Разрушение дисков является одной из наиболее тяжелых аварий, поскольку оно, как правило, влечет за собой полное разрушение турбины, а также наносит серьезный урон соседнему оборудованию.
Диски роторов являются одними из самых напряженных элементов турбомашин. Основные напряжения в дисках возникают вследствие центробежных сил инерции, обусловленных вращением ротора (динамические напряжения), и неравномерного распределения температуры по объему диска (температурные напряжения). Прочностные расчеты дисков турбомашин обязательны при их проектировании, так как они позволяют достичь необходимого запаса прочности и тем самым обеспечить достаточную надежность и долговечность эксплуатации турбомашин.
Динамические силы и напряжения, связанные с колебаниями и определяющие длительную усталостную прочность деталей в рамках данного дипломного проекта не рассматриваются. Расчет произведен для рабочего колеса ступени турбины высокого давления.
Основными величинами, влияющими на прочность диска, являются температура, воздействующая на него при работе и напряжения от действия центробежных сил.
В расчете используются следующие величины:
N - число разбиений диска на участки;
- плотность материала диска, ;
n - частота вращения диска, ;
- радиусы участков диска, м;
- ширины участков дисков, м;
- значения температур участков диска, ;
- значения коэффициентов линейного расширения, ;
- значения модуля упругости материала диска по участкам, МПа;
- значение динамических радиальных напряжений, МПа;
- значение динамических тангенциальных напряжений, МПа;
- значение температурных радиальных напряжений, МПа;
- значение температурных тангенциальных напряжений, МПа.
Свойства материала: предел текучести , модуль упругости , коэффициент Пуассона и коэффициент линейного расширения - принимаем в соответствии с температурой диска.
Таблица 4.1. Параметры, необходимые для расчёта диска ТВД
Материал диска | МПа | МПа | r0 | r1 | rа | rоб | у0 | у1 | уа | уоб | t0,0С | Dt, 0С |
20Х12ВНМФШ | 10 | 220 | 00 | 150 | 450 | 520 | 190 | 100 | 55 | 65 | 400 | 36 |
Таблица 4.2. Характеристики материала диска
Характеристика материала | Температура 0С | ||||||
20 | 100 | 2300 | 300 | 400 | 500 | 600 | |
Модуль упругости, МПа | 2,14 | 2,12 | 2,09 | 2,03 | 1,95 | 1,87 | 1,71 |
Коэффициент линейного расширения, t.10-6, 1/ 0C | 10,4 | - | 10,5 | 10,7 | 11,0 | 11,4 | 12,0 |
Коэффициент Пуассона, | 0,3, | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 |
Плотность, , кг/м3 | 7850 | 7850 | 7850 | 7850 | 7850 | 7850 | 7850 |
Предел текучести, 0.2, МПа | 559 | 545 | 527 | 509 | 491 | 456 | 368 |
Для расчета разобьем диск на 10 частей. На каждом участке реальный профиль заменяется профилем постоянной ширины. Температурный режим диска задается исходя из условий эксплуатации. Распределение температуры диска по радиусу задано в виде функции
Распределение температуры диска по радиусу отображено в табл.4.1
Таблица 4.3. Распределение температуры по радиусу диска
№ участка | Внутренний радиус участка, rср, м | Температура участка, t, 0C |
1 | 0,025 | 400 |
2 | 0,045 | 400 |
3 | 0,110 | 400 |
4 | 0,150 | 400 |
5 | 0,250 | 401 |
6 | 0,350 | 406 |
7 | 0,410 | 415 |
8 | 0,450 | 427 |
9 | 0,485 | 436 |
10 | 0,520 | 436 |
Расчет напряжений производится с применением ЭВМ (программа DISK22), исходные данные и результаты этого расчета приведены в прил.1.
- суммарные тангенциальные напряжения в точке диска,
- суммарные радиальные напряжения в точке диска.
Изменение температуры по радиусу диска отображено на рис.4.1
Эпюры распределения напряжений отображены на рис.4.2
=
= = 254,1 МПа.
Запас прочности определяет коэффициент запаса прочности (). Для выбранного материала диска (сплав 20Х12ВНМФШ) при t = 436 °С предел текучести =478 МПа.
Коэффициент запаса прочности: kзап = /max =1,88.
Так как значение коэффициента запаса прочности вошло в необходимый диапазон (1,5 < kзап < 2,0), можно считать, что диск выдержит оказываемую на него нагрузку.