Чисельне моделювання повзучості лопатки турбіни з монокристалічного сплаву

Abstract

Статтю присвячено моделі повзучості монокристалічного сплаву та розробці методики ідентифікації матеріальних параметрів по результатам фізичних експериментів. Виконано скінчено-елементний аналіз повзучості лопатки газотурбінного двигуна. Повзучість є одним із найнебезпечніших видів деформування в умовах експлуатації лопаток турбін. В процесі вивчення проблематики оцінки міцності турбінних лопаток авіаційних двигунів та енергетичних установ, особливу увагу слід приділити дослідженню перерозподілу напружень при повзучості. Характеристики кристалографічних структур сучасних лопаток турбін мають дуже значний вплив на проходження процесу розвитку тріщин на деталі в процесі роботи двигуна. На сьогоднішній день, турбінні лопатки виготовляються методом монокристалічного лиття. Такий тип структури матеріалу лопаток характеризують ортотропні механічні властивості. У цьому дослідженні розглядається модель стаціонарної повзучості для анізотропного жароміцного монокристалічного сплаву з кубічною симетрією. Авторами проведено чисельне моделювання параметрів матеріалу з використанням відомих літературних властивостей повзучості монокристалів. Описано алгоритм, який дозволяє визначити деякі характеристики повзучості монокристалів. Параметри наведених співвідношень можна отримати після проведення прямих експериментів, або базуючись на мікромеханічному аналізі, на прикладі композиційних матеріалів. Авторами проведено розрахунок констант повзучості типового жароміцного монокристалічного сплаву в результаті апроксимації його кривих повзучості, які були отримані в результаті проведення експерименту. На основі рівняння Нортона-Бейлі та використовуючи розрахунковий комплекс Maple Release 2021.0, було побудовано графік залежності швидкості деформації повзучості від рівня прикладеного до матеріалу навантаження, а також визначено мінімальну швидкість деформації та константи повзучості. Результати обчислень були застосовані для скінчено-елементного моделювання повзучості на прикладі твердотільної моделі лопатки турбіни високого тиску. На базі комплексу ANSYS Workbench проведено декілька серій розрахунків, зокрема, обчислення пружної задачі при навантаженні деталі відцентровими силами, а також накопиченню деформацій повзучості при різному часі дії впливу. Побудовано графіки зміни еквівалентних напружень та деформацій повзучості в залежності від часу.

The article is devoted to the creep model of a monocrystalline alloy and the development of a methodology for identifying material parameters based on the results of physical experiments. A finite element analysis of the creep of a gas turbine engine blade was performed. Creep is one of the most dangerous types of deformation in the operating conditions of turbine blades. In the process of studying the problems of assessing the strength of turbine blades of aircraft engines and power plants, special attention should be paid to the study of stress redistribution during creep. The characteristics of the crystallographic structures of modern turbine blades have a very significant influence on the progress of the crack development process during engine operation. To date, turbine blades are manufactured by the method of single-crystal casting. This type of blade material structure is characterized by orthotropic mechanical properties. This study considers the steady-state creep model of an anisotropic heat-resistant single-crystal alloy with cubic symmetry. The authors carried out a numerical simulation of the material parameters using the well-known literary creep properties of single crystals. An algorithm is described that allows you to determine some creep characteristics of single crystals. The parameters of the given ratios can be obtained after conducting direct experiments, or based on micromechanical analysis, using the example of composite materials. The authors calculated the creep constants of a typical heat-resistant monocrystalline alloy as a result of the approximation of its creep curves, which were obtained experimentally. Based on the Norton-Bailey equation and using the Maple Release 2021.0 calculation complex, a graph of the dependence of the rate of creep deformation on the level of load applied to the material was plotted, and the minimum rate of deformation and creep constants were also determined. The results of the calculations were used for finite-element simulation of creep on the example of a solid-state model of a high-pressure turbine blade. Several series of calculations were carried out on the basis of the ANSYS Workbench complex, in particular, the calculation of the elastic problem when the blade is loaded by centrifugal forces, as well as the accumulation of creep deformations at different exposure times. Graphs of the change in equivalent stresses and creep deformations as a function of time are plotted.