+7 (495) 135-43-15
Рабочий день с 9:00 до 18:00
Российская ФедерацияУказание Минэнергомаша СССР

РТМ 108.021.103-85 Детали паровых стационарных турбин. Расчет на малоцикловую усталость

установить закладку
установить закладку

РТМ 108.021.103-85

Группа 02

РУКОВОДЯЩИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

ДЕТАЛИ ПАРОВЫХ СТАЦИОНАРНЫХ ТУРБИН

РАСЧЕТ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

Дата введения 1986-07-01

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ указанием Министерства энергетического машиностроения от 13.09.85 N АЗ-002/7382

ИСПОЛНИТЕЛИ: А.И.Левченко, канд. техн. наук (руководитель темы); В.С.Балина, канд. техн. наук; Е.Р.Плоткин, канд. техн. наук; М.Н.Зингер; В.М.Панасюк; С.А.Тихомиров

Указанием Министерства энергетического машиностроения от 13.09.85 N АЗ-002/7382 срок введения установлен с 01.07.86

ВЗАМЕН РТМ 108.021.103-76

Настоящий руководящий технический материал распространяется на стационарные паровые турбины для тепловых и атомных электростанций и приводные паровые турбины и содержит рекомендуемую методику расчета на малоцикловую усталость деталей турбин.


1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Расчет на малоцикловую усталость является поверочным, его производят на стадиях технического проекта и разработки рабочей документации. Расчет выполняется с учетом всех нагрузок и температурных полей при всех расчетных режимах на срок службы, заданный техническими условиями на изготовление детали.

1.2. Основные расчетные режимы элементов турбины определяются РТМ 108.021.104-77*. Расчеты напряжений в элементах роторов и корпусов цилиндров и клапанов выполняются по методам, изложенным в ОСТ 108.020.109-82 и ОСТ 108.020.132-85. Допускается использование других расчетных методик, а также экспериментальных значений напряжений, соответствующих условиям эксплуатации.

________________

* Документ не приводится, здесь и далее по тексту. За дополнительной информацией обратитесь по ссылке. - Примечание изготовителя базы данных.

           

1.3. Обозначения, применяемые в РТМ, приведены в обязательном приложении 1. Характеристики прочности турбинных материалов при рабочих температурах принимаются по нижнему уровню механических свойств, приводимых в нормативных документах на изготовление деталей (см. справочное приложение 2). Метод определения напряжений в кольцевых канавках на поверхности роторов и пример расчета ротора на малоцикловую усталость представлены в справочных приложениях 3 и 4.


2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМПЛИТУДЫ ИНТЕНСИВНОСТИ ДЕФОРМАЦИЙ

    2.1. Выбор расчетной модели

2.1.1. На основании анализа действующих нагрузок и температурных полей, а также полученных максимальных и минимальных значений напряжений при стационарных и нестационарных режимах работы выбираются наиболее напряженные области элементов турбины, для которых проводится поверочный расчет на малоцикловую усталость.

2.1.2. Расчет на малоцикловую усталость выполняется по амплитудам интенсивностей местных упругопластических (упругих) деформаций при расчетной температуре в этой области. За расчетную температуру принимается максимальная температура в рассматриваемой точке детали , равная температуре при номинальном режиме эксплуатации.

2.1.3. При определении амплитуды интенсивности деформаций возможны следующие расчетные модели:

расчет деталей с использованием численных методов на ЭЦВМ при упругопластическом (упругом) циклическом нагружении;

расчет с использованием коэффициентов концентрации напряжений при упругопластическом циклическом деформировании материала;

расчет с использованием коэффициентов концентрации в упругой области.


    2.2. Расчет с использованием численных методов

2.2.1. Для вычисления амплитуды деформаций используются численные методы расчета деталей (с учетом концентрации напряжений) при циклическом упругопластическом или упругом нагружении с применением экспериментальной (или аппроксимированной) диаграммы материала.

Амплитуда деформаций определяется по значениям интенсивности в течение цикла нагружения (исходное состояние - нагружение - номинальный режим - разгружение - исходное состояние) с использованием выражения

,                                                          (1)

где , - максимальное и минимальное значения интенсивности деформаций в цикле.

Если в исходном состоянии интенсивность деформаций равна нулю, то текущие значения интенсивности подсчитываются по формуле

,

где , , - главные линейные деформации; - значения разности деформаций, соответствующие

(; ).

Если в исходном состоянии деформации равны , то имеем зависимость

,

где - приращения деформаций.

При значениях интенсивностей упругих деформаций, удовлетворяющих условию

,                                                    (2)

где

; ; ,

амплитуда деформации определяется по результатам расчета детали в упругом состоянии. При невыполнении этого условия амплитуда деформации находится из расчета детали в упругопластическом состоянии. При расчете используются размахи напряжений и деформаций, а также кривая упругопластического циклического деформирования, построенная в удвоенном масштабе (по принципу Мазинга).

В формуле (2):  

, , - значения модуля упругости материала при расчетной температуре и температурах , , соответствующих максимальному и минимальному значениям интенсивности деформаций;

- коэффициент Пуассона;

- предел текучести материала при циклическом деформировании, зависящий от температуры.

2.2.2. На основании экспериментальных данных для стали марок 25Х1М1ФА (Р2МА), 20Х3МВФА (ЭИ415А), 34ХН1МА, 34ХН3МА, 38ХН3МФА, 16Х3МФЛ и 06Х12Н3ДЛ при всех температурах принимаем , где - предел текучести при статическом растяжении (см.справочное приложение 2). Для остальных марок стали, приведенных в справочном приложении 2, полагаем .

Обобщенные для диапазона температур от 20 °С до расчетной температуры экспериментальные кривые упругопластического циклического деформирования (при 0,3 и 20 °С) стали марок 25Х1М1ФА (Р2МА), 20Х3МВФА (ЭИ415А), 15Х1М1Ф и 15Х1М1ФЛ в безразмерных координатах , где , даны на черт.1.


Обобщенные кривые упругопластического циклического деформирования стали при температуре 20 °С

1 - 20Х3МВФА (ЭИ415А); 2 - 25Х1М1ФА (Р2МА); 3 - 15Х1М1Ф, 15Х1М1ФЛ

Черт.1

Используя данные, приведенные в справочном приложении 2, можно построить кривые циклического деформирования для этих марок стали при расчетной температуре.

2.2.3. При отсутствии экспериментальных кривых циклического деформирования допускается использовать расчетную зависимость

                                                         (3)

где

; ;

;

.

Здесь - предел прочности материала при растяжении; - поперечное сужение сечения образца.

При определении показателя степени принимается минимальное значение в диапазоне температур -. При можно использовать зависимость, приведенную на черт.2.


Показатель упрочнения стали при циклическом упругопластическом деформировании

Черт.2

При расчете деталей из малоупрочняющегося материала () допускается пользоваться приближенной моделью идеально упругопластического тела.

           

 

    2.3. Расчет в упругопластической области с использованием метода Нейбера

2.3.1. Упругопластическое циклическое деформирование в местах концентрации напряжений имеет место при выполнении условия

,

где - амплитуда интенсивности условных упругих деформаций с учетом концентрации (см. п.2.4.1).

Величина максимальной (минимальной) интенсивности упругопластических деформаций () в первом полуцикле нагружения определяется из решения графическим способом системы уравнений

;

,                                                     (4)

где второе уравнение описывает кривую циклического упругопластического деформирования на стабилизированном участке.

В системе уравнений (4):

- интенсивность напряжений, подсчитываемая по формуле

;                         (5)

        - максимальная интенсивность условных (упругих) напряжений, приведенных к расчетной температуре,

,

        - интенсивность условных деформаций, равная

;

, , - главные напряжения;

- остаточные напряжения при установившейся ползучести материала (см. п.3.3);

- коэффициент концентрации интенсивности напряжений (см. п.2.4.2).

При втором полуцикле нагружения имеем систему

;

,

(6)

где второе уравнение определяет кривую упругопластического деформирования, построенную по принципу Мазинга из точки начала разгрузки с координатами , .

В формуле (6) - размах интенсивности условных напряжений,

.

Амплитуда интенсивности упругопластических деформаций в этом случае составит

,                                                              (7)

где - решение системы (6).

2.3.2. При отсутствии экспериментальных кривых упругопластического циклического деформирования допускается использовать расчетную зависимость

.                                                    (8)
     

 

    2.4. Расчет в упругой области с использованием коэффициентов концентрации напряжений

2.4.1. При выполнении в местах концентрации напряжений условия имеет место упругое циклическое деформирование. В этом случае амплитуда интенсивности деформаций равна

,                                                               (9)

где - амплитуда интенсивности номинальных деформаций,

;                                  (10)

        - приведенный теоретический коэффициент концентрации напряжений (при циклическом нагружении);

- амплитуда интенсивности номинальных напряжений.   

 

2.4.2. Приведенный теоретический коэффициент концентрации напряжений вычисляется по формуле

    ,                                               (11)

где , - теоретические коэффициенты концентрации интенсивности напряжений, определяемые в общем случае по соотношению

.                        (12)

Здесь , , - главные номинальные напряжения; , - теоретические коэффициенты концентрации напряжений , .

Теоретические коэффициенты концентрации напряжений определяются по ГОСТ 25.504-82, ОСТ 108.020.109-82, ОСТ 108.020.132-85 или находятся с помощью расчетных или экспериментальных методов. Коэффициенты концентрации напряжений в канавках на поверхности роторов приведены в справочном приложении 3.


3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСКАЕМОГО ЧИСЛА ЦИКЛОВ
     

     3.1. Расчет по экспериментальным кривым малоцикловой усталости

3.1.1. Число циклов нагружения до появления трещин определяется по экспериментальным кривым малоцикловой усталости, полученным по результатам испытаний образцов на растяжение-сжатие при жестком симметричном цикле и постоянной температуре по ГОСТ 25.502-79. Экспериментальные кривые усталости стали марок 25Х1М1ФА (Р2МА), 20Х3МВФА (ЭИ415А), 15Х1М1Ф и 15Х1М1ФЛ приведены на черт.3-5. При построении кривых усталости принято:

; .

Экспериментальные кривые усталости стали 25Х1М1ФА (Р2МА) при изотермическом симметричном цикле напряжений

Черт.3

Экспериментальные кривые усталости стали 20Х3МВФА (ЭИ415А) при изотермическом симметричном цикле напряжений

Черт.4

Экспериментальные кривые усталости стали марок 15Х1М1Ф, 15Х1М1ФЛ при изотермическом симметричном цикле напряжений

Черт.5

Допускаемое число циклов при расчетных температурах ниже 480 °С для жаропрочной хромистой стали, ниже 420 °С для легированной стали и ниже 350 °С для углеродистой стали принимается меньшим из двух значений

,                                                             (13)

где , - числа циклов, соответствующие на кривой усталости амплитудам и ;

, - коэффициенты запаса прочности по числу циклов и деформаций (см. п.3.5);

- приведенная к симметричному циклу амплитуда интенсивности деформаций с учетом эффективного коэффициента концентрации напряжений .

При вышеуказанных температурах имеем соотношение

,                                                    (14)

где                      ;

;

- предел усталости при расчетной температуре;

- коэффициент асимметрии цикла напряжений (см. п.3.4);

- коэффициент чувствительности стали к концентрации напряжений, определяемый ГОСТ 25.504-82 (черт.6).


Зависимость коэффициента чувствительности стали к концентрации напряженийот радиуса галтели (отверстия)

Черт.6

Предел усталости определяется экспериментально по данным испытания образцов при жестком нагружении по ГОСТ 25.502-79 на базе 10 циклов нагружения и приводится к нижнему уровню механических свойств, указанных в технических условиях на поковки и отливки. При отсутствии опытных данных принимается .

3.1.2. При повышенных температурах, когда проявляется ползучесть материала в номинальном режиме эксплуатации, допускаемое число циклов находится по соотношению

,                                                (15)

где - интенсивность напряжений в рассматриваемой точке детали при состоянии установившейся ползучести (см. п.3.3);

- предел длительной прочности материала для момента времени, определяемого заданным техническими условиями на турбину ресурсом;

- показатель степени в уравнении длительной прочности () в интервале времени (1-2)10 ч эксплуатации.

Приведенная к симметричному изотермическому циклу напряжений при расчетной температуре амплитуда интенсивности деформации подсчитывается по зависимости

,                                      (16)

где

.

Здесь , - пределы длительной прочности за срок службы при соответствующей температуре; - максимальное напряжение в цикле (см. п.3.4).


    3.2. Расчет по корреляционным зависимостям малоцикловой усталости

3.2.1. При отсутствии экспериментальных данных по малоцикловой усталости допускается использовать для приближенных расчетов корреляционные зависимости числа циклов от характеристик материала при кратковременном и длительном разрыве в соответствии с ГОСТ 25.504-82.

При невысоком уровне расчетных температур

,                                            (17)

где ; ; при расчетных температурах, когда имеет место влияние ползучести на характеристики материала,

,                                              (18)

где , .

Характеристики прочности и пластичности материала , , , принимаются равными минимальным гарантированным значениям в рассматриваемом интервале температур для всего срока службы.

Длительная пластичность определяется по средним (медианным) значениям для каждого уровня температур и принимается при расчете равной минимальному значению в диапазоне рабочих температур .

Кривые усталости стали марок 16Х3МФЛ, 06Х12Н3ДЛ и 25Л при симметричном цикле напряжений, рассчитанные по формулам (17) и (18) с использованием характеристик материалов по справочному приложению 2, приведены на черт.7.


Теоретические кривые усталости стали марок 16Х3МФЛ, 06Х12Н3ДЛ и 25Л при изотермическом симметричном цикле напряжений

1 - 16Х3МФЛ; 2 - 06Х12Н3ДЛ; 3 - 25Л

Черт.7

3.2.2. При упругом циклическом деформировании формулы (17) и (18) можно упростить, полагая

,

где амплитуда интенсивности условных напряжений

.

   

    3.3. Определение интенсивности напряжений

3.3.1. Интенсивность напряжений при состоянии установившейся ползучести материала в номинальном режиме эксплуатации подсчитывается по формуле

,                  (19)

где , , - главные напряжения при установившейся ползучести; , - напряжения, соответствующие выбранному в п.2.2.1 направлению осей.

3.3.2. При наличии концентраторов напряжений в виде галтели и канавки

,                                                                 (20)

где - коэффициент концентрации интенсивности напряжений при ползучести; - интенсивность номинальных напряжений при состоянии установившейся ползучести материала.

Интенсивность напряжений подсчитывается по формулам (19) или (20) при условии, что максимальные или минимальные напряжения в цикле ниже пределов текучести при температурах или соответственно или суммарные (остаточные из-за пластического деформирования и напряжения при номинальном режиме эксплуатации) напряжения не превышают значений при температурах , соответственно. В случае, когда суммарные напряжения превышают значения , расчет напряжений следует выполнять по суммарным напряжениям с учетом их релаксации при номинальном режиме по специальным методикам.

Коэффициент концентрации интенсивности напряжений определяется по соотношениям:

;                                                                    (21)

,                                                                        (22)

где - интенсивность напряжений в номинальном режиме при упругом состоянии материала (с учетом концентрации); - показатель степенного закона ползучести.

3.3.3. Интенсивность напряжений на внутренней поверхности патрубка корпуса, нагруженного давлением , определяется согласно ОСТ 108.020.132-85 и формуле (19) по соотношению

,                                                      (23)

где - наружный диаметр корпуса, - толщина стенки корпуса.

    3.4. Вычисление коэффициента асимметрии

3.4.1. Коэффициент асимметрии цикла напряжений вычисляется по выражению

                                               (24)

где максимальное напряжение в цикле равно

                       (25)

    3.5. Запасы прочности

3.5.1. Коэффициент запаса прочности по числу циклов для всех деталей паровых турбин при использовании экспериментальных кривых усталости принимается 5, а при расчете по зависимостям (17) и (18) 10.

Коэффициент запаса прочности по амплитуде разрушающих деформаций составляет:

для деталей турбин АЭС 1,5;

для роторов турбин ТЭС и приводных турбин 1,5;

для элементов турбин ТЭС и приводных турбин, изготовленных методом литья, 1,5;

для деталей статоров турбин ТЭС и приводных турбин, изготовленных методом ковки или проката, 1,25.

3.5.2. При оценке ресурса детали нестационарность напряжений и температур при эксплуатации на различных режимах учитывается на основе линейного суммирования повреждаемости по формуле

,                                                            (26)

где - число циклов нагружения на -м режиме эксплуатации с напряжениями ;

- число циклов нагружения, определяемое по формуле (13) при уровне напряжении -го режима;

- число различных режимов нагружения.

Следует рассмотреть сложные режимы нагружения, состоящие из пусков из холодного, горячего и неостывшего состояний и сброса нагрузки с номинальной до нагрузки собственных нужд с последующим нагружением (разгружением) блока. Условие прочности при нестационарных режимах нагружения записывается в виде 1.

Повреждаемость материала за 1 год эксплуатации составит

,

где - заданный техническими условиями на изготовление ресурс детали, год. Тогда допускаемый срок службы детали при заданных режимах ее эксплуатации составит величину .

3.5.3. В тех случаях, когда по расчетной оценке циклической прочности элемента турбины не обеспечиваются требуемые запасы прочности, может быть проведена оценка прочности по результатам испытаний элементов конструкций или их моделей, спроектированных и изготовленных в соответствии с требованиями, предъявляемыми к натурным конструкциям. Режим испытаний по нагрузкам и температурам должен соответствовать условиям эксплуатации. При этом коэффициент запаса прочности по моменту возникновения трещин при циклических испытаниях должен быть не менее 3, а 1,25.

Дополнительные справочные данные для расчета на малоцикловую усталость и пример поверочного расчета ротора турбины приведены в справочных приложениях 2-4.


ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Обязательное

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

В РТМ используются следующие основные обозначения:

- расчетная температура в точке, равная температуре при номинальном режиме эксплуатации, °С;

, - температуры, соответствующие максимальной и минимальной интенсивностям деформаций, °С;

- амплитуда интенсивности деформаций при циклическом нагружении;

, - максимальная и минимальная интенсивности деформаций в цикле;

, , - главные линейные деформации;

- амплитуда интенсивности номинальных деформаций (без учета концентрации);

, - максимальная и минимальная интенсивности номинальных деформаций;

- приведенная к симметричному изотермическому циклу амплитуда интенсивности деформаций;

- интенсивность деформации, соответствующая пластической деформации 0,2% на кривой циклического деформирования;

, - интенсивность деформации в первом и втором полуциклах упругопластического нагружения;

- интенсивность условных деформаций, приведенная к расчетной температуре;

- модуль упругости материала при расчетной температуре , МПа;

, - значения модуля упругости при температурах и , МПа;

- коэффициент Пуассона материала (зависимость от температуры не учитывается);

- предел текучести материала при циклическом деформировании, зависящий от температуры, МПа;

- среднее значение приведенных к расчетной температуре циклических пределов текучести материала при температурах , , МПа;

, - приведенные к расчетной температуре циклические пределы текучести материала при температурах и , МПа;

- предел текучести материала при статическом растяжении, МПа;

- интенсивность напряжений при упругопластическом циклическом нагружении, МПа;

, , - главные напряжения, МПа;

- интенсивность условных (при упругом состоянии материала) напряжений, МПа;

, - максимальная и минимальная интенсивности условных напряжений, МПа;

- максимальная интенсивность условных напряжений, приведенная к расчетной температуре, МПа;

, - интенсивность напряжений в первом и втором полуциклах упругопластического нагружения, МПа;

- среднее значение приведенных к расчетной температуре статических пределов текучести при температурах и , МПа;

, - максимальная и минимальная интенсивности номинальных напряжений, МПа;

, , - главные номинальные напряжения, МПа;

- амплитуда интенсивности номинальных напряжений, МПа;

- амплитуда интенсивности условных напряжений, МПа;

- расчетная амплитуда интенсивности циклических условных напряжений, МПа;

- амплитуда интенсивности циклических условных напряжений, приведенная к симметричному изотермическому циклу нагружения, МПа;

- интенсивность напряжений в номинальном режиме при упругом состоянии материала, МПа;

- интенсивность напряжений в номинальном режиме при состоянии установившейся ползучести, МПа;

, , - главные напряжения при установившейся ползучести, МПа;

- интенсивность номинальных напряжений при ползучести, МПа;

- максимальные приведенные к расчетной температуре условные напряжения, МПа;

- максимальные напряжения цикла, МПа;

- предел усталости материала на базе 10 циклов при симметричном нагружении, МПа;

- предел усталости при несимметричном цикле напряжений, МПа;

- предел прочности материала при растяжении, МПа;

- предел длительной прочности материала за срок службы при расчетной температуре, МПа;

- поперечное сужение сечения образца при кратковременном разрыве, %;

- поперечное сужение сечения образца при длительном разрыве в течение срока службы, %;

- показатель упрочнения материала при степенном законе циклического деформирования;

- теоретический коэффициент концентрации напряжений;

- приведенный теоретический коэффициент концентрации интенсивности напряжений;

- эффективный коэффициент концентрации интенсивности напряжений;

- коэффициент концентрации интенсивности напряжений при установившейся ползучести материала;

- показатель степенного закона ползучести материала;

- коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений;

- показатель степенного закона длительной прочности при расчетной температуре;

- коэффициент асимметрии цикла напряжений;

- число циклов нагружения;

- допускаемое число циклов нагружения;

- накопленная суммарная повреждаемость материала;

- коэффициент запаса прочности по деформации;

- коэффициент запаса прочности по числу циклов;

- ресурс детали, год.


ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Справочное

ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛИ

Для определения расчетных характеристик прочности и пластичности стали следует использовать значения, приведенные в технических условиях на изготовление изделий и руководящих указаниях на материалы (РУ, вып.16 и 43).

В таблице приведены минимальные значения поперечного сужения , пределов текучести и усталости и средние гарантированные значения пределов длительной прочности и поперечного сужения при длительном разрыве для ресурса 10 ч. Даны также зависимости модуля упругости и показателей степенного закона ползучести и длительной прочности в интервале времени (1-2)10 ч от температуры.

Характеристики прочности и пластичности стали

Марка стали; ОСТ, ТУ на изделие

, °С

, %

, %

, МПа

, МПа

, МПа

, МПа

25Х1М1ФА (Р2МА) ТУ 108.1029-81*

20

50

50

216

500

250

-

-

-

400

50

50

197

430

230

-

-

-

450

60

50

192

420

225

390

3,0

15

475

60

50

189

410

210

260

3,0

14

500

60

50

186

400

195

215

3,0

7

525

60

50

183

390

180

175

2,8

5

550*

60

40

179

360

160

130

2,2

4

________________

* ТУ, упомянутые здесь и далее по тексту, являются авторской разработкой. За дополнительной информацией обратитесь по ссылке. - Примечание изготовителя базы данных.

20Х3МВФА (ЭИ415А) ТУ 108.1029-81

20

45

45

211

600

290

-

-

-

400

45

45

190

480

220

-

-

-

450

45

45

185

465

210

390

4,0

15

475

45

45

182

455

200

260

4,0

15

500

45

45

180

450

190

210

4,0

13

525

50

45

177

420

180

180

3,5

9

550

50

40

174

400

170

150

3,0

6

40ХА
ТУ 108.1029-81

20

40

40

218

350

230

-

-

-

400

40

-

190

310

200

-

-

-

450

50

-

185

300

170

-

-

-

500

50

-

179

250

130

-

-

-

34ХМА
ТУ 108.1029-81

20

40

40

218

350

230

-

-

-

425

40

-

193

300

220

290

2,2

14

450

40

-

192

280

215

230

2,2

9

500

40

-

186

270

180

150

2,2

8

525*

40

-

182

260

170

100

2,2

6

34ХН1МА
ТУ 108.1028-81

20

40

40

211

500

270

-

-

-

400

40

-

186

410

210

-

-

-

500

40

-

176

370

170

-

-

-

34ХН3МА
ТУ 108.1029-81

20

40

40

211

650

330

-

-

-

450

40

-

181

490

270

230

3,6

6

500

40

-

176

470

245

60

2,2

4

550*

40

-

171

430

210

40

2,2

4

38ХН3МФА
ТУ 108.1029-81

20

40

40

208

650

330

-

-

-

450

50

-

173

530

250

260

5,0

8

500

50

-

169

470

215

130

5,0

6

550*

60

-

165

410

180

75

2,2

5

15Х1М1Ф
ОСТ 108.030.113-77*

20

45

45

214

320

220

-

-

-

400

45

45

187

240

170

-

-

-

450

45

40

182

230

160

-

-

-

475

45

38

179

220

150

220

4,0

8

500

45

35

177

210

135

180

4,0

7

520

45

30

175

210

125

145

4,0

6

540

50

20

173

210

110

118

4,0

5

570

50

15

172

190

105

86

3,5

5

________________

* Документ не действует. Действует ОСТ 108.030.113-87, здесь и далее по тексту. - Примечание изготовителя базы данных.

15Х1М1ФЛ
ОСТ 108.961.02-79

20

35

35

217

300

200

-

-

-

400

35

35

187

240

170

-

-

-

450

35

35

183

230

155

-

-

-

475

35

30

181

220

145

220

4,0

8

500

35

20

179

210

135

180

4,0

7

520

40

18

177

210

125

145

4,0

6

540

45

15

175

210

95

106

3,5

4

570

50

10

171

190

80

78

3,2

4

20ХМФЛ
ОСТ 108.961.02-79

20

35

35

201

280

200

-

-

-

400

35

35

181

240

180

-

-

-

450

35

35

178

210

175

-

-

-

480

35

30

176

210

165

240

3,0

15

500

35

25

174

210

155

164

2,9

6

520

35

20

172

210

150

118

2,8

4

540

35

15

171

200

135

100

2,8

4

550

35

10

170

190

120

79

2,8

4

20ХМЛ
ОСТ 108.961.02-79

20

30

30

201

250

190

-

-

-

400

30

30

181

200

165

-

-

-

450

30

30

178

185

160

-

-

-

470

30

30

177

185

155

210

5,2

9

500

30

25

174

185

145

145

2,3

4

510

30

25

173

185

140

120

2,3

4

520

30

25

172

185

140

110

2,3

4

550*

30

25

170

180

125

48

2,2

3

12МХЛ
ОСТ 108.961.02-79

20

40

40

216

200

160

-

-

-

400

40

40

193

160

145

-

-

-

450

45

40

188

150

130

-

-

-

480

45

40

185

150

120

180

6,0

4

500

45

30

183

150

110

138

6,0

4

510

45

30

182

150

110

117

4,0

3

540*

45

30

179

140

80

64

4,0

3

25Л
ОСТ 108.961.02-79

20

30

30

211

240

180

-

-

-

350

30

-

195

160

140

-

-

-

400

30

-

191

150

140

153

5,0

7

425

35

-

189

140

115

130

4,0

7

450

40

-

186

130

90

95

3,0

6

16Х3МФЛ
ОСТ 108.961.02-79

20

35

-

211

430

240

-

-

-

200

35

-

201

400

210

-

-

-

300

35

-

196

350

200

-

-

-

350

35

-

190

350

185

-

-

-

06Х12Н3ДЛ
ТУ 108.923-80

20

30

-

210

500

280

-

-

-

200

30

-

200

480

250

-

-

-

300

30

-

195

460

230

-

-

-

400

30

-

185

430

215

-

-

-

________________

Температура, превышающая максимальные допустимые значения.

    

ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Справочное

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В КОЛЬЦЕВЫХ КАНАВКАХ НА ПОВЕРХНОСТИ РОТОРОВ

1. КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ОДИНОЧНОЙ КАНАВКЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ВАЛА

1.1. В узкой симметричной канавке (черт.1, а) коэффициент концентрации осевых напряжений при растяжении определяется по соотношению

,                                                                 (1)

где - радиус кривизны канавки, - глубина канавки.

Типовые формы канавок на поверхности роторов

а - симметричная; б - несимметричная; в - широкая

Черт.1

Если на поверхности ротора имеются уступы лабиринтового уплотнения, то глубина канавки измеряется от поверхности между уступами лабиринта.

В узкой несимметричной канавке (черт.1, б)

;                                                            (2)

в широкой канавке (черт.1, в)

,                                                            (3)

где

.                                                                (4)

Здесь - длина горизонтальной части донного участка канавки.

Максимальные напряжения определяются следующим образом:

,                                                              (5)

где - номинальные напряжения от действия осевой нагрузки

;

, - внутренний и наружный радиусы вала.

1.2. При неравномерном поле номинальных напряжений , характерном для неравномерно нагретого ротора (без учета местного температурного поля на дне канавки), максимальные осевые напряжения в одиночной кольцевой канавке определяются следующим образом:

,                                            (6)

где и - номинальные осевые напряжения в данном сечении гладкого вала на поверхности и на глубине соответственно (черт.2).

Распределение номинальных напряжений в зоне одиночной канавки

Черт.2

Если принять за номинальное значение величину осевых температурных напряжений в гладком вале на глубине от поверхности, то коэффициент концентрации температурных напряжений равен

,                                                   (7)

где

.                                                          (8)

Коэффициент зависит от неравномерности распределения номинальных напряжений по высоте канавки.

2. КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В РАВНОМЕРНОЙ ЦЕПОЧКЕ КОЛЬЦЕВЫХ КАНАВОК

2.1. Взаимовлияние соседних канавок существенно снижает в них концентрацию напряжений. Снижение определяется величиной относительного шага ( - расстояние между соседними канавками). При относительном шаге 10 взаимовлияние незначительно (менее 5%), и канавки могут рассматриваться как одиночные.

Если поле номинальных напряжений не изменяется в осевом направлении (), то коэффициент концентрации из-за взаимовлияния соседних канавок определяется формулой

.                                                         (9)

Здесь величина зависит от относительного шага и равна:

для бесконечной цепочки одинаковых канавок (черт.3, а)

();                                                   (10)

для крайней канавки полубесконечной цепочки (черт.3, б)

;                                                             (11)

Влияние относительного шага на концентрацию напряжений в цепочке одинаковых канавок

а - бесконечный ряд канавок; б - крайняя канавка полубесконечного ряда

Черт.3

для коротких цепочек из нескольких одинаковых канавок () зависимость приведена на черт.4;


Влияние относительного шага на концентрацию напряжений в системе изканавок

а - ; б - ; в -

Черт.4

для равномерной цепочки с периодическим расположением двух канавок различной глубины и зависимость показана на черт.5, на котором приведены кривые для различного соотношения глубин канавок . На оси абсцисс отложен относительный шаг , отнесенный к глубине той канавки (1, 2), в которой рассчитывается концентрация. Сплошной линией отражено изменение концентрации в более глубокой канавке (), пунктиром - в более мелкой ().


Снижение концентрации напряжений при периодическом расположении двух канавок различной глубины

- в канавке 1; - в канавке 2

Черт.5

Эти же зависимости могут использоваться и при неравномерном в осевом направлении поле номинальных напряжений , если осевая неравномерность поля в зоне максимальных значений относительно невелика и отвечает условию

,                                                 (12)

где - номинальные напряжения в зоне -й канавки;

, - то же, в зоне ближайших канавок слева и справа соответственно;

- допустимая погрешность расчета напряжений.

2.2. В общем случае осесимметричного поля номинальных напряжений , существенно неравномерного в радиальном и осевом направлениях (черт.6), расчет напряжений в системе одинаковых канавок производится с учетом напряжений , отражающих взаимовлияние канавок, по формуле, аналогичной формуле (6):

,                   (13)

где - номер канавки;

- коэффициент концентрации одиночной канавки в соответствии с формулами (1)-(3);

- безразмерное расстояние точки от поверхности вала;

- безразмерная осевая координата канавки.


Расчетная схема вала с системой изодинаковых канавок

а - номинальные напряжения; б - участок вала

Черт.6

Для цепочки, состоящей из кольцевых канавок, напряжения и во всех канавках определяются решением системы из линейных алгебраических уравнений:

;

(14)

,

где

(; ).                                             (15)

Значения функции влияния одиночной канавки приведены в табл.1.

Таблица 1

Функция влиянияодиночной кольцевой канавки на поверхности вала

0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

4,0

5,0

0

-

-

-

779

253

141

28

25

22

0,5

-1036

-760

366

437

281

174

67

46

25

1,0

-978

-492

34

204

211

158

105

70

30

1,5

-690

-381

-58

86

132

118

104

73

39

2,0

-480

-300

-96

18

71

80

88

67

43

2,5

-343

-238

-106

-20

30

49

68

56

42

3,0

-248

-187

-106

-43

1

26

50

45

39

4,0

-139

-123

-89

-54

-23

0

23

25

28

5,0

-96

-84

-69

-50

-30

-13

5

12

19

6,0

-65

-62

-54

-42

-29

-17

-4

3

11

7,0

-50

-46

-42

-34

-26

-18

-9

-2

5

8,0

-39

-36

-33

-29

-23

-17

-11

-5

2

9,0

-30

-29

-26

-23

-20

-16

-12

-6

0

10,0

-24

-23

-21

-20

-17

-14

-11

-6

-1

11,0

-19

-19

-18

-16

-15

-13

-11

-7

-2

12,0

-16

-16

-15

-14

-12

-11

-10

-7

-3

13,0

-14

-14

-13

-12

-11

-10

-9

-6

-3

14,0

-12

-12

-11

-10

-10

-9

-8

-6

-3

15,0

-10

-10

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-3

16,0

-9

-9

-9

-7

-7

-6

-6

-5

-3

17,0

-7

-7

-7

-6

-6

-6

-6

-5

-3

18,0

-6

-6

-6

-6

-6

-5

-5

-4

-3

19,0

-5

-5

-5

-5

-5

-5

-4

-4

-3

20,0

-5

-5

-5

-4

-4

-4

-4

-3

-2

25,0

-2

-2

-2

-2

-2

-2

-2

-2

-1

30,0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Для длинной цепочки канавок (3) с существенно неравномерным в осевом направлении полем номинальных напряжений при относительном шаге 4 допускается выполнять оценку коэффициента концентрации в любой -й канавке по формуле (9), где определяется аналогично выражению (8):

                                                      (16)

и

.                                                    (17)

Для крайней канавки значение номинальных напряжений (или ) с той стороны, где соседняя канавка отсутствует, принимается равным нулю.

3. ОБЩИЙ СЛУЧАЙ ПРОИЗВОЛЬНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ КАНАВОК, ОТЛИЧАЮЩИХСЯ ГЛУБИНОЙ И ФОРМОЙ

3.1. Изложенная в п.2.2 схема расчета применима и для общего случая произвольного расположения различных канавок (черт.7) при осесимметричном поле номинальных напряжений вне зависимости от характера нагрузки, их вызвавшей (механическая или температурная). В этом случае значения функции влияния должны вычисляться в точках с безразмерными координатами, отнесенными к глубине канавки ( - номер канавки, по которому проводится суммирование в уравнениях системы (14)). Поэтому система для определения напряжений имеет вид

   ;             
(18)

                                                                 

Общий случай расположения канавок на поверхности вала

Черт.7

3.2. Расчет максимальных напряжений выполняется по формуле (13) с использованием для каждой из канавок своего значения коэффициента концентрации при растяжении , рассчитанного по формулам (1)-(3) и соответствующего форме и размерам данной канавки.


4. СИСТЕМА КАНАВОК НА ПОВЕРХНОСТИ ВАЛА С УСТУПАМИ В ЗОНЕ КОНЦЕВЫХ И ПРОМЕЖУТОЧНЫХ УПЛОТНЕНИЙ

4.1. Если в зоне концевого или промежуточного уплотнения имеются значительные уступы или изменения диаметра вала при переходе от лабиринтового уплотнения к гладкой поверхности ротора (черт.8), расчет номинальных напряжений в роторе должен выполняться с учетом этих особенностей формы ротора, но без тепловых канавок. Расчет взаимовлияния канавок () производится с помощью уравнений (14) или формулы (17). Вместо уступов вводятся дополнительные канавки (по одной с каждого края уплотнения), номинальные напряжения в которых равны нулю:

.

Расчетная схема ротора в зоне думмиса

Черт.8

Полученные в результате решения системы (14) значения напряжении в канавках или коэффициент по формуле (17) используются в последующем для расчета максимальных напряжений в этих канавках по формулам (13) или (9) соответственно.

4.2. Если высота уступов невелика и сравнима с глубиной канавки на поверхности ротора, то расчет номинальных напряжений можно проводить, приняв в качестве модели гладкий вал без уступов и канавок (черт.9), а при расчете концентрации в канавках с помощью уравнений (14) или формулы (17) следует вводить дополнительные канавки в сечениях, соответствующих положению уступов, со своими номинальными напряжениями:

; ; ; .

Расчетная схема ротора в зоне концевого уплотнения

а - номинальные напряжения; б - участок ротора с канавками; в - расчетная модель

Черт.9


5. РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИИ ОСЕВЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В КАНАВКАХ ДИАФРАГМЕННЫХ УПЛОТНЕНИЙ

5.1. Основной особенностью этой зоны является влияние дисков на напряженное состояние ротора, в том числе и на концентрацию напряжений в канавках на поверхности уплотнений.

Для определения напряжений в канавках диафрагменных уплотнений в качестве значений номинальных напряжений принимается поле напряжений в роторе без канавок и без дисков (черт.10), т.е. в гладком вале с наружным радиусом (поверхность уплотнения между уступами лабиринта). Температурное поле вала , используемое при расчете номинальных напряжений, должно быть получено с учетом влияния дисков.


Расчетная схема ротора в зоне диафрагменных уплотнений


а - участок ротора; б - номинальные напряжения; в - расчетная модель

Черт.10

Решением системы уравнений (14) или (18) (в соответствии с рекомендациями разделов 2 и 3) определяются напряжения для всех канавок на поверхности ротора без дисков, учитывающие взаимовлияние канавок. Влияние дисков учитывается дополнительно путем умножения напряжений в канавках, полученных по формуле (13), на коэффициент , который определяется по зависимости

,                                                           (19)

где - ширина прилегающего диска; - расстояние между дисками.

5.2. При расчете напряжений в наиболее нагруженной -й канавке, где имеют место максимальные значения номинальных напряжений и в соответствии с формулой (9) ожидается наибольший уровень концентрации напряжений, можно ограничиться учетом влияния только тех соседних канавок , расстояние от которых до данной не превышает десяти их глубин ().

6. РАСЧЕТ ОКРУЖНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В КАНАВКАХ НА ПОВЕРХНОСТИ РОТОРОВ

6.1. Окружные температурные напряжения в кольцевых канавках определяются по соотношению

,                                                      (20)

где - коэффициент Пуассона.

Для одиночной канавки значения определяются по формуле (7), для цепочки канавок - по формуле (9). Номинальные окружные напряжения определяются на глубине от поверхности ротора в сечении , соответствующем расположению данной канавки. Если расчет осевых напряжений в цепочке канавок проводился с помощью решения системы уравнений (14) или (18), то коэффициент концентрации осевых напряжений для -й канавки определяется как отношение максимальных осевых напряжений, вычисленных по формуле (13), к номинальному значению в соответствующем сечении на расстоянии от поверхности:

.                                                             (21)

7. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ

7.1. Рассчитаем максимальные напряжения в паросборной камере (черт.11). Исходные данные для расчета представлены ниже. Геометрические размеры камеры: 12 мм, 5 мм, 15 мм. Номинальные напряжения: 120 МПа, 80 МПа. По формуле (3) при коэффициент концентрации при растяжении равен

Расчетная схема паросборной камеры на поверхности ротора

Черт.11

В соответствии с зависимостью (8)

.

Коэффициент концентрации температурных напряжений по формуле (7) равен

.

Максимальные напряжения на поверхности камеры составят

МПа.

7.2. Рассчитаем напряжения в системе из двух кольцевых канавок на поверхности ротора паровой турбины (см. черт.9) при нестационарном прогреве ротора.

Геометрические размеры концентраторов показаны на черт.9, б.

За расчетную модель принимается гладкий вал без уступов и канавок (см. черт.9, в).

Поле номинальных напряжений может быть получено по определенному ранее температурному полю одним из известных методов решения задачи термоупругости (например, методом конечного элемента). На черт.9, а показано распределение номинальных напряжений в роторе на поверхности и на глубине тепловых канавок для одного из моментов времени.

Номинальные напряжения, соответствующие сечениям канавок и уступов, приведены в табл.2.

Таблица 2

Обозначение

Номер канавки

1

2

3

4

, МПа

48

97

99

43

, МПа

35

79

80

31

При расчете концентрации напряжений уступы уплотнения (концентраторы 1 и 4 на черт.9, б) условно заменяются тепловыми канавками (см. черт.9, в) с высотой и радиусом кривизны, равными высоте и радиусу кривизны уступа уплотнения.

В результате решения восьми уравнений системы (14) получаем значения напряжений (табл.3).

Таблица 3

Обозначение

Номер канавки

1

2

3

4

, МПа

41,2

88,7

90,1

36,0

, МПа

29,1

72,1

73,4

25,0

Максимальные напряжения в канавках определяются по формуле (13) с учетом формулы (1):

.

Для канавки 2

МПа;

для канавки 3

МПа.

Напряжения в уступах (сечения 1 и 4 на черт.9, б) подсчитываются аналогично.

По формуле (3), полагая , получаем коэффициент концентрации в уступе

.

Используя полученные ранее значения напряжений по формуле (13)

,

находим максимальные напряжения в уступах:

для левого уступа (сечение 1)

МПа;

для правого уступа (сечение 4)

МПа.

7.3. Рассчитаем напряжения в роторе паровой турбины. Основные размеры ротора (см. черт.10, а), в мм: 40, 80, 200, 10, 5, 3, 10, 2, 3.

За расчетную модель при определении номинальных напряжений принимается гладкий вал с радиусом без дисков и концентраторов (см. черт.10, в). Температурное поле определено при расчете процесса прогрева вала с дисками. Поле номинальных напряжений в данном примере получено расчетом по программе на ЭВМ методом конечного элемента. На черт.10, б показано распределение напряжений в вале без дисков и концентраторов в один из моментов времени. Значения номинальных напряжений в зоне концентраторов приводятся в табл.4.

Таблица 4

Обозначение

Номер канавки

1

2

3

4

5

6

7

8

, МПа

24

79

94

94

85

76

63

44

, МПа

10

55

73

76

65

56

46

25

Максимальные напряжения будут возникать в канавках 2, 3, 4, поскольку коэффициенты концентрации напряжений в них равны коэффициентам концентрации в канавках 5, 6, 7, а уровень номинальных напряжений в них выше. С учетом относительных расстояний между канавками можно считать, что канавки 6, 7 и 8 не влияют на напряжения в канавках 2, 3 и 4 ():

; .

Поэтому в дальнейшем при расчете влияние канавок 6, 7 не учитываем.

При подготовке расчета осевая координата несимметричных канавок 2, 4 и 5 принимается по поперечному сечению, проходящему через точку сопряжения большого и малого радиусов кривизны донной части канавки. С учетом этого вычисляются расстояния между канавками . Относительные расстояния определяются глубиной той канавки , по номеру которой проводится суммирование в уравнениях системы (18). Так для пары канавок 3 и 5, расстояние между которыми мм, значения функций влияния надо определять при 17 и при 8,5, которые соответствуют глубинам канавок 5 и 10 мм.

В результате решения системы десяти уравнений получаем значения напряжений (табл.5).

Таблица 5

Обозначение

Номер канавки

1

2

3

4

5

, МПа

15,6

64,6

41,7

78,5

78,2

, МПа

5,5

47,7

43,8

68,0

60,2

Значения максимальных напряжений в канавках (без учета влияния дисков) вычисляются по формулам (1), (2), (3), (13):

в уступе (1)

;

в придисковых тепловых канавках (2, 4)

;

в тепловой канавке диафрагменного уплотнения (3)

.

В итоге получаем напряжения в канавках (без учета влияния дисков):

в уступе 23 МПа;

в канавке 2 202 МПа;

в канавке 3 178 МПа;

в канавке 4 273 МПа.

В канавке 5 получаем завышенные значения напряжений, так как при решении системы не учитывалось разгружающее влияние канавок 6 и 7. Поэтому эти напряжения не приводятся.

Влияние дисков на напряжения в концентраторах учтем в соответствии с формулой (19):

.

Максимальные напряжения в придисковых тепловых канавках вычисляются по формуле

.

В канавке 4, где они максимальны, имеем

МПа.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Справочное

Пример. РАСЧЕТ РОТОРА НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

 

1. Для выполнения расчета участка ротора (чертеж) на малоцикловую усталость необходимо иметь следующие данные:

Расчетная схема диска ротора

,- радиальные и осевые номинальные напряжения; 1, 2, 3 - номера расчетных точек

температурные поля ротора при пусках, номинальном режиме, остановах и режимах изменения нагрузки турбины;

напряжения во всех режимах при упругом (упругопластическом при ) состоянии материала и в номинальном режиме при состоянии установившейся ползучести, полученные в результате расчета по ОСТ 108.020.109-82 и справочному приложению 3;

теоретические коэффициенты концентрации радиальных (см. чертеж, точка 1) и осевых (см. чертеж, точка 2) напряжений;

характеристики материала ротора.

Рассмотрим следующий цикл нагружения: исходное состояние, пуск, номинальный режим, останов, остывание в течение 65 ч, исходное состояние. Материал ротора турбины ТЭС - сталь марки 25Х1М1ФА (Р2МА) ТУ 108.1029-81, срок службы 10 ч. Расчетная температура всех точек участка ротора равна 500 °С. Согласно данным, приведенным в п.2.3 РТМ и в справочном приложении 2, принимаем для расчета следующие значения характеристик стали:

МПа; МПа; МПа;

; ; ; .

Согласно п.3.1 РТМ полагаем 5 и 1,5.

2. Рассмотрим концентрацию радиальных напряжений в придисковой канавке ротора (см. чертеж, точка 1). В полотне диска имеем следующие номинальные напряжения, температуры поверхности канавки и характеристики материала:

при пуске (в момент достижения максимальных напряжений)

МПа; МПа; МПа;

; °С; МПа;

МПа; МПа;

при номинальном режиме

МПа; МПа; МПа;

МПа;

при останове (после 65 ч остывании)

; °С; МПа;

МПа; МПа.

Здесь - значение линейной составляющей напряжений по ширине полотна диска.

Теоретический коэффициент концентрации напряжений при растяжении полотна диска с галтелью радиусом 6 мм определяем по ОСТ 108.020.109-82; 2,3. Максимальные условные суммарные (температурные и от действия центробежных сил) напряжения составят

МПа,

а коэффициент концентрации суммарных напряжений

.

Условные окружные напряжения находим по формуле

МПа.

Интенсивность максимальных напряжений подсчитывается по соотношению

а амплитуда интенсивности напряжений

МПа;

Следовательно, расчетная амплитуда интенсивности напряжений 151,5 МПа.

При номинальном режиме меридианные и окружные напряжения составят

; ;

МПа; МПа.

Интенсивности напряжений вычисляются по соотношению:

;

МПа;

МПа.

По формуле (21) РТМ находим интенсивности напряжений при установившейся ползучести:

МПа.

Так как по зависимости п.2.3.1 РТМ МПа меньше МПа и МПа меньше МПа, то по соотношениям (24) и (25) РТМ находим максимальное напряжение в цикле и коэффициент асимметрии:

МПа;

.

Приведенная к симметричному циклу амплитуда интенсивности напряжений определяется по зависимости

,

где 1, так как 1 (см.черт.6 РТМ);

МПа;

МПа;

МПа.

Амплитуда интенсивности деформаций (приведенная к симметричному циклу) равна

%.

По графику на черт.4 РТМ при 500 °С для амплитуды имеем 50000, а для амплитуды 1,5·0,1=0,15% 5000. Следовательно, допускаемое число циклов составит

3. Рассмотрим концентрацию осевых напряжений в придисковой канавке (см. чертеж, точка 2). В результате расчета имеем суммарные номинальные напряжения:

при пуске (500 °С)

МПа; МПа; МПа;

;

при номинальном режиме

МПа; МПа; МПа;

МПа; МПа;

при останове ( °C) .

Исходные данные для расчета концентрации напряжений: радиусы кривизны канавки 6 мм, 3 мм; глубина канавки 15 мм; ширина донной части 3,5 мм; толщина дисков и расстояние между ними 87 мм, 113 мм.

Коэффициент концентрации напряжений находим по справочному приложению 3. Коэффициент концентрации в одиночной придисковой тепловой канавке (без учета влияния диска) равен

Коэффициент концентрации для длинной цепочки одинаковых канавок с учетом влияния дисков (влиянием изменения напряжений по оси вала пренебрегаем) подсчитывается по формуле

,

где ;

( мм);

.

Тогда имеем

и минимальные условные напряжения

МПа.

Минимальные окружные напряжения равны

Интенсивность минимальных напряжений составит

МПа,

а амплитуда интенсивности напряжений

МПа.

Интенсивность минимальных номинальных напряжений

МПа,

тогда амплитуда интенсивности номинальных напряжений и коэффициент концентрации равны:

МПа;

.

Так как МПа, МПа.

При номинальном режиме главные напряжения и коэффициент концентрации составят:

  МПа;

;

МПа.

Интенсивности напряжений вычисляются по формуле

;

МПа;

МПа.

Интенсивность напряжений при состоянии установившейся ползучести равна

МПа.

С учетом остаточных напряжений, возникающих при пуске (так как ), суммарная интенсивность напряжений при составит

МПа,

что меньше значения 0,8·215=172 МПа. Следовательно, влияние остаточных напряжений не учитываем, так как они невелики и быстро релаксируют.

По формулам п.2.3.1 и (25) РТМ находим:

МПа;

МПа;

МПа;

МПа.

Коэффициент асимметрии цикла напряжений вычисляем по соотношению

.

Приведенная к симметричному изотермическому циклу амплитуда интенсивности напряжений равна:

;

МПа; ( ; );

МПа;

МПа.

Приведенная амплитуда интенсивности деформаций определяется выражением

%.

По кривой усталости (см. черт.4 РТМ) при 500 °С имеем: 6500; 3000. Следовательно,

4. Рассмотрим напряжения на расточке ротора (см. чертеж, точка 3):

при пуске ( °С)

МПа; МПа; ;

МПа; МПа;

МПа;

при номинальном режиме

МПа; МПа; МПа;

МПа;

при останове ( °С)

.

Интенсивность максимальных напряжений (при пуске) и амплитуда составляют:

МПа.     

Так как

МПа,

то .

При номинальном режиме интенсивности напряжений равны:

;

МПа;

МПа.

При упругом деформировании максимальное напряжение и коэффициент асимметрии цикла напряжений находим по соотношениям:

.

Приведенная к симметричному изотермическому циклу амплитуда напряжений подсчитывается по зависимости

;

МПа; ();

МПа;

МПа.

Амплитуда интенсивности деформаций составит

%.

По кривой усталости при 500 °С находим , 15000. Следовательно,

.

Наибольшая статическая повреждаемость материала от исчерпания длительной прочности имеет место на расточке ротора:

.

Таким образом, допускаемое число пусков за 100 тыс. ч эксплуатации (без учета других режимов) составляет 1300.


ПЕРЕЧЕНЬ ДОКУМЕНТОВ, НА КОТОРЫЕ ДАНЫ ССЫЛКИ В ТЕКСТЕ РТМ

Обозначение документа

Наименование документа

Номер пункта РТМ

ГОСТ 25.502-79

Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость

3.1.1

ГОСТ 25.504-82

Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости

2.4.2; 3.1.1; 3.2.1

ОСТ 108.020.109-82

Турбины паровые стационарные. Расчет на статическую прочность дисков и роторов

1.2; 2.4.2; приложение 4, п.1

ОСТ 108.020.132-85

Турбины паровые стационарные. Нормы расчета на прочность корпусов цилиндров и клапанов

1.2; 2.4.2; 3.3.3

ОСТ 108.030.113-77

Поковки из углеродистой, легированной сталей для котлов, сосудов и станционных трубопроводов. Общие технические условия

Приложение 2

ОСТ 108.961.02-79

Отливки из углеродистых и легированных сталей для деталей паровых стационарных турбин с гарантированными характеристиками прочности при высоких температурах. Технические условия

Приложение 2

РТМ 108.021.104-77

Турбины паровые стационарные. Расчет деформаций и напряжений в элементах турбин при пусках

1.2

ТУ 108.923-80

Отливки из стали марки 06Х12Н3ДЛ для деталей паровых турбин АЭС

Приложение 2

ТУ 108.1028-81

Заготовки дисков паровых турбин

Приложение 2

ТУ 108.1029-81

Заготовки валов и роторов паровых турбин

Приложения 2, 4

РУ, вып.16

Свойства сталей и сплавов, применяемых в котлотурбостроении

Приложение 2

РУ, вып.43

Служебные свойства котельных материалов

Приложение 2