических условиях силового нагружения рабочих лопаток турбомашин.
1.1.3 Совместное влияние растягивающих напряжений и температуры
В рабочих условиях лопатки турбомашин подвергаются одновременному воздействию температуры и статических растягивающих напряжений. Поэтому большой практический интерес представляют исследования, посвященные изучению совместного воздействия указанных факторов на демпфирующую способность турболопа-точных материалов при изгибных колебаниях. Однако результаты наших исследований имеются лишь в считанных работах.