Способ испытаний корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к области машиностроения, а именно к испытаниям корпусов роторов лопаточных машин на непробиваемость. Способ заключается в том, что на одной из лопаток, установленных на расположенном внутри неподвижного корпуса роторе, осуществляют ослабление ее поперечного сечения подрезкой. Также в ней выполняют окна и устанавливают в них термочувствительные нагружающие элементы, которые после раскрутки ротора до заданных оборотов обеспечивают дополнительное нагружение ослабленного сечения лопатки при ее нагреве до заданной температуры. После последующего обрыва и удара оборвавшейся части о корпус по следам удара оценивают его непробиваемость. Устройство содержит ротор с лопатками, включающими перо с выполненной в нем подрезкой, и окнами, внутри которых размещены термочувствительные нагружающие элементы, замок, привод, систему управления частотой вращения и устройство для нагрева пера лопатки. При этом нижний торец термочувствительного нагружающего элемента опирается на плоскость подрезки, а окна с термочувствительными нагружающими элементами и подрезка пера лопатки выполнены непосредственно над полкой замка. Причем термочувствительные нагружающие элементы устанавливают в окне с натягом по торцам. Технический результат - обеспечение гарантированного обрыва лопатки в указанном прикорневом ее сечении, непосредственно над замком, при котором ее разрушение происходит мгновенно, без удлинения, при заданной частоте вращения, при этом оборвавшейся части лопатки обеспечивается траектория, близкая к траектории лопатки, оборвавшейся в эксплуатации, при минимальной доработке ротора. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к испытаниям корпусов роторов лопаточных машин на непробиваемость и исследованиям ударных воздействий на них.

Исследования корпусов лопаточных машин на способность удерживать элементы конструкции роторов и их фрагменты в случае разрушения ротора, а именно на непробиваемость корпуса, является одним из важных направлений их прочностных исследований. Поскольку при разрушении ротора или обрыве его лопаток разлетающиеся элементы обладают огромной кинетической энергией и при попадании в планер самолета способны нанести ему повреждения, ведущие к катастрофе, то при проектировании современных двигателей выдвигается условие непробиваемости его корпуса в случае обрыва рабочей лопатки. По существующим нормам непробиваемость корпуса должна быть подтверждена экспериментально. Корпус должен удержать лопатку при ее обрыве в районе замка.

Однако проведение испытаний корпуса на непробиваемость имеет ряд технических сложностей. Лопатка находится на быстро вращающемся роторе внутри корпуса, что затрудняет доступ к ней. Ротор с лопатками для своей раскрутки требует подвода к нему большой мощности, и рабочую лопатку необходимо оборвать на заданных оборотах, при этом нелокализованный обрыв лопаток ведет к разлету обломков на большое расстояние. В связи с этим испытания корпуса на непробиваемость проводят, как правило, на специальных стендах в разгонных вакуумных камерах со специальной защитой ее корпуса. Одним из ключевых условий испытания является обеспечение "хрупкого" разрушения лопатки, характерного для усталостного повреждения ее материала. Это наиболее опасный случай разрушения, поскольку обрыв лопатки происходит без ее удлинения и сопровождается ударом о корпус торцевой частью. В случае неполного обрыва лопатки, до касания ее о корпус, энергия удара значительно снижается. При этом лопатка дезориентируется и попадает в корпус не торцевой частью, что увеличивает поверхность ее контакта с ним и уменьшает вероятность его пробивания. При "хрупком" разрушении происходит мгновенное отделение оборвавшейся части практически без удлинения и лопатка ударяется в корпус торцевой частью, что повышает вероятность пробития корпуса.

Поскольку лопатки имеют необходимый для работы запас прочности, то для ее обрыва на заданных оборотах используют, например, подрезку сечения в месте, где он должен происходить. Однако ослабить сечение настолько, чтобы лопатка оборвалась именно при заданной частоте вращения ротора, затруднительно из-за разброса прочностных свойств материала и геометрии лопаток. Для этого подрезку сечения проводят в несколько этапов, последовательно приближаясь к заданной частоте вращения, либо превышают заданную частоту до обрыва лопатки, а затем производят пересчет результатов. Тот и другой способы не являются оптимальными, поскольку в первом случае трудоемкость испытаний возрастает в несколько раз, а именно требуется многократная переборка и балансировка ротора. Во втором случае энергия удара возрастает, и результаты испытаний будут недостоверны.

Известен способ испытаний корпуса на непробиваемость, Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. М.: Машиностроение, 1993 г., с.135, заключающийся в подрыве корневого сечения лопатки зарядом взрывчатого вещества после выхода ротора на заданные обороты.

Недостатком данного технического решения является то, что при подрыве лопатке сообщается дополнительная энергия, которой не обладает лопатка, оборвавшаяся при обычном разрушении. Ударная волна нарушает ориентацию лопатки, ее траектория становится неопределенной, и лопатка попадает в корпус в неопределенном положении. Это существенно снижает достоверность результатов испытания. Кроме того, может произойти разрушение лопатки на отдельные осколки, энергия удара которых о корпус будет существенно ниже, чем у целой лопатки. В этом случае испытания не могут рассматриваться как кондиционные.

Также имеются трудности в организации испытаний. Подрыв при внешнем управлении требует наличие надежного токосъемника на роторе. Подготовка испытаний требует особых организационных мер и мер безопасности, учитывающих использование взрывчатых веществ, а также наличия специально подготовленного персонала. Кроме того, требования по отрыву в районе замка делают вероятным повреждение диска, на котором крепится лопатка, при взрыве.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является "Способ испытаний корпуса на непробиваемость и устройство для его реализации", патент РФ №2176389 от 11.10.99 г., при котором перо лопатки дорабатывают таким образом, чтобы сечение, в котором должен произойти обрыв, имело запас прочности n≤0,85 для нагрузки от центробежной силы на рабочих оборотах. Для обеспечения неразрушения лопатки перо подкрепляют накладками, которые воспринимают часть центробежной нагрузки, действующей на перо. Накладки изготовлены из материала имеющего коэффициент линейного расширения больший, чем у материала пера лопатки. Суммарный запас прочности пера лопатки в подрезанном сечении вместе с накладками n≥1,2. В процессе испытаний, после выхода на заданные обороты, производят нагрев накладок, происходит их удлинение, величина которого превышает удлинение пера лопатки, нагрузка перераспределяется на ослабленное сечение пера и оно обрывается. Прочность накладок недостаточна для удержания оборвавшегося пера, и они также обрываются. Оборвавшаяся часть пера ударяется в корпус, и по следам удара оценивают непробиваемость корпуса.

Данная конструкция имеет ряд недостатков, затрудняющих ее применение. Для обрыва лопатки у замка требуется доработка диска, обеспечивающая возможность установки накладок на замке, что является трудной задачей. Перо лопатки имеет сложную геометрию и может иметь большую геометрическую крутку, что затрудняет расчет и изготовление накладок, которые должны иметь очень сложную форму. Из-за разброса свойств и геометрии пера и накладок их одновременный обрыв с обеих сторон маловероятен, что ведет к дезориентации оборвавшейся части лопатки. Кроме того, требуется, чтобы в момент обрыва пера и накладок, величины их пластической деформации не превысили зазора между торцем лопатки и корпусом ротора, поскольку задевание лопатки о корпус изменит картину удара.

Технической задачей предлагаемого технического решения является обеспечение гарантированного обрыва лопатки в указанном прикорневом ее сечении, непосредственно над замком, при котором ее разрушение происходит мгновенно, без удлинения, при заданной частоте вращения, при этом оборвавшейся части лопатки обеспечивается траектория, максимально близкая к траектории лопатки, оборвавшейся в эксплуатации, при минимальной доработке ротора.

Технический результат в заявляемом способе и устройстве для испытаний корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость достигается за счет того, что в способе, заключающемся в том, что на одной из лопаток, установленных на роторе, который расположен внутри неподвижного корпуса, осуществляют ослабление ее поперечного сечения подрезкой, выполняют окна с установленными в них термочувствительными нагружающими элементами, которые после раскрутки ротора до заданных оборотов обеспечивают дополнительное нагружение ослабленного сечения лопатки при ее нагреве до заданной температуры с последующим ее обрывом и ударом оборвавшейся части о корпус и по следам удара оценивают его непробиваемость, при этом ослабление поперечного сечения лопатки подрезкой осуществляют в ее нижней части над замком, причем подрезку выполняют таким образом, чтобы запас прочности ослабленного поперечного сечения лопатки определялся соотношением:

где n - запас прочности ослабленного сечения лопатки;

σ_{в лоп mах} - максимальное экспериментальное значение предела прочности материала лопатки;

σ_{в лоп min} - минимальное экспериментальное значение предела прочности материала лопатки;

σ_{в лоп} - значение предела прочности материала лопатки, используемое в расчетах;

S - расчетная площадь ослабленного сечения,

ΔS - величина геометрического допуска площади сечения при изготовлении лопатки;

σ_динам - величина напряжения от действия аэродинамических и динамических нагрузок.

А в устройстве для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость, содержащем ротор с лопатками, включающими перо с выполненными в нем подрезкой и окнами, внутри которых размещены термочувствительные нагружающие элементы, замок, привод, систему управления частотой вращения и устройство для нагрева пера лопатки, подрезка выполнена над ее замком, а нижний торец термочувствительного нагружающего элемента опирается на плоскость подрезки, причем окна с термочувствительными нагружающими элементами и подрезка пера лопатки выполнены непосредственно над полкой замка, при этом термочувствительные нагружающие элементы устанавливают в окне с натягом по торцам, а величину натяга определяют соотношением:

где Δ - величина натяга;

σ_{н. лоп} - напряжения, возникающие в материале лопатки на рабочих оборотах от действия центробежной нагрузки;

σ_н.н.э - напряжения, возникающие в материале термочувствительного нагружающего элемента на рабочих оборотах от действия центробежной нагрузки;

Е_лоп - модуль упругости материала лопатки.

Е_н.э. - модуль упругости материала термочувствительного нагружающего элемента;

b - высота термочувствительного нагружающего элемента.

Подрезка в указанном месте обеспечивает такой обрыв лопатки, при котором величина удлинения подрезанного сечения в момент обрыва не превышает торцевой зазор между лопаткой и корпусом на заданных оборотах, и по следам удара оценивают непробиваемость корпуса ротора лопаточных машин.

Плоскость подрезки является основанием окна для установки термочувствительных нагружающих элементов высотой b, которые затем фиксируют в поперечном направлении. Коэффициент линейного расширения материала термочувствительных нагружающих элементов выбирают выше, чем у материала лопатки.

В процессе раскрутки лопатка и термочувствительные нагружающие элементы подвергаются осевому нагружению центробежной силой. При этом между торцами термочувствительных нагружающих элементов и краями окон, в которые они упираются, образуется зазор, на ликвидацию которого уходит часть величины термического расширения нагружающего элемента. Для предотвращения образования зазоров термочувствительный нагружающий элемент устанавливают в окно с натягом по торцам, величину которого определяют соотношением:

Для обеспечения правильного обрыва подрезку сечения лопатки выполняют таким образом, чтобы величины запаса прочности хватило для предотвращения обрыва во время раскрутки ротора с доработанной лопаткой до заданных оборотов. При этом допустимая нагрузка не должна превышать величину суммарной нагрузки создаваемой центробежной силой и термочувствительными нагружающими элементами при их нагреве.

На величину запаса прочности ослабленного сечения лопатки, при расчете геометрии термочувствительных нагружающих элементов ее подрезки, влияет разброс характеристик материала лопатки, геометрические отклонения ее пера, аэродинамические характеристики и динамические характеристики ротора с доработанной лопаткой. Таким образом, величину требуемого запаса прочности определяют выражением:

При расчете запаса прочности учитывают вес термочувствительных нагружающих элементов и величину создаваемой ими центробежной нагрузки с учетом расположения подрезки. Для полной имитации условий удара лопатки о корпус необходимо, чтобы вес обрывающейся части доработанной лопатки соответствовал весу обрывающейся части реальной лопатки. Для предотвращения потери устойчивости термочувствительного нагружающего элемента при его расширении его фиксируют от перемещения в боковом направлении, например, его боковые стороны могут быть развальцованы с сохранением возможности перемещения по боковым поверхностям окна либо могут быть установлены заклепки. За счет этих элементов достигается необходимая балансировка лопатки и вес отрывающейся части пера.

После выхода ротора на заданные обороты перо лопатки нагревают вместе с термочувствительным нагружающим элементом. При нагреве происходит термическое расширение как материала лопатки, так и материала термочувствительных нагружающих элементов. А поскольку у их материала коэффициент линейного расширения выше, чем у лопатки, они создают дополнительную нагрузку на подрезанное сечение лопатки, суммирующуюся с центробежной силой, и обеспечивают ее разрушение. Величина нагрузки, которую должны добавить термочувствительные нагружающие элементы к центробежной нагрузке на рабочих оборотах, снизит запас прочности доработанной лопатки до величины k<l.

На фиг.1 изображен внешний вид доработанной лопатки.

На фиг.2 изображена замковая часть доработанной лопатки, изображенной на фиг.1.

На фиг.3 изображен продольный разрез Б-Б доработанной лопатки, изображенной на фиг.1.

На фиг.4 изображен поперечный разрез А-А доработанной лопатки, изображенной на фиг.1.

На фиг.5 изображена замковая часть доработанной лопатки с замком "елочного" типа.

На фиг.6 изображен продольный разрез В-В замковой части лопатки с замком "елочного" типа.

Лопатка на фиг.1 включает перо 1, замок 2. В пере 1 лопатки выполнены окна 3 и 4, в которых располагают термочувствительные нагружающие элементы 5 и 6. Для обеспечения их устойчивости края элементов 5 и 6, например, развальцованы на боковых сторонах окон 3 и 4. В заданном сечении лопатки выполнена поперечная подрезка 7.

Заявляемое устройство по предлагаемому способу испытаний корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость работает следующим образом.

Подготовленную к испытаниям лопатку на фиг.1 с установленными в выполненных в ней окнах 3 и 4 термочувствительных элементов 5 и 6 располагают на диске вращающегося ротора, находящегося внутри корпуса, на фиг.1 условно не показаны. Ротор раскручивают до заданных оборотов, а лопатка при этом подвергается действию центробежной нагрузки, с учетом веса термочувствительных нагружающих элементов 5 и 6. Затем перо 1 лопатки нагревают. И будет происходить нагружение ослабленного сечения лопатки суммарной нагрузкой от осевой силы и силы нагружения расширяющимися термочувствительными нагружающими элементами. При этом начальный запас прочности материала в ослабленном сечении определяют также соотношением:

В процессе нагрева лопатки с термочувствительными нагружающими элементами 5 и 6 запас прочности ее доработанного сечения будет снижен до n<1, и материал начнет деформироваться. При превышении предела прочности материала лопатки произойдет обрыв ее ослабленного сечения с последующим ударом о корпус, по следам которого делают вывод о его непробиваемости.

Применение предложенного способа и устройства для испытания корпусов роторов лопаточных машин на непробиваемость обеспечивает гарантированный управляемый обрыв лопатки при заданном числе оборотов ротора, причем траектория движения лопатки после обрыва будет соответствовать реальной. Для его осуществления требуется только доработка лопатки, причем ее габариты практически не меняются. Нагрев лопатки ротора на заданных оборотах достаточно просто осуществляется и позволяет управлять процессом обрыва. Способ применим для исследований на реальном двигателе, при этом возможные погрешности расчетов компенсируются необходимым увеличением запаса прочности ослабленного сечения лопатки и соответствующими изменениями геометрии нагружающего элемента.

1. Способ испытаний корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость, заключающийся в том, что на одной из лопаток, установленных на роторе, который расположен внутри неподвижного корпуса, осуществляют ослабление ее поперечного сечения подрезкой, выполняют окна, с установленными в них термочувствительными нагружающими элементами, которые после раскрутки ротора до заданных оборотов обеспечивают дополнительное нагружение ослабленного сечения лопатки при ее нагреве до заданной температуры, с последующим ее обрывом и ударом оборвавшейся части о корпус, и по следам удара оценивают его непробиваемость, отличающийся тем, что ослабление поперечного сечения лопатки подрезкой осуществляют в ее нижней части над замком, при этом подрезку выполняют таким образом, чтобы запас прочности ослабленного поперечного сечения лопатки определялся соотношением

где n -запас прочности ослабленного сечения лопатки;

σ_{в.лоп max} - максимальное экспериментальное значение предела прочности материала лопатки;

σ_{в.лоп min} - минимальное экспериментальное значение предела прочности материала лопатки;

σ_в.лоп - значение предела прочности материала лопатки, используемое в расчетах;

S - расчетная площадь ослабленного сечения;

ΔS - величина геометрического допуска площади сечения при изготовлении лопатки;

σ_динам - величина напряжения от действия аэродинамических и динамических нагрузок.

2. Устройство для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость, содержащее ротор с лопатками, включающими перо, с выполненной в нем подрезкой, и окнами, внутри которых размещены термочувствительные нагружающие элементы, замок, привод, систему управления частотой вращения и устройство для нагрева пера лопатки, отличающееся тем, что подрезка выполнена над ее замком, а нижний торец термочувствительного нагружающего элемента опирается на плоскость подрезки, причем окна с термочувствительными нагружающими элементами и подрезка пера лопатки выполнены непосредственно над полкой замка, при этом термочувствительные нагружающие элементы устанавливают в окне с натягом по торцам, а величину натяга определяют соотношением

где Δ - величина натяга;

σ_{п лоп} - напряжения, возникающие в материале лопатки на рабочих оборотах от действия центробежной нагрузки;

σ_{п н.э.} - напряжения, возникающие в материале термочувствительного нагружающего элемента на рабочих оборотах от действия центробежной нагрузки;

Е_лоп - модуль упругости материала лопатки;

Е_н.э. - модуль упругости материала термочувствительного нагружающего элемента;

b - высота термочувствительного нагружающего элемента.