Кинетика поциклового напряженно-деформированного состояния образца с концентратором напряжений

КИНЕТИКА ПОЦИКЛОВОГО напряженно-деформированного состояния ОБРАЗЦА С КОНЦЕНТРАТОРОМ НАПРЯЖЕНИЙ

Академэнерго КНЦ РАН, Казань, Россия

Роторы паровых турбин работают в сложных условиях, так как высокие скорости их вращения и температура среды создают значительные напряжения в металле от эксплуатационных нагрузок.

Прогнозирование фактического ресурса роторов паровых турбин в настоящее время является одной из основных задач диагностики роторов с большой наработкой (сверх паркового ресурса). Парковый ресурс роторов, который определяет минимальный гарантированный срок их эксплуатации, составляет 100 тысяч часов.

При определении остаточного ресурса роторов паровых турбин руководствуются количеством отработанных часов, числом пусков-остановок турбоагрегата за все время его эксплуатации и состоянием отдельных узлов ротора турбины.

Промежуточным элементом ротора является насадной диск, который воспринимает крутящий момент и несет нагрузку от центробежных сил собственной массы и рабочих лопаток. Насадные диски находятся в зоне фазового перехода, где реализуется процесс малоцикловой усталости и коррозионного растрескивания под напряжением. Так как насадные диски посажены на вал с натягом, то обусловленное этим контактное давление воздействует на расточку диска, что приводит к возникновению напряжений и локализации их в зоне осевого шпоночного паза.

Для определения паркового и остаточного ресурсов, необходимо моделирование и определение кинетики упругопластического деформирования дисков роторов паровых турбин в зависимости от числа пусков-остановок, то есть циклов нагружения.

Для этого, в качестве первого приближения, проведена верификация нелинейной моделей кинематического упрочнения на упрощенной модели цилиндрического образца с концентратором напряжений в виде выточки (рис. 1), с коэффициентами асимметрии цикла R = 0 и R = - 1. Причем коэффициенты концентрации напряжений цилиндрического образца и диска в области расточки осевого шпоночного паза равны.

Рис. 1. Модель цилиндрического образца с концентратором

Для описания процесса циклического нагружения предпочтительной является модель Кабоша, объединяющая независимые варианты кинематического и изотропного упрочнения в виде поверхности текучести, которая смещается как жесткое целое и равномерно расширяется.

В программном комплексе ANSYS модель Кабоша используется в следующем виде:

,

где – обратный тензор напряжений, – пластический тензор деформаций, р – накопленные эквивалентные пластические деформации, q – температура, – константы материала, n – число нелинейных кинематических моделей.

На рис. 2 показана кривая циклического деформирования образца с концентратором напряжений при коэффициенте асимметрии R = - 1.

Просматривается картина смешанного вида нагружения, то есть совместного влияния жесткого и мягкого нагружений в равной степени, при этом имеет место поцикловая кинетика одностороннего накопления упругопластических деформаций с последующим их затуханием, что говорит об исчерпании пластических свойств материала.

На рис. 3 представлено изменение пластических деформаций образца в зоне концентрации в зависимости от количества циклов нагружения.

Рис. 2. Кривая циклического деформирования при R = - 1

Рис. 3

Объектом исследования являлся диск 22-й ступени ротора низкого давления паровой турбины Т–50–130.

В результате работы проведено:

·  исследование общего напряженно-деформированного состояния диска с определением зон концентрации напряжений;

·  обоснование выбора нелинейной модели кинематического упрочнения и ее верификация на упрощенной модели образца с концентратором напряжений;

·  воспроизведение условий циклического нагружения диска в эксплуатации на имитационной модели образца с концентратором напряжений.

Литература

1. ANSYS Theory Reference. 001242. Eleventh Edition. – SAS IP, Inc., 1999.

2. Chaboche J. L. On Some Modifications of Kinematic Hardening to Improve the Description of Ratcheting Effects // Int. J. of Plasticity. – 1991. – V. 7. – P. 661–678.

3. Finite Element Analysis And Related Numerical Schemes For Ratcheting Simulation. / Syed Mizanur Rahman. – Civil Engineering, 2006.

4. , , Розенберг эффективности эксплуатации паротурбинных установок ТЭС и АЭС. – СПб., 2003.