Instytut Lotnictwa, Warszawa Doktorant mgr inż. Michał Jasiczek

Instytut Lotnictwa, Warszawa
Doktorant mgr inż. Michał Jasiczek
Streszczenie rozprawy doktorskiej
Temat pracy: "Modelling of erosion resistance life based on fatigue methods "
Obszar i dziedzina nauk technicznych
Dyscyplina: budowa i eksploatacja maszyn
Promotor: prof. dr hab. inż. Maciej Bossak, Instytut Lotnictwa
Cel pracy
Erozja kropelkowa jest wynikiem licznych i powtarzalnych zderzeń kropel
cieczy z ciałem stałym, charakteryzująca się uszkodzeniami materiału podobnymi
jak w przypadku zjawiska zmęczenia.
Dotychczas wykorzystywane modele erozji kropelkowej bazują głównie na danych
empirycznych oraz ograniczonym doborze właściwościowości materiałów.
Celem pracy jest opracowanie metodyki przewidywania czasu eksploatacji
stali martenzytycznych poddanych działaniu erozji kropelkowej, wykorzystującej
dane określające wytrzymałość zmęczeniową materiałów.
Teza pracy
Określenie czasu eksploatacji stali martenzytycznych w warunkach erozji
kropelkowej jest możliwe w oparciu o dane materiałowe dostępne dla oceny
wytrzymałości zmęczeniowej.
Zakres pracy
 Na podstawie dostępnych publikacji przedstawiony został stan wiedzy na
temat erozji kropelkowej, ze szczególnym zwróceniem uwagi na
towarzyszące jej mechanizmy degradacji materiałów.
 Przeanalizowano istniejące modele przewidywania czasu eksploatacji.
Rozpatrzono czynniki wpływające na: obciążenia wywołane pojedynczymi
uderzeniami kropel, dobór danych materiałowych, strukturalne
i termodynamiczne warunki erozji.
 Określony został konieczny zakres badań dla dwóch typów stali
martenzytycznych: 17-4PH i X20Cr13, powszechnie stosowanych w
budowie turbin parowych, kompresorów odśrodkowych i turbin gazowych,
odpowiadający typowym warunkom ich pracy.
 W rezultacie badań określono podobieństwa między mechanizmami
degradacji materiałów w warunkach erozji i zmęczenia. Stosowane były:
badania
wizualne,
magnetyczno-proszkowe,
mikrofraktografia
z wykorzystaniem mikroskopii elektronowej, badania strukturalne
z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej oraz badania
zmian naprężeń szczątkowych metodą Rentgenowską.
 Analizy i symulacje zderzeń kropel cieczy z ciałem stałym zostały
przeprowadzone wykorzystując metodę elementów skończonych (FEM)
oraz ze względu na złożoność oddziaływań płynu z ciałem stałym,
występowanie dużych odkształceń i efektów fragmentacji, metodę cząstek
rozmytych (SPH). Otrzymane wyniki posłużyły do określenia poziomów
generowanych naprężeń.
 W oparciu o podejście stosowane w wytrzymałości zmęczeniowej
opracowano metodykę przewidywania okresu inkubacji erozji kropelkowej.
Wartości naprężeń oraz odkształceń generowane przez pojedyncze
zderzenia określane są numerycznie. W zależności od ich poziomu,
stosowane są dwie metody szacowania czasu eksploatacji: dla zmęczenia
wysokocyklowego oraz niskocyklowego. Losowość powtarzalności uderzeń
kropel cieczy uwzględniona jest w oparciu o zaproponowany prosty model
statystyczny. Weryfikację i walidację opracowanej metody przeprowadzono
doświadczalnie.
Wnioski
 Analiza literatury wykazała istnienie podobieństw pomiędzy zjawiskiem
erozji oraz zmęczenia materiałów:
a. istnienie okresu inkubacji, analogicznie jak w przypadku zjawiska
zmęczenia materiału;
b. wydłużenie lub skrócenie okresu inkubacji w wyniku zmiany
parametrów erozji (np. prędkości zderzeń);
c. istnienie granicznych warunków w jakich erozja może wystąpić (np.
minimalna prędkość, przy pozostałych parametrach pozostających
bez zmian) podobnie jak w przypadku materiałów wykazujących
istnienie wytrzymałości zmęczeniowej, np. dla stali węglowej;
d. brak granicznych warunków w jakich erozja może wystąpić (np. brak
minimalnej prędkości, przy pozostałych parametrach pozostających
bez zmian) podobnie jak w przypadku materiałów niewykazujących
istnienia wytrzymałości zmęczeniowej, np. dla stopów aluminium.
 Analizując dostępne modele erozji kropelkowej, zaobserwowano istnienie
istotnych ograniczeń w możliwości ich stosowania. Wynikały one z
uproszczeń w modelach (ich budowa w oparciu o dane empiryczne), lub
braku dostatecznej liczby danych określających właściwości materiałów.
 Mechanizmy degradacji pod wpływem erozji wykazały liczne podobieństwa
do spotykanych przy zmęczeniu. Pod wypływem kolejnych cykli naprężeń
2
wywołanych przez pojedyncze uderzenia kropel wody, dochodziło do
kumulacji defektów strukturalnych oraz mikrodeformacji powierzchni. Po
osiągnięciu krytycznych wartości liczby zderzeń (okres inkubacji)
degradacja materiału postępowała w postaci inicjacji, a następnie propagacji
mikropęknięć o charakterze zmęczeniowym.
 Przeprowadzone analizy i symulacje pojedynczych zderzeń kropel cieczy
z ciałem stałym wykazały, że poziom generowanych naprężeń jest
dostateczny do przekroczenia wytrzymałości zmęczeniowej. Źródłem
naprężeń było zarówno oddziaływanie hydrodynamiczne jak i powstanie fali
uderzeniowej. W zależności od warunków erozji zaobserwowano dwa
warianty (dla typowych warunków pracy turbin parowych, turbin gazowych
oraz kompresorów odśrodkowych):
e. Pojedyncze zderzenia generowały naprężenia przekraczające
wytrzymałość zmęczeniową badanego materiału, ale były zbyt małe
aby doprowadzić do uplastycznienia;
f. Pojedyncze zderzenia generowały naprężenia przekraczające granice
sprężystości badanego materiału.
 Dokładność opracowanej metodyki oceny okresu inkubacji dla modeli
bazujących na zmęczeniu wysoko- i niskocyklowym zweryfikowanej w
oparciu o dane z testów przeprowadzonych zgodnie ze standardem
ASTM G73 jest porównywalna do metodyk stosowanych przy ocenie
wytrzymałości zmęczeniowej.
Rekomendacje, kierunki dalszych bada
 Niektóre z istniejących w przedstawionej metodyce uproszczeń wynika
z aktualnego stanu modelowania zmęczenia materiałów w mikroskali oraz
w zakresie zmiennych prędkości odkształceń. Z chwilą postępu w tym
zakresie, należy go wykorzystać wprowadzając zmiany w proponowanej
metodyce w celu poprawienia dokładności modelowania problemów
związanych z erozją kropelkową.
 Przeprowadzone w ramach pracy badania dotyczyły wysokostopowych stali
martenzytycznych. Inne materiały charakteryzujące się wysoką odpornością
na erozję takie jak stopy na bazie kobaltu (Stellite) lub stopy tytanu posiadają
jednak odmienne właściwości fizyczne, wytrzymałość na zmęczenie oraz
mikrostrukturę. Należy podjąć dalsze prace nad możliwościami
przystosowania proponowanej metodyki do innych materiałów niż stale
martenzytyczne.
 Biorąc pod uwagę, że okres eksploatacji turbin parowych, gazowych oraz
kompresorów odśrodkowych jest wieloletni, dalsze badania należałoby
przeprowadzić w kierunku wykorzystania w proponowanej metodyce
3
danych materiałowych określających wytrzymałość zmęczeniową.
Aktualnie prowadzone są prace nad możliwościami wykorzystania
wykresów Goodman’a lub Haigh’a z uwzględnieniem wpływu naprężeń
średnich.
 Znając wpływ określonych parametrów konstrukcji, mechanizmów
i warunków pracy na przebieg erozji (np. kąt zderzenia, chropowatość
powierzchni) należy przeprowadzić dalsze prace nad stworzeniem
wytycznych dla konstruktorów, dzięki którym możliwe byłoby obniżenie
poziomów naprężeń wytwarzanych przez pojedyncze zderzenia, co w
rezultacie prowadziłoby do zwiększenia odporności konstrukcji na erozję.
4