СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ДЕТАЛЕЙ РОТОРОВ ГТД НА ЗАДАННЫЙ РЕСУРС В СИСТЕМЕ ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно двигателестроения.

Уровень техники
В современном авиадвигателестроении основным способом проверки работоспособности роторов ГТД (с заменой рабочих лопаток на имитаторы) являются испытания на разгонных установках с проведением отнулевых циклов, имитирующих взлетный режим. При таких испытаниях снимаются лабиринты и покрывные диски, что является серьезным недостатком, так как в этом случае эти элементы не проверяются и не проверяется их взаимодействие с диском по местам соединений, которые обычно являются концентраторами напряжений и очагами развития малоцикловых трещин. Кроме того, на таких установках не удается в полной мере воспроизвести термомеханическое нагружение дисков из-за трудностей в создании нестационарных температурных полей с помощью индукторов. Материальные и временные затраты при таких испытаниях оказываются очень значительными, так как для оценки циклической долговечности всех узлов, входящих в ротора ГТД, необходимо изготовить несколько установок (по числу этих узлов) и провести на них испытания. В связи с указанными недостатками целесообразно проводить циклические испытания роторов в системе двигателя. В этом случае за одно испытание комплексно проверяются все детали и узлы роторов при точном воспроизведении условий по термонагрузкам и существенно экономятся материальные затраты.

Известен способ испытания деталей роторов ГТД на заданный ресурс в составе двигателя, включающий запуски двигателя (отнулевые циклы) и последующие циклы испытаний на соответствующих режимах при переходе на них с фиксированной по времени величиной приемистости (Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей. Москва, Машиностроение, 1976, стр. 176-191).

Существующий способ испытаний не позволяет достоверно определить работоспособность деталей и узлов роторов двигателя (за исключением рабочих лопаток турбин), так как они получают наибольшую повреждаемость в эксплуатации при отнулевых циклах нагружения (0-М-0) (М - режим максимальной тяги), число которых равно числу взлетов. А при УЭЦИ количество циклов 0-М-0 примерно в 5 раз меньше, чем число взлетов за ресурс. Решить же этот вопрос путем совмещения таких проверок с УЭЦИ практически не представляется возможным из-за отличия норм по циклической долговечности различных деталей двигателя. Для подтверждения циклической долговечности роторов требуется троекратный запас, т. е. необходимо провести испытание трех двигателей за ресурс или одного с увеличенной в 3 раза длительностью по наработке, что приводит к существенному возрастанию стоимости и продолжительности испытания. При этом может произойти разрушение деталей "горячей" части двигателя, проверка которых такими испытаниями не предусмотрена (например, камеры сгорания, рабочие и сопловые лопатки турбины).

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является достоверная проверка надежности деталей роторов ГТД (за исключением рабочих лопаток) путем проведения испытания двигателя при сокращении материальных и временных затрат.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе испытаний деталей роторов ГТД на заданный ресурс в составе двигателя, включающем запуски двигателя (отнулевые циклы) и последующие циклы испытаний на соответствующих режимах при переходе на них с фиксированной по времени величиной приемистости, запуски и испытания производят с выходом на режим максимальной тяги, при этом переход с режима малого газа на режим максимальной тяги производят с приемистостью соответствующей увеличенной вдвое по времени величиной приемистости на режим максимальной тяги, количество запусков (отнулевых циклов) равно количеству взлетов за ресурс, а количество выходов на режим максимальной тяги увеличено на требуемую величину выходов на форсированный режим за ресурс, при этом понижают температуру газа при испытаниях на величину, при которой предел прочности и текучести материала наиболее горячей из деталей роторов (диска, лабиринта и т.д.) уменьшаются не более, чем на 1%.

Увеличение времени приемистости на указанную величину не влияет на температурное и напряженное состояние дисков и лабиринтов из-за их большой тепловой инерционности. Замена форсажного режима режимом максимальной тяги и снижение температуры газа не обуславливает снижение температуры обода диска - наиболее горячей его части. Следовательно, не происходит повышения прочностных характеристик и связанного с этим увеличения циклической долговечности, что не отражается на достоверности полученных результатов. При этом значительно сокращаются материальные затраты из-за уменьшения расхода топлива за период испытаний. Реализация этих отличительных признаков позволяет существенно снизить термические напряжения в деталях "горячей" части ГТД, проверка которых не предусмотрена такими испытаниями (в рабочих и сопловых лопатках, камере сгорания), и, следовательно, исключить вероятность их разрушения, что экономит материальную часть.

ПРИМЕР. Были проведены циклические испытания роторов в системе двигателя на ресурс 1000 часов, включающие в себя:
- выходы только на режим максимальной тяги (0-М), равные по количеству числу взлетов за ресурс;
- приемистости только на режим максимальной тяги;
- увеличение времени приемистости при переходе с режима малого газа на режим максимальной тяги с 3-4 с. до 6-8 с. Такое увеличение времени приемистости не повлияло на теплонапряженное состояние проверяемых деталей. Так, например, максимальная температура диска ТВД достигается через примерно 30 мин после начала приемистости. При этом циклическая долговечность непроверяемых деталей (сопловых и рабочих лопаток) повысилась примерно в 10 раз;
- снижение температуры газа на 50^oC привело к уменьшению температуры наиболее горячей из проверяемых деталей - обода диска ТВД - на ~10^oC. Циклическая долговечность при этом не изменилась, т.к. механические свойства материала диска (предел прочности и текучести) при изменении температуры на 300^oC в диапазоне температур от 100^oС до 600^oС изменяются менее чем на 1%.

За ресурс 1000 часов было проведено 3000 циклов, каждый из которых начинался с выхода 0-М. Такое количество циклов соответствует троекратному запасу по наработке при длительности полета 1 ч. Все детали "горячей" части, не подлежащие проверке, имели удовлетворительное состояние, что позволило использовать их при дальнейших испытаниях.

Технико-экономическая или иная эффективность
Использование предлагаемого способа испытания деталей роторов (за исключением рабочих лопаток) в системе двигателя обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества.

1. Не требуется материальных и временных затрат на проектирование и изготовление устройств для каждого узла, обеспечивающих такие же условия нагружения, как на двигателе.

2. Примерно в 3 раза снизить материальные затраты из-за сокращения сроков испытания и экономии топлива (часовой расход топлива, например двигателя РД-33, на форсажом режиме равен ~11 т/ч, а на режиме максимальной тяги - ~4 т/ч).

3. Сократить материальные затраты, т.к. при снижении температуры газа и увеличении времени приемистости исключается вероятность разрушения деталей, не проверяемых испытаниями. Это позволяет сохранить материальную часть и использовать ее при следующих испытаниях.

4. Повысить достоверность результатов испытания, т.к. циклические нагружения в более полной мере соответствуют условиям эксплуатации.

Способ (циклических) испытаний деталей роторов ГТД на заданный ресурс в составе двигателя включает запуски двигателя (отнулевые циклы) и последующие циклы испытаний на соответствующих режимах при переходе на них с фиксированной величиной времени приемистости. Запуски и испытания двигателя производят с выходом на режим максимальной тяги. Переход с режима малого газа на режим максимальной тяги производят с приемистостью, соответствующей увеличенной вдвое величиной приемистости на режим максимальной тяги. Количество запусков (отнулевых циклов) равно количеству взлетов за ресурс. Количество выходов на режим максимальной тяги увеличено на требуемую величину выходов на форсажный режим за ресурс, при этом понижают температуру газа при испытаниях на величину, при которой предел прочности и текучести материала наиболее горячей детали ротора превышается не более, чем на 1%. Изобретение позволяет производить достоверную проверку надежности деталей роторов ГТД, кроме рабочих лопаток, при сокращении материальных и временных затрат.

Способ (циклических) испытаний деталей роторов ГТД на заданный ресурс в составе двигателя, включающий запуски двигателя (отнулевые циклы) и последующие циклы испытаний на соответствующих режимах при переходе на них с фиксированной величиной времени приемистости, отличающийся тем, что запуски и испытания двигателя производят с выходом на режим максимальной тяги, при этом переход с режима малого газа на режим максимальной тяги производят с приемистостью, соответствующей увеличенной вдвое по времени величиной приемистости на режим максимальной тяги, количество запусков (отнулевых циклов) равно количеству взлетов за ресурс, а количество выходов на режим максимальной тяги увеличено на требуемую величину выходов на форсажный режим за ресурс, при этом понижают температуру газа при испытаниях на величину, при которой предел прочности и текучести материала наиболее горячей детали ротора повышается не более чем на 1%.