Термонапряженное состояние монокристаллической охлаждаемой лопатки с учетом аксиальной ориентации кристаллографических осей

Abstract

Исследуется термонапряженное состояние монокристаллической лопатки с вихревой и частично пленочной системами охлаждения. Задача решается в трехмерной постановке с использованием метода конечных элементов. Известно, что ориентация кристаллографических осей оказывает существенное влияние на распределение полей напряжений. Когда меняется ориентация кристаллографических осей, происходит перераспределение всех напряжений и изменение всей картины напряженно-деформированного состояния лопатки. Данная работа является продолжением серии работ авторов, в которых рассматривается влияние отклонение азимутальной ориентации кристаллографических осей на термонапряженное состояние монокристаллической охлаждаемой лопатки. Поэтому в данной работе проведено исследование влияния аксиальной ориентации кристаллографических осей, на распределение термоупругих напряжений по объему лопатки. Численные исследования позволили показать изменение максимальных температурных напряжений при повороте кристаллографических осей в плоскости yz вокруг оси х и в плоскости хz вокруг оси у. Из соображений обеспечения прочности лопатки целесообразно ограничить пространственный поворот кристаллографической оси [001] в пределах 12° - 15°. Эти ограничения аналогичны необходимости обеспечения разброса собственных частот лопатки в пределах 8 – 10 %. Исследование позволило выявить влияние изменения аксиальной ориентации кристаллографических осей на напряженно-деформированное состояние лопатки. Выполнено обобщение результатов предыдущих исследований на ограничения отклонений кристаллографических осей. Общая картина напряженно-деформированного состояния циклически повторяется при повороте кристаллографических осей на 90°. Места локализации термоупругих напряжений часто совпадают с местами локализации вибрационных напряжений, что создает дополнительную опасность.The thermo-stressed state of a single-crystal blade with vortex and partially film cooling systems is studied. The problem is solved in a three-dimensional formulation using the finite element method. It is known that the orientation of the crystallographic axes exerts a significant influence on the distribution of the stress fields. When the orientation of crystallographic axes changes, the redistribution all of stress is occur and changing the whole picture of stress-strain state of the blade. This work is a continuation of a series of papers by the authors in which the effect of the deviation of the azimuth orientation of the crystallographic axes on the thermo-stressed state of a single-crystal cooled blade is considered. Therefore, in this paper the influence of the axial orientation of the crystallographic axes on the distribution of thermoelastic stresses in the volume of the blade is investigated. Numerical studies have made it possible to show the change in the maximum temperature stresses during the rotation of the crystallographic axes in the yz plane around the x axis and in the xz plane around the y axis. For reasons of ensuring the strength of the blade, it is advisable to limit the spatial rotation of the crystallographic axis [001] within 12° - 15°. These limitations are similar to the need to ensure the spread of the natural frequencies of the blade in the range of 8 to 10%. The study made it possible to reveal the effect of a change in the axial orientation of the crystallographic axes on the stress-strain state of the blade. A generalization of the results of previous studies to the limitations of the deviations of the crystallographic axes is performed. The general picture of a stress-strain state is cyclically repeated when the crystallographic axes are rotated by 90°. Places of localization of thermoelastic stresses often coincide with places of localization of vibration stresses, which creates an additional danger.