Патент на изобретение №2311626

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 НД., 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 в эксплуатационных условиях. 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.

Более того, требуется длительная подготовка с учетом ее дороговизны и отработка методики обрыва с использованием силы взрыва на ненагруженной центробежными силами лопатке.

При этом сложно учесть влияние разброса силы взрыва и момента взрыва каждого заряда на процесс обрыва лопатки на вращающемся объекте. Причем резкое местное повышение давления в корпусе во время взрыва не соответствует условиям эксплуатации.

Также имеются трудности в организации испытаний. 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 ротора лопаточных машин на непробиваемость и устройство для его осуществления”, патент РФ №2259547 от 14.04.2004 г., при котором на одной из лопаток, установленных на роторе, который расположен внутри неподвижного корпуса, осуществляют ослабление ее поперечного сечения подрезкой, выполняют окна и устанавливают в них нагружающие элементы, раскручивают ротор 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 устройство дополнительно содержит привод, систему управления частотой вращения и устройство для нагрева пера лопатки, а нижний торец каждого нагружающего элемента опирается на плоскость подрезки, а окна и нагружающие элементы выполнены непосредственно над полкой замка.

Данная конструкция имеет ряд недостатков, затрудняющих ее применение. В процессе раскрутки ротора лопатка и нагружающие элементы подвергаются осевому нагружению центробежной силой. При этом между торцами нагружающих элементов и краями окон, в которые они упираются, образуется зазор, на ликвидацию которого уходит часть величины термического расширения нагружающего элемента. Для предотвращения образования указанных зазоров требуются дополнительные технологические операции: каждый нагружающий элемент устанавливают в каждое окно с натягом по торцам, величину которого определяют специальным расчетным соотношением. Кроме того, в процессе нагрева на заданных оборотах при термическом расширении нагружающие элементы (установленные с натягом) упираются в края окон. При этом нагружающие элементы могут получить смятие (если термическая нагрузка превысит предел текучести их материала) или потерять устойчивость. Указанные обстоятельства увеличивают продолжительность, трудоемкость и сложность подготовительных технологических операций и реализации данного способа обрыва.

Технической задачей предлагаемого технического решения является обеспечение гарантированного обрыва лопатки в указанном ее сечении, 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 ослабленной лопатки без дополнительных нагружающих элементов и технологических операций и снижении трудоемкости реализации обрыва.

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, которую осуществляют в ее нижней части над замком, выполняют окна, раскручивают ротор до заданных оборотов, нагревают лопатку до заданной температуры, с последующим ее обрывом, и по следам ее удара о корпус оценивают его непробиваемость, при этом окна выполняют в виде прорезей, и по обе стороны от выполненных прорезей – основных, над полкой замка, выполняют дополнительные прорези, которые образуют термонагружающие участки лопатки в виде Т-образной формы, причем основные прорези выполняют параллельно оси лопатки, а дополнительные прорези выполняют параллельно полке замка, дополнительно в концах нижних частей всех прорезей выполняют концентраторы напряжений, которые совпадают с плоскостью подрезки, затем производят намотку провода между основными и дополнительными прорезями, который образует электронагревательные катушки и после раскрутки ротора до заданных оборотов, через образованные электронагревательные катушки пропускают электрический ток с последующим нагревом термонагружающих участков лопатки, при это каждый термонагружающий участок лопатки нагревают до заданной температуры, производят обрыв лопатки и по следам удара оборвавшейся части о корпус оценивают его непробиваемость.

Устройство для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость содержит ротор с лопатками, замок, привод с системой управления частотой вращения, при этом в одной из лопаток выполнена подрезка над полкой замка, окна, причем окна выполнены в виде прорезей, и по обе стороны от выполненных прорезей – основных, над полкой замка выполнены дополнительные прорези, образующие термонагружающие участки лопатки в виде Т-образной формы, основные прорези расположены параллельно оси лопатки, а дополнительные прорези расположены параллельно полке замка, а также в плоскости подрезки дополнительно выполнены концентраторы напряжений, которые находятся в концах нижних частей всех прорезей, нижние части которых совпадают с плоскостью подрезки, при этом между основными и дополнительными прорезями выполнена намотка провода, который образует электронагревательные катушки, при этом оно дополнительно содержит устройство для измерения температуры термонагружающих участков лопатки, которое состоит из последовательно соединенных датчиков температур, установленных на поверхности термонагружающих участках лопатки, токосъемника и системы измерения температуры, и устройство для нагрева термонагружающих участков лопатки, которое состоит из последовательно соединенных источника питания, токосъемника и электронагревательных катушек.

Кроме того, токосъемник, установленный на валу ротора, выполнен из двух частей, первая часть токосъемника соединена с устройством для измерения температуры термонагружающих участков лопатки, вторая часть – с устройством для нагрева термонагружающих участков лопатки, а концентраторы напряжений выполнены в виде надрезов, которые имеют высоту 0,15÷0,20 мм.

Выполненная подрезка с учетом геометрии прорезей и концентраторов напряжений (надрезов) 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.

Для этого подрезку сечения лопатки выполняют таким образом, чтобы величины запаса прочности было достаточно 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 термонагружающими элементами лопатки при их нагреве.

На величину запаса прочности ослабленного сечения лопатки, при расчете геометрии термонагружающих участков лопатки в зоне ее подрезки, влияет разброс характеристик материала лопатки, геометрические отклонения ее пера, аэродинамические характеристики и динамические характеристики ротора с доработанной лопаткой.

Для полной имитации условий удара лопатки о корпус необходимо, чтобы вес обрывающейся части доработанной лопатки соответствовал весу обрывающейся части реальной лопатки.

После выхода ротора на заданные обороты нагревают термонагружающие участки лопатки. При нагреве происходит термическое расширение термонагружающих участков материала лопатки. Они создают дополнительную нагрузку на подрезанное сечение лопатки, в плоскости которого находятся прорези и концентраторы напряжений, суммирующуюся с центробежной силой, и обеспечивают ее обрыв. Величина нагрузки, которую должны добавить термонагружающие участки лопатки к центробежной нагрузке на рабочих оборотах, снизят запас прочности доработанной лопатки до величины, меньшей единицы.

На фиг.1 изображен внешний вид доработанной лопатки.

На фиг.2 изображено устройство для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость.

На фиг.3 изображено устройство для измерения температуры термонагружающих участков лопатки.

На фиг.4 изображено устройство для нагрева термонагружающих участков лопатки.

Устройство для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость на фиг.1 содержит ослабленную лопатку, которая включает перо 1, замок 2. В пере 1 лопатки выполнены основные прорези 3 и дополнительные прорези 4 и 5, поперечная подрезка 6, концентраторы напряжений 7, 8 и 9, термонагружающие участки 10, 11 и 12 образуют Т-образную форму. Между основными прорезями 3 и 3, и дополнительными прорезями 4 и 4, 5 и 5 наматывают витки провода, образующего электронагревательные катушки 13, 14 и 15. Внутри термонагружающих участков 10, 11 и 12, на поверхности пера 1, устанавливают датчики температур 16, 17 и 18.

Устройство для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость на фиг.2 содержит ротор 19 с лопатками, одна из лопаток выполнена с доработанным пером 1, имеет замок 2, привод 20 с системой 21 управления частотой вращения, датчики температур 16, 17 и 18, токосьемник 23, систему измерений 24, электронагревательные катушки 13, 14 и 15, источник питания 25.

Устройство для измерения температуры термонагружающих участков лопатки на фиг.3 содержит последовательно соединенные датчики температур 16, 17 и 18, токосъемник 23, систему измерений 24.

Устройство для нагрева термонагружающих участков лопатки на фиг.4 содержит последовательно соединенные электронагревательные катушки 13, 14 и 15, токосъемник 23, источник питания 25.

Токосъемник 23 установлен на валу ротора 19. Электронагревательные катушки 13, 14 и 15 соединены последовательно. Подрезка 6 выполнена над замком доработанной лопатки, а нижний торец каждого термонагружающего участка 10, 11 и 12 лопатки опирается на плоскость подрезки 6, а прорези 3, 4 и 5, термонагружающие участки 10, 11 и 12. лопатки также выполнены непосредственно над полкой замка 2. Концентраторы 7, 8 и 9 напряжений выполнены в виде надрезов, которые имеют высоту 0,15-0,20 мм. Токосъемник выполнен из двух частей, первая часть (не показана) токосъемника соединена с устройством для измерения температур термонагружающих участков лопатки, вторая часть (не показана) – с устройством для нагрева термонагружающих участков лопатки.

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

В подготовленной к испытаниям лопатке выполняют прорези 3, по обе стороны от выполненных прорезей 3, основных, над верхней полкой замка 2 выполняют дополнительные прорези 4 и 5, образующие термонагружающие участки 10, 11 и 12 лопатки в виде Т-образной формы. В плоскости подрезки 6 основные прорези 3 расположены параллельно оси лопатки, а дополнительные прорези 4 и 5 расположены параллельно полке замка 2, в плоскости подрезки 6 дополнительно выполнены концентраторы 7, 8 и 9 напряжений, которые находятся в концах нижних частей прорезей 3, 4 и 5, нижние части которых совпадают с плоскостью подрезки 6. Внутри нагружающих элементов 10, 11 и 12 на поверхности пера 1 лопатки устанавливают датчики температур 16, 17 и 18. Внутри нагружающих участков 10, 11 и 12 на поверхности пера 1 устанавливают датчики температур 16, 17 и 18. Между парами прорезей 3 и 3, 4 и 4, 5 и 5 наматывают витки провода, образующего электронагревательные катушки 13, 14 и 15.

Подготовленную лопатку располагают на диске вращающегося ротора 19, находящегося внутри корпуса. Подготавливают устройство для измерения температуры термонагружающих участков 10, 11 и 12 лопатки: последовательно соединяют датчики температур 16, 17 и 18, токосъемник 23, систему измерений 24. Подготавливают устройство для нагрева термонагружающих участков лопатки: последовательно соединяют электронагревательные катушки 13, 14 и 15, токосъемник 23, источник питания 25.

Токосъемник 23 выполнен из двух частей, его первая часть (не показана) соединена с устройством для измерения температур термонагружающих участков лопатки, вторая часть (не показана) – с устройством для нагрева термонагружающих участков лопатки.

Ротор 19 раскручивают до заданных оборотов, а лопатка при этом подвергается действию центробежной нагрузки. Затем от источника питания 25 через токосъемник 23 подают электрический ток в последовательно соединенные электронагревательные катушки 13, 14 и 15. Термонагружающие участки 10, 11 и 12 материала лопатки нагреваются за счет конвективного теплообмена от нагретых электронагревательных катушек 13,14 и 15 и удлиняются от термического расширения. С помощью датчиков температур 16, 17 и 18 контролируется нагрев термонагружающих участков 10, 11 и 12 до заданных температур. В вертикальном термонагружающем участке 10 возникает термическая нагрузка, которая суммируется с осевой центробежной нагрузкой, и воздействует на поперечную подрезку 6 и на концентраторы 7 напряжений. В наклонных термонагружающих участках 11 и 12 возникают термические нагрузки, которые действуют с упором в центральную часть лопатки и в ослабленные кромки с появлением изгибающих моментов и воздействуют на концентраторы 8 и 9 напряжений. Перо 1 лопатки обрывается по поперечной подрезке 6 под воздействием термических нагрузок, создаваемыми термонагружающими участками 10, 11 и 12 и суммируемыми с центробежной нагрузкой и дополнительно от концентраторов 7, 8 и 9 напряжений. Концентраторы 7, 8 и 9 напряжений значительно уменьшают зону пластического деформирования лопаточного материала и обеспечивают мгновенный обрыв лопатки с малым ее удлинением (не превышающим величины зазора между поверхностью корпуса и концевой частью лопатки). Обрыв лопатки происходит с последующим ударом о корпус, по следам которого делают вывод о его непробиваемости.

Электронагревательные катушки намотаны, например, проводом из нихрома с изоляцией. В качестве датчиков температур используются, например, хромель-копелевые термопары. В качестве токосъемника использовался ртутный токосъемник, имеющий 32 пары колец.

Применение предложенного способа и устройства для испытания корпусов роторов лопаточных машин на непробиваемость обеспечивает гарантированный управляемый обрыв лопатки по ее ослабленному сечению (над полкой замка или по пазу замка) 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 и испытательных стендах (в вакуумных бронекамерах разгонных стендов), при этом возможные погрешности расчетов компенсируются необходимым увеличением запаса прочности ослабленного сечения лопатки и соответствующими изменениями геометрии нагружающего элемента.

Формула изобретения

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, которую осуществляют в ее нижней части над замком, выполняют окна, раскручивают ротор до заданных оборотов, нагревают лопатку до заданной температуры, с последующим ее обрывом, и по следам удара оборвавшейся части о корпус оценивают его непробиваемость, отличающийся тем, что окна выполняют в виде прорезей, и по обе стороны от выполненных прорезей – основных, над полкой замка выполняют дополнительные прорези, которые образуют термонагружающие участки лопатки в виде Т-образной формы, причем основные прорези выполняют параллельно оси лопатки, а дополнительные прорези выполняют параллельно полке замка, дополнительно в концах нижних частей всех прорезей выполняют концентраторы напряжений, которые совпадают с плоскостью подрезки, затем производят намотку провода между основными и дополнительными прорезями, который образует электронагревательные катушки и после раскрутки ротора до заданных оборотов, через образованные электронагревательные катушки пропускают электрический ток с последующим нагревом термонагружающих участков лопатки, при этом каждый термонагружающий участок лопатки нагревают до заданной температуры, производят обрыв лопатки и по следам удара оборвавшейся части о корпус оценивают его непробиваемость.

2. Устройство для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость, содержащее ротор с лопатками, замок, привод с системой управления частотой вращения, при этом в одной из лопаток выполнена подрезка над полкой замка и окна, отличающееся тем, что окна выполнены в виде прорезей, и по обе стороны от выполненных прорезей – основных, над полкой замка выполнены дополнительные прорези, образующие термонагружающие участки лопатки в виде Т-образной формы, причем основные прорези расположены параллельно оси лопатки, а дополнительные прорези расположены параллельно полке замка, а также в плоскости подрезки дополнительно выполнены концентраторы напряжений, которые находятся в концах нижних частей всех прорезей, нижние части которых совпадают с плоскостью подрезки, при этом между основными и дополнительными прорезями выполнена намотка провода, который образует электронагревательные катушки, при этом оно дополнительно содержит устройство для измерения температуры термонагружающих участков лопатки, которое состоит из последовательно соединенных датчиков температур, установленных на поверхности термонагружающих участков лопатки, токосъемника и системы измерения температуры, и устройство для нагрева термонагружающих участков лопатки, которое состоит из последовательно соединенных источника питания, токосъемника и электронагревательных катушек.

3. Устройство для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость по п.2, отличающееся тем, что концентраторы напряжений выполнены в виде надрезов, которые имеют высоту 0,15-0,20 мм.

4. Устройство для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость по п.2, отличающееся тем, что токосъемник установлен на валу ротора, выполнен из двух частей, первая часть токосъемника соединена с устройством для измерения температуры термонагружающих участков лопатки, вторая часть – с устройством для нагрева термонагружающих участков лопатки.

РИСУНКИ