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

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

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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, т.е. на непробиваемость корпуса, является одним из необходимых направлений их исследований на прочность. Поскольку при разрушении ротора или обрыве его лопаток разлетающиеся элементы обладают большой 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. Согласно требованиям нормативных документов непробиваемость корпуса должна быть подтверждена экспериментально. Одним из ключевых условий испытания является обеспечение разрушения лопатки, характерного для усталостного повреждения ее материала, т.н. "хрупкого" разрушения, при котором обрыв лопатки не сопровождается удлинением в месте обрыва. Это наиболее опасный случай разрушения, поскольку до момента обрыва между корпусом и торцом лопатки сохраняется зазор и обрыв сопровождается ударом торцевой части о корпус, что повышает вероятность пробития корпуса. В случае пластичного обрыва лопатки она задевает пером о корпус до полного отделения оторвавшейся части и энергия удара при последующем обрыве значительно снижается. При этом лопатка дезориентируется и попадает в корпус неторцевой частью, что увеличивает поверхность ее контакта с корпусом и уменьшает вероятность его пробивания.

Проведение испытаний корпуса на непробиваемость имеет ряд технических сложностей. С целью имитации условий эксплуатации рабочая лопатка должна быть оборвана на заданных оборотах в заданном сечении. 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, при пробое корпуса лопаткой образуются вторичные осколки, которые вместе с обломками лопатки имеют большую энергию. В связи с этим испытания корпуса на непробиваемость проводят, как правило, в бронированных разгонных вакуумных камерах.

Для обрыва лопаток на рабочих оборотах используют подрезку сечения в месте, где должен происходить обрыв. Однако ослабить сечение настолько, чтобы лопатка оборвалась именно при заданной частоте вращения ротора, невозможно из-за разброса геометрии лопаток и прочностных свойств материала, поэтому подрезку сечения производят в несколько этапов, либо превышают заданную частоту до обрыва лопатки, затем проводят 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, а во втором случае результаты не вполне достоверны.

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

Данный способ имеет ряд существенных недостатков.

Главным недостатком данного способа является то, что лопатке при подрыве сообщается дополнительная энергия, которой не обладает лопатка, оборвавшаяся при обычном разрушении, при этом ударная волна нарушает ориентацию подрываемой лопатки, ее траектория становится неопределенной и лопатка попадает в корпус в не соответствующем реальным условиям положении. Это существенно снижает достоверность результатов испытания. Кроме того, может произойти разрушение подрываемой 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 наличия надежного токосъемника на роторе. Подготовка испытаний требует особых организационных мер и мер безопасности, учитывающих использование взрывчатых веществ.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является "Способ испытаний корпуса на непробиваемость", патент РФ №2176389 от 11.10.1999 г., при котором перо лопатки дорабатывается 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 ее перо подкрепляется накладками, которые воспринимают часть центробежной нагрузки, действующей на перо лопатки. 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 составляет n≥1,2. В процессе испытаний после выхода ротора на заданные обороты производится нагрев лопатки с накладками, происходит их удлинение, величина которого превышает удлинение пера лопатки, нагрузка перераспределяется на ослабленное сечение пера лопатки и оно обрывается. Прочность накладок недостаточна для удержания оборвавшегося пера лопатки, и они также обрываются, и по следам удара определяется непробиваемость корпуса.

Данная конструкция имеет ряд недостатков, затрудняющих ее применение. Главным из них является то, что из-за разброса свойств и геометрии накладок с обеих сторон пера лопатки их одновременный обрыв маловероятен, что ведет к дезориентации оборвавшейся части лопатки при разрушении. Кроме того, требуется, чтобы при обрыве пера лопатки и накладок величины их пластической деформации не превысили зазора между торцом лопатки и корпусом ротора, поскольку задевание лопатки о корпус изменит картину удара. Лопатки ротора имеют сложную форму с наличием геометрической крутки по высоте ее пера, что делает изготовление накладок весьма сложным.

Технической задачей заявляемых технических решений является обеспечение гарантированного обрыва лопатки в указанном сечении на заданной частоте вращения ротора и обеспечение ей траектории, максимально близкой к траектории лопатки, оборвавшейся в эксплуатации, при минимальной доработке лопатки и ротора, а именно доработке лопатки без изменения конструкции замка диска.

Технический результат в заявляемых способе и устройстве для испытаний корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость достигается за счет того, что внутри неподвижного корпуса устанавливают ротор с испытуемой доработанной лопаткой, раскручивают его до заданных оборотов, на которых обеспечивают ее обрыв с последующим ударом о корпус, и по следам на корпусе оценивают его непробиваемость, при этом перед испытанием ослабляют поперечное сечение пера испытуемой лопатки, которая должна оборваться, в околозамковой ее части путем поперечной подрезки. Затем выполняют в пере лопатки парные прорези, которые образуют зоны термического расширения, разделяющие кромочные и среднюю перемычки, причем зоны термического расширения располагают последовательно на поперечном ослабленном сечении пера лопатки, устанавливают на поверхности зон термического расширения нагреватели, а на поверхности кромочных и средней перемычек, в пределах которых выполняют ослабляющую поперечную подрезку, наносят подрезку-концентратор напряжений. Подрезку пера лопатки производят таким образом, чтобы ее ослабленное поперечное сечение находилось в пределах высоты прорезей. При испытаниях после выхода ротора на заданные обороты нагревателями производят нагрев зон термического расширения. При нагреве зоны термического расширения расширяются и нагружают кромочные перемычки, отделенные от средней перемычки парными прорезями, изгибающим моментом. Такая конструкция позволяет нагрузить кромочные перемычки, при этом нагрузки зон термического расширения на среднюю перемычку лопатки взаимно компенсируются. В момент превышения напряжений от действия суммарной нагрузки, составленной из нагрузок от зон термического расширения и центробежной нагрузки предела прочности, произойдет разрушение кромок с последующим перераспределением центробежной нагрузки на среднюю перемычку пера лопатки, величина запаса прочности которой в ее ослабленном сечении недостаточна для его удержания.

Для обеспечения гарантированного обрыва пера лопатки запас прочности ее ослабленного поперечного сечения на рабочих оборотах не превышает величины 1,2-1,3. При этом для разрушения кромочных перемычек пера лопатки зонами термического расширения площадь каждой кромочной перемычки в ослабленном поперечном сечении пера лопатки составляет 20% от общей площади ее ослабленного поперечного сечения. И вес подготовленной к испытаниям лопатки, с установленными на ней нагревателями, сохранен на первоначальном ее уровне.

Для обеспечения разрушения кромки пера лопатки необходимо, чтобы уровень напряжений, создаваемых зонами термического расширения, вместе с осевой центробежной силой при расширении превышал предел прочности в ее ослабленном поперечном сечении. Величину напряжений, необходимую для догрузки материала кромки пера лопатки, определяют соотношением жесткостей кромочных перемычек и зон термического расширения, которые в свою очередь зависят от геометрии зон термического расширения и геометрии кромок лопатки и определяются по соотношению:

где α - коэффициент линейного расширения материала лопатки;

ΔT - температура нагрева зон термического расширения пера лопатки, образованных парными прорезями, после выхода ротора на заданные обороты;

Е - модуль упругости материала пера лопатки;

σ_в - предел прочности материала пера лопатки;

σ_ц.б. - величина напряжений, действующих на материал пера лопатки в ослабленном поперечном сечении;

С₁ - жесткость кромки в ослабленном поперечном сечении пера лопатки;

С₂ - жесткость зон термического расширения пера лопатки.

В зависимости от выбора места, по которому должен происходить обрыв пера лопатки, ослабленное поперечное сечение может располагаться как параллельно торцу пера лопатки, так и параллельно полке замка.

Высота подрезки, ослабляющей поперечное сечение пера лопатки, составляет 0,15...0,2 мм.

Для обеспечения "хрупкого" обрыва лопаток кроме ослабляющей поперечной подрезки выполняют также подрезку-концентратор на поверхности кромочных и средней перемычках, в пределах которых выполнена ослабляющая поперечная подрезка, причем глубина и высота подрезки не должна превышать 0,2...0,5 мм, и она практически не сказывается на прочности ослабленного поперечного сечения пера лопатки. Эта подрезка служит концентратором напряжений во время расширения пера лопатки.

Нагрев зон термического расширения обеспечивают, например, с помощью электрических нагревателей, выполненных в виде проволочной обмотки из материала с высоким электросопротивлением (нихрома), намотанной поверх изолирующего слоя на зону термического расширения, и с подводом питания через токосъемник. Поскольку масса зон термического расширения и температура их нагрева невелики, то величина тока, который требуется подвести, также мала и обеспечивается применяемым в настоящее время оборудованием.

На фиг.1 изображен внешний вид испытуемой лопатки с нагревателем.

На фиг.2 показан поперечный разрез лопатки, изображенной на фиг.1, по ослабленному сечению А-А.

На фиг.3 показан поперечный разрез лопатки, изображенной на фиг.1, по верхней прорези Б-Б.

Лопатка, изображенная на фиг.1, включает перо 1, замок 2. В пере 1 лопатки выполнены пары прорезей 3 и 4, которые образуют зоны термического расширения 5 и 6, разделяющие кромочные перемычки 7 и 8 лопатки и среднюю перемычку 9. На зонах термического расширения 5 и 6 расположены нагреватели 10 и 11. Выполненная ослабляющая поперечная подрезка 12 сечения находится в пределах высоты нижних прорезей 3 и 4. На поверхности кромочных перемычек 7 и 8 и средней перемычки 9, в местах, где не производилась ослабляющая поперечная подрезка 12, выполняют подрезку-концентратор 13 напряжений.

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

Подготовленную к испытаниям лопатку, в пере 1 которой выполнены пары прорезей 3 и 4, образующие зоны 5 и 6 термического расширения, а так же кромочные перемычки 7 и 8, среднюю перемычку 9, и с расположенными на зонах 5 и 6 термического расширения нагревателями 10 и 11, устанавливают на ротор, расположенный внутри испытываемого корпуса (не показан), и затем ротор уравновешивают. При этом на пере 1 лопатки в пределах высоты нижних прорезей 3 и 4 выполнена ослабляющая поперечная подрезка 12 сечения, а на поверхности кромочных перемычек 7 и 8 и средней перемычки 9, в местах, где не производилась ослабляющая поперечная подрезка 12, выполнена подрезка-концентратор 13 напряжений. Затем ротор раскручивают до заданных оборотов, и с помощью нагревателей 10 и 11 нагревают зоны термического расширения 5 и 6. Расширяясь, зоны термического расширения нагружают кромочные перемычки 7 и 8. В момент, когда суммарные напряжения от действия зон 5 и 6 термического расширения и центробежной нагрузки превысят предел прочности материала кромочных перемычек 7 и 8, в ослабленном поперечном сечении произойдет их обрыв. Причем вследствие наличия подрезки-концентратора 13 напряжений обрыв произойдет с незначительной деформацией, т.е. обрыв будет носить "хрупкий" характер.

После обрыва кромочных перемычек 7 и 8 центробежная нагрузка перераспределится на среднюю перемычку 9, запас прочности которой ниже необходимого для удержания пера 1 лопатки. Вследствие наличия подрезки-концентратора 13 напряжений обрыв средней перемычки 9 пера 1 лопатки также будет иметь "хрупкий" характер.

Оборвавшееся перо лопатки, с зонами термического расширения и нагревателями, ударяет о корпус, и по следам удара оценивают его непробиваемость.

Применение предложенных способа и устройства для испытания корпуса на непробиваемость обеспечивает гарантированный управляемый обрыв лопатки при заданном числе оборотов ротора, причем траектория движения лопатки после обрыва будет соответствовать реальной. Для осуществления требуется незначительная доработка лопатки, причем ее вес и габариты не меняются. Нагрев зон термического расширения пера лопатки на заданных оборотах может быть достаточно просто осуществлен из-за небольшой массы нагревателя, например электронагревателя с использованием сигнального (малоточного) токосъемника, что позволяет управлять процессом обрыва. Метод вполне применим как для исследований на реальном двигателе, на компрессоре, так и в турбине, причем возможные погрешности расчетов и неучет некоторых факторов может быть скомпенсирован некоторым увеличением запаса прочности ослабленного сечения лопатки и соответствующими изменениями геометрии зон термического расширения.

1. Способ испытаний корпуса ротора с лопатками на непробиваемость, заключающийся в том, что на одной из лопаток, установленных на роторе, который расположен внутри неподвижного корпуса, производят ослабление сечения, раскручивают до заданных оборотов, на которых происходит обрыв доработанной лопатки с последующим ее ударом о корпус, и по следам на корпусе оценивают его непробиваемость, отличающийся тем, что перед испытанием выполняют ослабляющую поперечную подрезку пера лопатки в околозамковой части, парные прорези, параллельные ослабляющей поперечной подрезке, которые образуют зоны термического расширения, кромочные и среднюю перемычки, расположенные последовательно на поперечном ослабленном сечении пера лопатки, причем прорези выполняют таким образом, чтобы ослабленное поперечной подрезкой сечение пера лопатки находилось в пределах высоты прорезей, а на поверхности кромочных и средней перемычек, в пределах которых выполняют ослабляющую поперечную подрезку, наносят подрезку-концентратор напряжений, затем устанавливают на поверхности зон термического расширения нагреватели, и после выхода ротора на заданные обороты производят нагрев этих зон.

2. Устройство для испытаний корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость, включающее ротор, расположенный внутри корпуса, с лопатками, включающими перо и замок, привод для раскрутки ротора, систему управления вращением, отличающееся тем, что в пере лопатки, которая должна оборваться, выполнена ослабляющая поперечная подрезка в ее околозамковой части, выполнены парные поперечные прорези, параллельные ослабленному поперечному сечению пера лопатки, которые формируют зоны термического расширения, кромочные и среднюю перемычки, и расположены последовательно вдоль ослабленного поперечного сечения пера лопатки, при этом ослабленное поперечное сечение пера лопатки находится в пределах высоты прорезей и выполнено параллельно полке замка, а на поверхности зон термического расширения установлены нагреватели, причем кромочные и средняя перемычки пера лопатки в ослабленном поперечном сечении имеют подрезку-концентратор напряжений.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что ослабляющая поперечная подрезка пера лопатки выполнена параллельно торцу пера лопатки.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что запас прочности ослабленного поперечного сечения пера лопатки на рабочих оборотах не превышает величины 1,2-1,3, при этом площадь каждой кромочной перемычки в ослабленном поперечном сечении составляет 20% от общей площади ее ослабленного поперечного сечения.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что геометрические размеры образованных парными прорезями зон термического расширения пера лопатки, кромочных и средней перемычек, в пределах которых выполнена ослабляющая поперечная подрезка, определяют по соотношению

,

где α - коэффициент линейного расширения материала лопатки;

ΔТ - температура нагрева зон термического расширения пера лопатки, образованных парными прорезями, после выхода ротора на заданные обороты;

Е - модуль упругости материала пера лопатки;

σ_в. - предел прочности материала пера лопатки;

σ_ц.б. - величина напряжений, действующих на материал пера лопатки в ослабленном поперечном сечении;

C₁ - жесткость кромки в ослабленном поперечном сечении пера лопатки;

С₂ - жесткость зоны термического расширения.

6. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что высота подрезки пера лопатки в ослабленном поперечном сечении составляет 0,15-2 мм.