Методика расчета распределения температуры по сечению пера лопатки, изготовленной из жаропрочного никелевого сплава


DOI: 10.34759/tpt-2019-11-12-564-572

Авторы

Ратенко О. А.

Московский государственный технический университет гражданской авиации, МГТУ ГА, Кронштадский бульвар, 20, Москва, 125993, Россия

Аннотация

Лопатки турбин, выполненные из жаропрочных никелевых сплавов, подвержены мик­роструктурным изменениям вследствие воздействия высоких температур. К микрострук­турным изменениям, оказывающим существенное влияние на долговечность материала лопаток, относятся огрубление и подрастание основной упрочняющей у’-фазы. Механи­ческие свойства жаропрочных сплавов напрямую зависят от параметров у’-фазы (объем­ной доли, размеров частиц, пространственного расположения, формы частиц). Во время длительной эксплуатации под действием высоких температур размеры, форма и морфо­логия частиц у’-фазы непрерывно изменяются. Работоспособность лопаток турбин глав­ным образом продиктована именно этими изменениями. Увеличение температуры уско­ряет эти нежелательные процессы и, таким образом, значительно снижает работоспособ­ность лопаток. Если температура превышает ограничения, частицы у’-фазы могут полностью раствориться, приводя к внезапному ухудшению высокотемпературных меха­нических свойств и, как следствие, к преждевременному разрушению. В связи с высокой стоимостью замены лопаток первой ступени турбин высокого давления, весьма важным является изучение изменения микроструктуры сплава, вызванного воздействием высоких температур. В работе представлена методика расчета распределения температуры по се­чению пера лопатки турбины газотурбинного двигателя, позволяющая определить тем­пературу материала лопатки в любой точке сечения пера и прогнозировать изменения структуры у’-фазы.

Ключевые слова:

жаропрочные никелевые сплавы, лопатка турбины, у'-фаза, микроструктурные изменения, коагуляция.

Библиографический список

  1. Логунов А.В. Жаропрочные никелевые сплавы для ло­паток и дисков газовых турбин. М.: Московские учеб­ники, 2018. 590 с.

  2. Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей. М.: Наука, 2006. 632 с.

  3. Duhl M.G.D., Giamei A.F. The development of single crystal superalloy turbineblades, Superalloys. Warrendale 41. 1980.

  4. Pollock T.M., Tin S. Ni-basedsuper alloys for advanced turbine engines: chemistry, microstructure, and properties // J. Propul. Power. 2006. 22 (2). P. 361-374.

  5. Reed R.C. The Superalloys: Fundamentals and Applica­tions, Cambridge univer sity press, 2008. 372 c.

  6. Wood M.1, Raynor D. Condition assessment techniques for degraded gasturbine super alloy materials // Int. J. Pres. Ves. Pip. 1996. V. 66. N 1-3. P. 341-350.

  7. Wood M.I Gas turbine hot section components: the chal­lenge of ‘residual life’ assessment // Proc. IME J. Power Energy. Part A. 2000. V. 214 (3). P. 193-201.

  8. Tong J.Y., Ding X.F., Wang M.L., Zheng Y.R., Yagi K., Feng Q. Evaluation of a serviced turbine blade made of GH4033 wrought super alloy // Mater. Sci. Eng.: A. 2014. V. 618. P. 605-613.

  9. Zhao X., Dang Y., Yin H., Yuan Y., Lu J., Yang Z.,

  10. Gu Y. Evolution of the microstructure and microhardness of a new wrought Ni-Fe based super alloy during high temper­ature aging // J. Alloys Compd. 2015. V. 644. P. 66-70.

  11. Epishin A., Link T., Nazmy M., Staubli M., Klin- gelhoffer H., Nolze G. Micro structural degradation of CMSX-4: kinetics and effect on mechanical properties // Superalloys. 2008. 2008. P. 725-731.

  12. Leidermark D., Moverare J.J., Johansson S., Simonsson K., Sjostrom S. Tension/compression asymmetry of a single­crystal superalloy in virgin and degraded condition // Acta Mater. 2010. V. 58 N 15. P. 4986-4997.

  13. Wang C., Guo Y., Guo J., Zhou L. Microstructural chang­es and their effect on tensile properties of a Ni-Fe based al­loy during long-term thermal exposure // Mater. Sci. Eng.: A. 2016. V. 670. P. 178-187.

  14. Ou M., Ma Y., Ge H., Xing W., Zhou Y., Zheng S.,

  15. Liu K. Microstructure evolution and mechanical properties of a new cast Ni-base superalloy with various Ti contents // J. Alloys Compd. 2018. V. 735. P. 193-201.

  16. Tong J.Y., Yagi K., Zheng Y.R., Feng Q. Microstructural degradation and its corresponding mechanical property of wrought superalloy GH4037 caused by very high tempera­ture // J. Alloys Compd. 2017. V. 690. P. 542-552.

  17. Cervellon A., Cormier J., Mauget F., Hervier Z. VHCF life evolution after microstructure degradation of a Ni-based single crystal superalloy // Int. J. Fatig. 2017. V. 104. P. 251-262.

  18. Caron P., Henderson P.J., Khan T., McLean M. On the

  19. effects of heat treatments on the creep behavior of a single crystal superalloy // Scripta Metallurgica. 1986. V. 20(6). P. 875-880.

  20. Maccagno T.M., Koul A.K., Immarigeon J.P., Cutler L., Allem R., L’esperance G. Microstructure, creep pro­perties, and rejuvenation of service-exposed alloy 713C turbine blades // Metall. Trans.A. 1990. V. 21. N 12. P. 3115-3125.

  21. Kim IS., Choi B.G., Hong H.U., Do J., Jo C.Y. Influence of thermal exposure on the microstructural evolution and mechanical properties of a wrought Ni-base superalloy // Mater. Sci. Eng.: A. 2014. V. 593. P. 55-63.

  22. Казанский Д.А. Разработка критериев эксплуатацион­ной надежности для рабочих и направляющих лопаток современных газовых турбин // Электрические станции. 2012. № 2. С. 36-40.

  23. Кириков С.В., Перевезенцев В.Н., Тарасенко Ю.П.

  24. Анализ морфологических характеристик интерметал- лидной фазы в жаропрочных никелевых сплавах // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2016. Т. 15. № 4. С. 216-223.

  25. Yong-sheng Fan, Wei-qing Huang, Xiao-guang Yang, Duo-qi Shi, Shao-lin Li. Mechanical properties deteriora­tion and its relationship with microstructural variation using small coupons sampled from serviced turbine blades// Ma­ter. Sci. Eng.: A. 2019. V. 757. P. 134-145.

  26. Фарлоу С. Уравнения с частными производными для научных работников и инженеров. М.: Мир, 1985. 384 с.

  27. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырный П.И. Нача­ла теории вычислительных методов. Уравнения в част­ных производных. Минск: Наука и техника, 1986. 311 с.

  28. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: «Наука. Главная редакция физико-математической ли­тературы», 1980. 456 с.

  29. Берковский Б.М., Ноготов Е.Ф. Разностные методы исследования задач теплообмена. Минск: Наука и тех­ника, 1976. 144 с.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024