Термическое растрескивание горловинных вставок сопел твердотопливных ракетных двигателей

15.11.2019

Введение


Термическое растрескивание вкладышей ракетных сопел из пропитанного серебром вольфрама — постоянная проблема для предприятий, выпускающих твердотопливные ракетные двигатели. Наиболее характерными видами трещин, классифицированными по ориентации относительно оси вкладыша, являются радиальнокольцевые и продольнокольцевые. Радиально кольцевые трещины обычно возникают на наружной поверхности вкладышей и к внутренней поверхности не распространяются до окончания запуска и охлаждения сопла. Продольнокольцевые трещины открываются по отношению к факелу ракетного двигателя на ранней стадии запуска. Трещины этого вида — наиболее частая причина начала разрушения вкладышей сопла.

Уравнения, используемые для расчета термических напряжений в таких цилиндрических, вставках, весьма сложны и решаются при допущении, что расчет проводится для цилиндра бесконечной длины. При таком упрощении концевые эффекты обращаются в нуль и, следовательно, напряжения сдвига также обращаются в нуль. Это приводит к ошибочному заключению об отсутствии сдвиговых напряжений в стенке вкладыша. Поэтому при анализе напряжений в данном случае приходится пользоваться уравнениями сложного напряженного состояния для короткого толстостенного цилиндра. В данной работе не предпринималось попыток решать количественно уравнения напряжений для короткого толстостенного цилиндра. Однако с целью объяснения причин возникновения продольнокольцевых трещин в горловинных вставках ракетных сопел обсуждаются качественные решения.

Характеристики продольнокольцевых трещин


Вкладыш в близком к критическому сечении сопла с продольнокольцевыми трещинами показан на фиг. 23.1. На передней поверхности вкладыша по окружности видны трещины. Последовательные сечения через каждые 1,25 см по периферии вкладыша выявляют характер трещин в трех измерениях. На фиг. 23.2 показаны две характеристики трещины: основная часть трещины имеет гладкие и острые края, типичные для хрупкого разрушения, а в зонах окончания трещин последние имеют рваные неправильные края, характерные для пластичного разрушения.

Термические напряжения вкладышей в близком к критическому сечении сопла


Узнать точную величину термических напряжений при запуске двигателя во вкладышах в близком к критическому сечении сопла весьма трудно. При решении уравнений напряженного состояния надо учитывать условия опыта, конфигурацию вкладыша и зависимость некоторых свойств материала от температуры. Из-за сложности проблем в нашем распоряжении имелись только приблизительные решения, основанные на ряде упрощающих допущений.

Полый толстостенный цилиндр бесконечной длины


В первом приближении вкладыш в близком к критическому сечении сопла можно рассматривать как полый толстостенный цилиндр. Предполагается, что концевые эффекты в цилиндре пренебрежимо малы и что для решения можно воспользоваться анализом напряженного состояния для цилиндров бесконечной длины. В таком случае температурный градиент в цилиндре считается осесимметричным и независящим от осевой координаты. Изменение температуры находили теоретически из анализа условий теплопередачи. Зависимости модуля упругости и коэффициента теплового расширения от температуры определяли по эмпирическим данным.

В этом случае получается, что поле наиболее критических напряжений возникает приблизительно через 5 сек после запуска двигателя, когда разность температур на внутреннем и наружном диаметре вкладыша составляет приблизительно 1660° С (фиг. 23.3). Как ожидалось, на наружной поверхности возникают большие растягивающие напряжения, а на внутренней — большие сжимающие осевые и касательные напряжения. Менее очевидно, однако, то, что радиальные напряжения являются сжимающими и что главные сдвиговые напряжения равны нулю во всем цилиндре.

Такой анализ полезен потому, что он дает хорошие приближенные значения осевых и касательных напряжений. Ho он не характеризует те напряжения, которые способны вызвать разрушение в продольнокольцевой плоскости, потому что для растрескивания необходимо наличие либо радиальных растягивающих напряжений, действующих перпендикулярно данной плоскости, либо напряжений сдвига, действующих параллельно данной плоскости.

Таким образом, напрашивается вывод о том, что либо явление разрушения в продольнокольцевой плоскости не является следствием термических напряжений, либо такой анализ термических напряжений не раскрывает полностью картины возможных напряженных состояний, действительно возникающих в горловинном вкладыше сопла. Уточнению анализа термических напряжений и посвящены дальнейшие рассуждения.

Полный толстостенный цилиндр конечной длины


При рассмотрении коротких цилиндров задача определения распределения термических напряжений еще более усложняется из-за эффектов на торцах цилиндра. Поскольку по одну сторону торца цилиндра материала не существует, то все напряжения, действующие в осевом направлении к этому краю, должны быть равны нулю. Напряжения, действующие в центре (середине) цилиндра, ближе всего выражают распределение напряжений в цилиндре бесконечной длины. Как и для цилиндра бесконечной длины, анализ для короткого цилиндра показывает, что большие растягивающие напряжения действуют в осевом направлении у наружной поверхности центрального сечения и постепенно убывают до нуля к торцам цилиндра. Для компенсации изменения осевых нагрузок распределение напряжений должно отличаться от напряжений, определенных для цилиндра бесконечной длины. Это новое распределение напряжений в коротком цилиндре охватывает изменение величины касательных напряжений и возникновение сдвиговых напряжении на участках между торцами и серединой цилиндра.

Если принять, что цилиндр имеет неограниченную длину, то в стремлении уменьшить термические напряжения свободные торцы цилиндра приобретут склонность к выпучиванию или образованию раструба. Величина выпучивания ограничена малой пластичностью материала. Тем не менее при точном анализе короткого цилиндра выпучивание необходимо учитывать, так как оно ослабляет термические напряжения.

Поскольку анализ термических напряжений в коротком толстостенном цилиндре весьма сложен, количественных решений задачи не имеется. Однако в литературе приводится ряд ее приближенных решений. Одно из приближений было предложено Беллэми, который разработал метод анализа для определения упругих напряжений в толстостенном полом цилиндре конечной длины с осесимметричным распределением температуры. Общая теорема о потенциальной энергии деформации была использована им для приближенных распределений напряжений конкретного вида. Потребовалось ввести некоторые упрощающие допущения, например, о том, что параметры материала не зависят от температуры и что коэффициент Пуассона равен нулю. Кроме того, не учитывался эффект выпучивания. Эти упрощения делают метод Беллэми пригодным только для качественной оценки. Тем не менее даваемые им решения полезны, поскольку они хорошо выражают характер напряжений, возникающих в коротких цилиндрах.

Максимальные растягивающие напряжения (как и при упрощенном анализе) приложены по наружному диаметру цилиндра в осевом и касательном направлениях. По величине они несколько меньше напряжений, даваемых анализом для цилиндра бесконечной длины. И радиальные напряжения опять являются сжимающими. Кроме того, теперь в коротком цилиндре существует сдвиговое напряжение, приобретающее максимальное значение на расстоянии L/4 от концов (где L — длина цилиндра) посередине между внутренним и наружным диаметрами цилиндра.

Абсолютную величину сдвигового напряжения трудно вычислить, но оценка показала, что максимальные значения сдвиговых напряжений составляют 25—50% растягивающих напряжений. Здесь важно еще одно обстоятельство. Анализ подтвердил существование сдвиговых напряжений во вкладыше в близком к критическому сечении сопла, которые относятся к типу напряжений, вызывающих растрескивание по продольнокольцевой плоскости.

В рассмотренном методе анализа было сделано допущение об осесимметричности распределения температуры в цилиндре. Однако вследствие прямого воздействия выхлопных газов на внешний торец вкладыша последний имеет более высокую температуру, чем внутренняя кромка. Поэтому в цилиндре существует не только радиальный, но и периферийный температурный градиент. Как и радиальный, периферийный градиент тоже повышает термические напряжения.

Обсуждение результатов


Условия возникновения критических напряжений. В первые секунды запуска во вкладыше в близком к критическому сечении сопла возникают два вида термических напряжений, которые могут вызвать разрушение материала: 1) нормальные растягивающие напряжения (оz и о0) в осевом и касательном направлениях по наружному диаметру и 2) сдвиговые напряжения (тzr), приложенные в продольнокольцевой плоскости к элементам в стенках вкладыша.

Оценка растягивающих напряжений на наружной поверхности при анализе напряжений показала, что по своей величине они гораздо больше сдвиговых напряжений в стенках вкладыша. Ho если исходить только из уровня напряжений, то можно ошибочно предположить, что разрушение должно произойти скорее по наружной поверхности вкладыша. Учитывая же, что прочность материала изменяется с температурой, такое заключение нужно делать весьма осторожно. Еще одним столь же важным критерием надо считать неодинаковую прочность материала и разную величину приложенных напряжений по градиенту температуры.

Экспериментально установлено, что прочность пропитанного серебром вольфрама уменьшается при повышении температуры. Поэтому прочность материала вкладыша уменьшается от наружной поверхности вкладыша к внутренней поверхности из-за температурного градиента. При сравнении вариаций прочности материала с возможными напряжениями во вкладыше становятся очевидными два следующих возможных условия возникновения критических напряжений:

1) если прочность материала при комнатной температуре слишком низка, то растягивающие напряжения у наружной поверхности вкладыша могут превысить прочность материала; это приводит к разрушению материала у наружной поверхности по плоскостям, перпендикулярным касательному или осевому направлению вкладыша;

2) если прочность материала при повышенных температурах (от 650 до 1200° С) слишком низка, то сдвиговые напряжения могут превысить прочность материала (см. фиг. 23.3); это приводит к сдвиговому разрушению в цилиндре по продольнокольцевой плоскости.

При рассмотрении разрушения под действием приложенных напряжений необходимо понимать, что прочность материала при данном напряжении и определяет вероятность разрушения. Для определения вероятности разрушения надо воспользоваться критерием напряжения, аналогичным критерию Мизеса, или теорией текучести Треска. Для пластичных материалов критерии разрушения обычно имеют более сложный характер. Однако установлено, что для любых хрупких материалов применим «критерий максимального напряжения». Согласно этому критерию, разрушение определяется только максимальным напряжением, действующим на данном участке материала, независимо от других действующих здесь напряжений. Если этот критерий применим, то для определения вероятности разрушения нужно сравнить прочность материала, измеренную путем одноосного испытания на растяжение, с максимальным приложенным напряжением.

Поскольку растрескивание на продольнокольцевой плоскости обусловлено сдвиговым разрушением, сдвиговые напряжения необходимо сравнивать с пределом прочности при сдвиге. Данных о пределе прочности при сдвиге для пропитанного серебром вольфрама нет, но поскольку прочность при сдвиге в общем случае пропорциональна прочности при растяжении, кривые температурной зависимости сдвиговой прочности и предела прочности должны иметь в принципе одинаковую форму, хотя уровни прочности будут различными.

На фиг. 23.4 показано, как предел прочности при растяжении разных сортов пропитанного серебром вольфрама изменяется в зависимости от температуры. Как видно из этого графика, при температурах от -18 до 1650° С пределы прочности материалов А, Б, Б и Г гораздо выше, чем у вольфрама Д.

Пониженный предел прочности при растяжении материала Е, особенно в интервала 650—1200° С, означает, что и его предел прочности при сдвиге в данном интервале температур также должен быть ниже, чем у лучшего из рассматриваемых материалов. Поэтому материал E разрушается по механизму, указанному на фиг. 23.3, в то время как остальные материалы, данные для которых представлены на фиг. 23.4, разрушаются по иному механизму, потому что в этом интервале температур они сильнее сопротивляются сдвигу. Таким образом, уровни прочности при растяжении, использованные для определения действительной прочности при сдвиге, которой должен обладать материал для обеспечения сопротивления продольно кольцевому растрескиванию, могут быть сужены до интервала, началу которого соответствует прочность при растяжении материала Е, а концу — прочность при растяжении новых, более прочных в данном интервале температур материалов.

Переход из хрупкого состояния в пластичное. При определении значении напряжений либо путем механических испытаний, либо путем анализа напряжений предполагалось, что материал является гомогенным. В действительности же вольфрам, пропитанный серебром, гомогенным материалом не является, поскольку его структура характеризуется наличием небольших зерен, пор, примесей внедрения и малопрочного серебра. Напряжения, измеренные в предположении, что данный материал является гомогенным, должны рассматриваться как средние значения всех микронапряжений в конкретном объеме материала. Действительные микронапряжения могут сильно отличаться от среднего значения, так что при определении влияния высоких локальных напряжений важным фактором становится пластичность материала. Если материал хрупок, то высокие локальные напряжения на таких участках, как промежутки между парами, не снимаются местной пластической деформацией, так что места с высокими напряжениями становятся очагами возможных разрушений.

Если материал достаточно пластичен, то локальные напряжения снимаются благодаря пластической деформации, что устраняет потенциальный очаг разрушения. Поэтому способность пропитанного серебром вольфрама сопротивляться растрескиванию при термическом ударе, воздействие которого испытывает вкладыш в близком к критическому сечении сопла, зависит не только от прочности материала, но также и от его способности к снятию напряжений при пластической деформации.

Пластичность пропитанного серебром вольфрама, как показали эксперименты, сильно зависит от температуры. Переход из хрупкого состояния в пластичное происходит при температурах выше порога хрупкости материала. Порог хрупкости зависит от ряда факторов, в том числе от качества материала, скорости деформации и вида напряжения. В зависимости от этих факторов порог хрупкости для пропитанного серебром вольфрама лежит в интервале от 400 до 815° С. Поскольку пропитанный серебром вольфрам переходит из хрупкого состояния в пластичное, во вкладыше (в первые секунды запуска двигателя, когда в материале возникает значительный температурный градиент) существует участок, в котором материал будет пластичным. Положение этой зоны весьма важно, потому что разрушение можно предотвратить, если участок, в котором возникают критические напряжении сдвига, перемещается во вкладыше радиально к наружной поверхности вместе с изменением температурного градиента.

Механизм разрушения. При запуске ракетного двигателя в сечении вкладыша, близком к критическому сечению сопла, почти мгновенно температура повышается под воздействием факела на его поверхность. Большой температурный градиент по стенке вкладыша обусловливает возникновение весьма больших растягивающих напряжений на наружной поверхности и напряжений сдвига в стенке вкладыша. Вследствие более прямого воздействия струи выхлопных газов на наружную кромку вкладыша возникают как радиальный, так и кольцевой термические градиенты. Совместное существование двух градиентов температур приводит к тому, что растягивающие напряжения играют наиболее важную роль на наружной поверхности вкладыша, а наибольшие напряжения сдвига, возможно, возникают в кольце между его внутренней и наружной поверхностями. Поскольку прочность материала зависит от температуры, а в кольцевом сечении стенки вкладыша возникает температурный градиент, то должен существовать и градиент прочности материала вкладыша. Несмотря на то что растягивающие напряжения на наружной поверхности вкладыша больше сдвиговых напряжений у центра стенки, разрушение носит здесь сдвиговой характер, потому что прочность материала в этом участке значительно ниже, чем прочность материала на наружной поверхности, и потому что часть материала у центра стенки находится все еще в интервале температур порога хрупкости.

Выводы


1. Термические сдвиговые напряжения, возникающие во вкладышах в близком к критическому сечении сопла в первые секунды огневых испытаний ракетного двигателя, являются причиной возникновения продольнокольцевых трещин во вкладышах.

2. Важнейшими свойствами материала, влияющими на продольнокольцевое растрескивание, являются прочность в интервале температур от 650 до 815° С и порог хрупкости пропитанного серебром вольфрама. Прочность материала, который постоянно растрескивался, была при температурах от 650 до 815° С значительно ниже, чем прочность любого другого испытанного материала.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна