автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Применение метода фотоупругости для анализа напряжений и совершенствования конструкций деталей газотурбинных установок

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ им. И. И. ПОЛЗУНОВА (НПО ЦКТИ)

РГЬ ОД-:-

На правах рукописи

~ 5 СЕН 1994 УДК 621.438:620.171.004:539.319

КОРИХИН

Николай Васильевич

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ФОТОУПРУГОСТИ

ДЛЯ АНАЛИЗА НАПРЯЖЕНИЙ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.04.12 — Турбо чы и турбоустановки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994

Работа выполнена в Санкт-Петербургском институте машиностроения.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор В. Г. Ты-рышкин.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, с. н. с. В. И. Розенблюм (НПО ЦКТИ); кандидат физико-математических наук, доцент М. А. Нарбут (Санкт-Петербургский государственный университет).

Ведущее предприятие — АО «Ленинградский металлический завод».

Защита состоится „-М-- С еНТ90р$ 1994 г. в, </2'.ОР ч

на заседании специализированного совета НПО ЦКТИ Д 145.01.01 по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 24, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО ЦКТИ.

Автореферат разослан а&ГУ т$ 199 Ч г.

\ (

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, в одном экземпляре просим направить в адрес специализированного совета НПО ЦКТИ: 193167, Санкт-Петербург, Атаманская ул., д. 3.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат технических наук В. С. Назаренко

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Практика проектирования и производства стационарных РТУ все время ставит перед конструкторами задачи исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) ответственных деталей, так как ввиду применения .новых конструкторских решений, пэгш-тения начальной температуры газа, изменения условий работы или технологии производства, достоверность сведений о НДС этих деталей оказывается недостаточной. В связи с этим исследование НДС некоторых ответственных деталей крупных стационарных ГГУ и совершенствование на базе его конструкции и методов расчета на прочность является в настоящее время актуальной задачей. Конструктивные особенности некоторых деталей - наличие значительной концентрации напряжений - обуславливают актуальность исследования их напряженного состояния методом фотоупругости.

Цель работы состоит в том, чтобы на основе достоверной информации о напряженном состоянии с учетом концентрации напряжений провезти дальнейшее совершенствование конструкции и методов расчета на прочность некоторых ответственных деталей стационарных ГГУ.

Методы исследования. НДС деталей ГТУ определялось экспериментально - методом фотоупругости, и аналитически - с помощью МКЭ.

Научная новизна работы заключается в разработке методики моделирования НДС конкретных деталей ГТУ с учетом их конструктивных особенностей и условий нагружекия и осуществлении исследования их напряженного состояния. При этом можно отметить следующее.

Разработана технология изготовления моделей деталей ГТУ из оптически чувствительного материала, обеспечивающая необходниуд точность моделирования. Судя по литературным данным, по-видимому, впервые разработана методика моделирования технологических допусков в замковом

соединении рабочей лопатки с диском.

Для определения КИН сварного соединения с трещиной разработан новыЯ способ создания внутренних трещин в сложных моделях из эпоксидной смолы, на который получено авторское свидетельство.

Способ "замораживания" деформаций, как наиболее элективный для изучения напряженного состояния деталей сложной формы, использовался для исследования резьбового соединения стяжного ротора и сварного со единения соединительного цилиндра.При этом предложен новый метод "замораживания" деформаций в моделях из эпоксидной смолы, на который получено авторское свидетельство.

По результатам экспериментов произведена оценка эффективности нового метода расчета резьбового соединения, основанного ш применении ШЭ.

Определен КИН углового сварного шва с трещиной в зависимости от геометрических параметров трещины и местоположения ее в шве.

На основании результатов экспериментального исследования методом регрессивного анализа получены приближенные фодауяы для вычисления КИН.

Практическая ценность и реализация результатов исследования. Изучено напряженное состояние ряда ответственных деталей стационарных ЛГУ: замкового соединения рабочей лопатки с диском турбины ГТЭ-150, замкового соединения керамической рабочей лопатки с диском перспективной газовой турбины, резьбового соединения стяжного ротора и сварного шва с трещиной ребер жесткости соединительного цилиндра турбины ГТЭ-150. Даны рекомендации по совершенствовании конструкций и методов их расчета на прочность.

Все результаты внедрены. В СКВ "Турбина" Производственного объединения "Ленинградский Металлический завод" результаты исследования замкового соединения рабочей лопатки с диском ГТЭ-150 послужили обо-

снованием для изменения конструкции г-лотпсл) хвостовика, которой привело к уменьшению концентрации напряжений и повышению надежности агрегата. Данные по влиянию технологических зазоров на напряженное состояние использовались для уточненной оценки усталостной прочное ти при нестационарных режимах работы агрегата.

Результаты исследования резьбовой стяжки IТи-153 использовались для апробирования нового расчетного метода решения контактно!5 задачи, основанного на применении МКЬ, и позволили уточнить расчеты на малоцикловую усталость.

Результаты исследования сварного соединения с трещиной использовались для оценки хрупкой прочности соединительного цилиндра ГТС-150 и, кроме того, использовались в СКВ "Гидротурбомаш" ПО ЛЬЗ при расчетах рабочих колес крупных радиально-осевых гидротурбин. Они могут быть использованы также в любой отрасли техники, в которой применяются угловые сварные швы, для прогнозирования надежности сварного соединения по результатам неразрушающего контроля.

В НИИ технологии энергомашиностроения использовали результаты исследования хвостовика керамической лопатки газовой турбины - выбран наиболее прочный и технологичный вариант конструкции, показана принципиальная возможность создания составного керамического ротора.

Апробация работы. Изложенные в работе результаты доложены на 1-Й Чехословацкой конференции по механике (Прага, 1уй7), на Всесоюзном семинаре "Интерференционно-оптические методы моханики твердого деформируемого тела и механики горных пород (Новосибирск, 1У65), на Всесоюзных семинарах по новым поляризационным методам и приборам (Москва, и Нссквя. на Всесоюзно!! конференции по строитель-

ной механике, посвященной памяти проф.Н.К.Снитко (Ленинград, ,'9Л). Сделаны доклады в лаборатории газовых турбин НПО ЦКТИ им.И.И.Ползу-нова, на кафедрах "Сопротивление материалов и тзорич упругости" и

"Турбиностроение" Санкт-Петербургского института машиностроения.

Публикации. Основное соедржание диссертации опубликовано в 9-ти печатных работах.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы 213 страниц машинописного текста, включающего в себя 106 страниц текстовой части, 68 страниц рисунков и 15 страниц таблиц. Список использованной литературы содержит 178 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Бо введении обоснована актуальность темы диссертации, дана общая характеристика и краткое содержание работы.

В первой главе на основе анализа конструктивных особенностей и существующей практики расчетного и экспериментального исследования НДС деталей ГТУ представлена номенклатура деталей, исследование НДС которых необходимо для нужд проектирования.

Замковые соединения рабочих лопаток с диском стационарных ГТУ являются весьма нагруженными и часто повреждающимися в процессе эксплуатации деталями. При проектировании установхи ГГЭ-150 возникла необходимость исследования концентрации напряжений и распределения усилий по зубьям елочного хвостовика с торцевой' заводкой лопатки в зависимости от конструктивных особенностей и технологических допусков.

Аналитические методы расчета концентрации напряжений в елочных замках основаны на известных работах Г.Нейбера, Г.Н.Савина, А.Н.Гру-бина, А.С.ЛеЙкина, Б.П.Соколова , У.Г.Ыустафина.

В работе Н.З.Супоницкогэ исследовано распределение усилий между зубцами в процессе ползучести и влияние зазоров на величины этих усилий.

Исключительно широкое распространение в инженерной практике по-

лучил в последнее вреыя метод конечных элементов (ШЭ). В расчетах прочности деталей паровых и газовых турбин используется эффективная программа ШЭ, разработанная учеными Киевского инженерно-строительного института. В работах Н.Н.Шаброва решены задачи теплопроводнмо-сти, термонапряженного состояния и неустановившейся ползучести с помощью ШЭ таких деталей как лопатки, диски, роторы, патрубки, элементы корпусов газотурбинных установок.

В тс же время ШЭ не лишен некоторых недостатков. Основным недостатком метода является сложность получения априорных оценок точности. Этот недостаток в еще большей степени присущ приближенным аналитическим Методам. Поэтому важное значение имеют экспериментальные методы, исследования прочности и надежности замковых соединений.

В течение достаточно длительного времени ведутся исследования по применению керамики в газовых турбинах. Подробный обзор печатных работ в этой области приведен в работе И.И. Кириллова, А.В.Сударева и А.Г.Резникова.

Учитывая своеобразие механических свойств керамики, главное из которых - хрупкость, необходимо обеспечить в замковом соединении рабочей лопатки с диском как можно меньшую концентрацию напр/дений,

В связи с этим была поставлена задача выбора оптимальной |юрмы хвостовика и достоверной оценки наибольших напряжений в натурной конструкции. Очевидно, что метод фотоупругости является наиболее эффективным для решения этой задачи.

- В газотурбинной установке ГТЭ-150 применяется сборный ротор, состоящий из отдельных дисков, стянутых центральной втяжкой - длинным болтом большого диаметра с цилиндрической головкой на одном конце и резьбовой частью на другом.

Поскольку такая конструкция впервые принята в практике отечественного энергомашиностроения, возникла необходимость возможно бод^е

точного определения напряженного состояния наиболее нагруженных элементов - резьбы стяжки и гайки, головки стяжки. В СКВ "Турбина" ПО ЛмЗ была разработана оригинальная расчетная методика, основанная на

ШЭ.

Учитывая особую ответственность данного резьбового соединения, его уникально большие габариты, сложную конфигурации нестандартной гайки, большой разброс различных расчетных и экспериментальных данных и, самое главное, необходимость апробации расчетной методики, было признано целесообразным произвести экспериментальное исследование напряженного состояния резьбового соединения стяжного ротора.

Неподвижные детали 1ТУ - корпуса турбогруппы и компрессора, входные и выхлопные патрубки, соединительный цилиндр - представляют собой сварные металлоконструкции. Соединительный цилиндр между корпусами компрессора и турбины - это один из важнейших узлов ГТУ, наиболее нагруженными являются сварные соединения с угловым швом ребер жесткости. Специфика сварных соединений, связанная с повышенной вероятностью возникновения технологических или эксплуатационных дефектов в виде непроваров, включений и трещин, обуславливает необходимость прогнозирования индивидуального остаточного ресурса конструкции. Эта задача может быть решена расчетом конструкции на хрупкую прочность методами механики разрушения по результатам дефектоскопического контроля. Для оценки хрупкой прочности необходимо определить коэффициент интенсивности напряжений (КИН) этого сварного соединения в зависимости от размеров и положения трещины.

КИН конкретных деталей может быть определен аналитическими методами только для деталей сравнительно простой формы. В работе М.П. Саврука приведен обширный справочный материал. ,Цля деталей сложной формы определение КИН связано со значительными математическими трудностями, поэтому широко используются численные и экспериментальные

методы. В работе О.А.Бакши, Н.Л.Зайцева, С.Ю.Гооге предложен экспериментальный метод определения КИН на плоских фотоупругих моделях. Очевидно, что для изучения (и уточнения) влияния геометрии и расположения трещины на величину КИН в сварном соединении с угловым шьом можно использовать метод йотоупругости в несколько более точно!! постановке - сварные соединения с трещиной конечных размеров надо смоделировать на объемных, а не на плоских моделях, используя для расчета КИН по данным эксперимента численный метод.

Далее приводится анализ методов и практики экспериментального исследования НИ,С деталей газотурбинных установок. Наибольшее распространение получили модельные исследования методом электротензометрии. Метод фотоупругости, являющийся одним из наиболее эффективных экспериментальных методов моделирования ЦДС конструкций, при исследовании деталей и узлов стационарных газотурбинных установок не нашел такого широкого применения, как методы электротензометрии и голографической интерферометрии. Известны работы А.Джонсона, В.Зигфрида, Д.М.Еавель-ского, Г.И.Богорадовского, Н.З.Супоницкого, Ю.И.Островского, М.{.¡.Бутусова, Е.Г.Глухарева, В.К.Дондошанского, М.Л.Дайчика, Н.И.Г.ригоров-ского, Г.Х.Хуршудова, посвященные исследованию некоторых деталей газотурбинных установок.

Метод фотоупругасти отличается высокой точностью и наглядностью, он особенно эффективен для изучения концентрации напряжений. Вопросам исследования прочности энергетического оборудования и решения задач механики разрушения посвящены работы Н.И.Пригоровского, (.¡.Х.Ах-матзянова, И.Н.Фридмана, Р.Хейвуда, И.П.Васильченко, В.И.Савченко, М.Хетени, А.Дюрелли, Г.Ирвина, Р.Марино, Р.МарлоФа, '1ж.Уттерид«а и др.

На основе проведенного анализа литературы делается вывод о необходимости изучения напряженного состояния рассмотренных деталей. В

силу их конструктивных особенностей наиболее эффективным методом исследования НДС является метод фотоупругости. Для расчетного определения НДС деталей стационарных ГГУ сложной формы целесообразно применение ЩЭ.

Во второй главе на основе анализа известных схем метода фотоупругости и с учетом особенностей конструкции и работы рассматриваемых детиной разработана методика исследования напряженного состояния деталей I'D' методом фотоупругости.

Раэработрна технология изготовления моделей из оптически чувствительного материала - эпоксидной смелы горячего отверждения ЭД-16 ЮТФЛ. Все модели изготавливались путем механической обработки отлитых предварительно заготовок по режиму: предварительная обработка -отжиг - окончательная обработка.

Исследование замковых соединений рабочих лопаток с диском осуществлялась на крупномасштабных плоских упругих моделях при комнатной температуре. Рассматривалось два варианта хвостовиков лопатки газовой турбины с елочным замком в масштабе ¡»2:1 (рис.1): стандарт-тгй для головного вnper.itа установки ГТЭ-150 и модернизированный. Для моделирования технологических зазоров между различными парами зубьев помещали плоские металлические прокладки, были изучены четыре варианта наиболее неблагоприятного сочетания технологических допусков (НСТД). Напряженное состояние выступа диска исследовалось на плоских упругих моделях в масштабе 1,5:1. При этом рассматривались нярианты как со стандартным хвостовиком, так и с модернизированным.

Исследовалось шесть вариантов бульбообразных замковых соединений керамической лопатки газовой турбины с диском. Модели изготавливались в масштабе (.15:1. Один из вариантов приведен на рис.2. Варианты отличались линией контакта хвостовика с дисков.

lice модели нагружались осевой растягивающей силой, имитиг

л-

Рис Л. Сравнение профилей хвостовиков лопатк"

1 - головного агрегата (стандартный':

2 - модернизированный (уширенный)

1>

! I

)

руюший действие центробежных сил.

Для исследования резьбового соединения стяжного ротора использовался способ "замораживания" деформаций как наиболее эффективный для изучения напряженного состояния деталей сложной формы. Резьбовая часть стяжки изготавливалась в масштабе 1:2 (рис.3), резьба нарезалась с помощь« резьбошлифовального станка, контроль осуществлялся инструментальным микроскопом. Модель головки болта без резьбы выполнялась в масштабе 1:4. Основной нагрузкой является усилие предварительной затяжки (крутящий момент отсутствует), поэтому модели ис-пытывались только на действие осевой растягивающей нагрузки. Всего было испытано три модели: две модели болта с гайкой и одна модель головки болта.

Для определение КИН сварного соединения с трещиной также использовался метод "замораживания" деформаций. Разработен способ создания внутренних трещин в сложных моделях из эпоксидной смолы, на который получено авторское свидетельство. Использовалось соединение встык двух листов. Модель представляла собой двутавр, защемленный по полкам и растягиваемый вдоль стенки. В верхнем и нижнем сварных швах на достаточном удалении, исключающем взаимное влияние, находились по два дефекта (рис.4). Варьировались размеры трещин и положение их в сварном шве с использованием методой математического планирования эксперимента. Разделение НИН первого и вторбго типов осуществлялось с помощью многоточечного метода, обеспечивающего наивысшую точность при наименьшей чувствительности к погрешностям измерений.

В процессе разработки методики моделирования деталей 1ТУ предложен новый способ "замораживания" деформаций, не требующий нагревания моделей в термостате. По этому способу, на который получено авторское свидетельство, "замораживание" происходит при комнатной

Рис.3. Резьбовое соединение стяжного ротора ГТЭ-150: I - диск турбины; 2 - фигурная гайка; 3 - центральная стяжка

\2е гпреш.инь

№

4?

20

А Гч ■1ТП

■17 0__ -----—

Рис.4. Модель для определения КИН сварного соединения с трещиной

. температуре в камере высокого давленкя.

Подробно описана методика измерения параметров двулучепрелоыле-нлк и определения напряжения в моделях, а также методика пересчета характеристик напряженного состояния моделей на натурные детали, дана оценка достоверности и точности экспериментальных результатов.

В третьей главе излагаются результаты экспериментального исследования напряженного состояния деталей ГГУ. Приведены подробные графики напряжений и ККН в характерных сечениях деталей.

В замковом соединении рабочей лопатки с диском турбины ГТЭ-150 максимальныз напряжения в хпостовкке лопатки головного агрегата больше, чем в модернизированном хвостовике как при беэзазорном зацеплении (рис.о), так и при наличии НСТД. Прочность замкового соединения в целом лимитируется прочностью хвостовика лопатки, а не диска. Модернизированный ("уширенный") хвостовик предпочтительней стандартного, так как в нем че только меньше концентрация напряжений, но и более равномерно распределены усилия по зубьям. На рис.5,б звездочкой помечены значения ККН, рассчитанные по кофинальным напряжениям в модели стандартного хвостовика.

Для замкового соецинения керамической рабочей лог-...ш с диском перспективной газовой турбины выбрана конструкция хвостовика - это лопатка типа "ласточки* хвост" и линвйчым контактом с углом скоса опорных поверхностей 75°.

В резьбовом соединении сттаного ротора турбины ГТЗ-Ш) благодаря прнмонениа "фигурной" гайки происходит перераспределение усил,:"( по виткам разьбц и наиболее нагруглннп 1 оказывается последний i«noc <а из иерыЛ, как б обычном резьбовой соединении). Ир;» этом с; -улльный ККН но превьтавт 4,0 (рис.6), onncirw, utmnoro оуезз ы..

У сйьрпо!-: созг,пиеи;гл с •• пролез оп-.рь г' яелг.лс.;. .

¿«»«»»..i с йслькой полуосью, орнекгарогениэ^ погь сидр-."

* -(сьмя* оСс.ЬмкЮФлм « мммпльм

мпрыстт I М-1

Рис.5. Распределение ККН по свободному контуру хвостовика:

а) - в модели стандартного хвостовика;

б) - в модели модернизированного

Рис.6. Распределение ККН во впадинах зубьев резьбового соединения

шва Максимальное значение для исследованных вариантов * 2,15) .

Величины НИН зависят, в основном, от ширины трещины и почти ;(е зависят от ее длины. По мере удаления трещины от оси шва и приближения ее к свободной поверхности значения НИН возрастают. Особенно опасным является взаимодействие вершины трещины с концентратором напряжений в месте перехода сварного шва в полку тавра.

Четвертая глава посвящена анализу результатов исследования, на основании которого даются рекомендации по совершенствованию деталей и методов их расчета на прочность.

По результатах исследования замкового соединения рабочей лопатки с диском турбины ГТЭ-150 делается вывод о предпочтительности модернизированного хвостовика по сравнению со стандартным. Незначительное изменение конструкции - уширение хвостовика - позволило уменьшить концентрацию напряжений и сделать распределение нагрузки по зубьям практически равномерным. Предложена приближенная формула с вспомогательными графиками, позволяющая определить,максимальное значение ККН во впадинах перед зубьями (необходимое для расчета хвостовика на усталостную прочность) в зависимости от распределения нагрузки по зубьям

А

где £ - номер впадины, в которой определяется ККН (О^^. \ I - номер зуба, на который действует нагрузка; йц- коэффициент, взятый с графиков для соответствующей нагрузки на данную пару зубьев.

Показана возможность создания газовой турбины с составным ротором и керамической рабочей лопаткой - прочность замкового соединения будет обеспечена. По результатам экспериментального исследования напряженного состояния хвостовика вкЗрана наиболее удачная конотрук-

ция - соединение типа "ласточкин хвост" с углом скоса опорных поверхностей 75°.

Расчетная методика определения НДС резьбовой стяжки ротора 1ТЭ-150, основанная на осесимметричной версии ЫО, апробирована сравнением с результатами экспериментального исследования. Хорошее совпадение подтвердило ее эффективность. Делается вывод о предпочтительности сжато-растянутой "фигурной" гайки по сравнению со стандартной цилиндрической. Принятая конструкция обеспечивает достаточный уровень статической и малоцикловой прочности. Предложены некоторые конструктивные мероприятия для уменьшения концентрации напряжений в головке болта резьбовой стяжки и в опорной части диска.

По результатам исследования сварного соединения с трещиной методом регрессионного анализа получены приближенные формулы для НИН первого и второго типов в зависимости от геометрических параметров и местоположения трещин. Например, для'круглого дефекта формулы имеют вид

=-ы»+ч,*вф*ижф * о>тф(%) & = тф* * ^ тфа)

где €>п~ номинальные напряжения в стенке таврового соединения,

КИН, С - расстояние от оси шва до оси трещины,

¿е -.ширина трещины- длина трещины; Л - высота сварного шва.

Формулы могут быть использованы для расчетов на хрупкую статическую прочность и на циклическую прочность тавровых сварных соединений, что позволит определить безопасны? размер трещин и прогнозировать поведение конструкции по данным дефектоскопического контроля.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате проведенного в диссертации исследования изучено напряженное состояние ряда ответственных деталей стационарных газотурбинных установок и даны рекомендации по совершенствованию их конструкции и методов расчета на прочность. Полученные в процессе исследования основные результаты состоят в следующем.

I. Предложена методика моделирования и исследования напряженного состояния деталей ГТУ методом фотоупругости в соответствии с их конструктивными особенностями и условиями нагружения.

1.1. Исследование замковых соединений рабочих лопаток с диском газовой турбины ГГЭ-160 и перспективной газовой турбины с керамическими деталями осуществлялось на крупномасштабных плоских упругих мо-^ далях, представляющих собой поперечное сечение диска и лопатки, при комнатной температуре. Модели изготавливались с высокой точностью, ручной подгонкой в поле полярископа добивались беззазорного контакта зубьев елочного хвостовика. На специальных моделях (взаимодействие хвостовика с диском осуществлялось по одному зубу) изучалось влияние перераспределения нагрузки по зубьям на напряженное состояние хвостовика. Для изучения влияния технологических допускав на напряженное состояние замка между различными парами зубьев помещали тонкие металлические прокладки. Все модели подвергали действию осевой растягивающей нагрузки, имитирующей центробежные силы.

1.2. Для исследования резьбового соединения стяжного ротора турбины ГТЭ-150 использовался спосо* "замораживания" деформаций. При отработке методики эксперимента были проведены тестовые испытания модели стационарного резьбового соединена М32х3.

1.3. Исследование сварного шва с трещиной ребер жесткости соединительного цилиндра также осуществлялось о помощью метода "оамо-

раживания" деформаций.. После нагружения в термостате при температуре 120°С и медленного охлаждения под нагрузкой из модели выпиливали тонкие шлифы, перпендикулярные плоскости трещины, производили измерения оптических величин в них. Методика измерений и вычислений КИН отрабатывалась на тестовых образцах - пластине с центральной наклонной трещиной. Разделение КИН первого и второго типов осуществлялось многоточечным методом, обеспечивающим наименьшую чувствительность к погрешностям измерений. Все вычисления осуществлялись на ПЭВМ. Использовалась программа восстановления теоретической картины иэохром по экспериментальным результатам. Сравнение восстановленной картины с исходной позволяло а случав необходимости уточнять измерения и повторять цикл вычислений. Поскольку результат» в наибольшей степени чувствительны к ошибкам в определении координат, было усовершенствовано координатное устройство поляриметра с целью повышения его точности.

1.4. Разработана технология изготовления моделей из оптически чувствительного материала - эпоксидной смолы горячего отверждения ЭД-16 1ЛТФА. Все модели изготавливались путем механической обработки предварительно отлитых блоков. Внутренние трещины в моделях сварного соединения создавались двумя способами: вклейкой полиэтиленовой пленки и склейкой из заготовок с предварительно нанесенными поверхностными трещинами. Второй способ является новым, на него получено авторское свидетельство.

1.5. Предложен новый способ "замораживания" деформаций, на который также получено авторское свидетельство. Хотя этот способ не использовался в настоящей работе, он может быть весьма полезным при определенных исследованиях напряженного состояния (например, при изучении прочности материалов, находящихся в объемном напряженном состоянии).

1.6. Выполнен анализ точности определения напряжений. Он показал, что достоверность полученных результатов достаточна для использования их в инженерных расчетах.

2. При исследовании напряженного состояния деталей стационарных ГТУ на основе разработанной методики моделирования установлены некоторые закономерности, являющиеся важными с точки зрения конструирования и технологии изготовления рассмотренных деталей.

2.1. В замковом соединении рабочей лопатки с диском турбины ГТЭ-150 максимальные напряжения в хвостовике лопатки головного агрегата больше, чем в модернизированном ^уширенном") хвостовике как при беззазорном зацеплении, так и при наличии НСТД. Распределение усилий между зубьями в модернизированном замке более равномерное. Технологические допуски существенно влияют на напряженное состояние замка. Напряжения в диске меньше, чем в хвосч-онике примерно на 50%.

2.2. Конструкции хвостовика керамической лопатки с линейным . контактом предпочтительнее конструкций с контактом по цилиндрическим поверхностям. Лучшая нз них - с углом скоса опорных поверхностей 75°.

2.3. В резьбовом соединении стяжного ротора турбины 1ТЭ-150 наибольшая нагрузка приходится на последний виток резьбы: усилие, воспринимаемое последним зубом,превышает усилие, воспринимаемое первым зубом, более, чем в два раза. Максимальный ККН имеет место во впадине перед последним зубом и равен 4,0. Конструкция стяжки с "фигурной" гайкой предпочтительнее конструкции со стандартной цилиндрической гайкой.

2.4. В сварном соединении с трещиной ребер жесткости соединительного цилиндра наиболее опасными являются овальные трещины с большой полуосью вдоль шва. Величины КИН зависят, в основном, от ширины трещины и положения ее - они увеличиваются по мере приближенип

трещины к свободной поверхности шва. Взаимное влияние трещин незначительно, гораздо сильнее влияние «фая шва.

3. По результатам экспериментального исследования получена приближенная формула для определения максимального ККН в елочном хвостовике турбины ГТЭ-150 в зависимости от распределения нагрузки по зубьям. Она позволяет учитывать влияние технологических допусков на напряженное состояние хвостовика.

4. Произведен расчет статической и малоцикловой прочности резьбовой стяжки ротора ГТЭ-150. Предложены некоторые конструктивные мероприятия для уменьшения концентрации напряжений. Сравнение результатов расчета по новой методике, основанной на осесимметричной версии ШЭ, с результатами эксперимента позволило уверенно использовать принятый расчетный метод в практике проектирования.

5. для расчетов на хрупкую статическую и малоцикловую прочность угловых сварных соединений с трещинами предложены приближенные формулы, позволяющие определить КИН первого и второго типов в зависимости 01 геометрических параметров трещины м местоположения ее в сварки» шве.

Ь. Показана эффективность экспериментального метода фотоупругости для исследования напряженного состояния деталей сложной формы при наличии концентрации напряжений, а также для решения задач хрупкой прочности методами линейной механики разрушения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

I. Эйгенсон С.Н., Корихин Н.В., Шрайбер ЮЛ. Исследование "концентрации напряжений в некоторых ответственных деталях гидротурбин П Интерферентно-оптические методы механики твердого деформируемого тела и механики горных пород. Тез.докл.и сообщ. -Новосибирск: НИИЖ1, 1Л35. - С.5Й-59.

2. Эйгенсон С.Н., Титов В.Б., Корихин Н.В. Исследование концентрации напряжений методом фотоупругости для оценки трещинос эйкости деталей крупных энергетических машин // Сборник докладов 1-ой Чехословацкой конференции по механике. - Прага. - 1967. - Т.б.

3. Титов В.В., Корихин Н.В., Эйгенсон С.Н. Решение задач механики разрушения методом фотоупругости и совершенствование для этой цели поляриметра КСП-7 // Новые поляризационные методы и приборы для исследования напряженно-деформированного состояния и анализа состава и молекулярной структуры вещества. Тезисы докладов. - Москва

- 1968. - С.67-68.

4. Напряженное состояние резьбового соединения стяжного ротора газовой турбины / Бедгер Ф.Ш., Реэниченко В.Я., Корихин Н.В., Эйгенсон С.Н. // Проблемы прочности. - I9U9. - № 6. - С.63-68.

5. Исследование напряженного состояния хвостовика лопатки /Эйгенсон С.Н., Корихин Н.В., Исаев Б.В., Гинзбург A.b. // Депонир.-в ВИНИТИ 10.09.90. - 14 981-690. - Ленинград. - 1990. - 10 с. .

6. A.c.СССР, № 1610370, AI, G Ol Jf 3/00. Способ создания внутренних трещин в составных моделях из оптически чувствительного материала /Титов В.Б., Корихин Н.В., Эйгенсон С.Н. - Опубл.30.11.90. Бюл.К 44.

7. А.с.СССР, f 1597534, С 01 В II/I8. Способ "замораживания" деформаций модели / Ольховик O.E. и Корихин Н.В.' - Опубл.07.10.уО. Бплл.№ 37.

ь. Определение коэффициентов интенсивности напряжений сварного соединения с трещиной / Н.В.Корихин, С.Н.Эйгенсон, А.Я.лронсон, С.В.Иванов // Проблемы прочности. - 1992. J? 9. - С. 12-17.

9. Эйгенсон С.Н., Корихин Н.В. Исследование напряженного состояния замкового соединения лопатки газовой турбины с диском //Тяжелое машиностроение. - 1994. - К1 2-3. С.24-26.