СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ КОРПУСА РОТОРА ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН НА НЕПРОБИВАЕМОСТЬ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01M7/08 

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 исследований на прочность. Обрывавшиеся лопатки обладают большой кинетической энергией и способны нанести повреждения, ведущие к катастрофе, при попадании в планер самолета. Поэтому при проектировании современных двигателей выдвигается условие удержания рабочей лопатки внутри корпуса в случае ее обрыва. Нормативные документы требуют экспериментального подтверждения непробиваемости корпуса.

Однако проведение испытаний корпуса на непробиваемость имеет ряд технических сложностей. Рабочую лопатку необходимо оборвать на заданных оборотах в заданном сечении. Чаще всего это сечение выбирается у замка, чтобы кинетическая энергия лопатки была максимальной. 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. Нелокализованный обрыв лопаток ведет к разлету обломков на большое расстояние. В связи с этим испытания корпуса на непробиваемость проводят, как правило, в 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, затруднительно из-за разброса геометрии лопаток и прочностных свойств материала, поэтому подрезку сечения проводят в несколько этапов, последовательно приближаясь к заданной частоте вращения, либо превышают заданную частоту и затем производят пересчет результатов. Данные 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 [1], заключающийся в подрыве корневого сечения лопатки зарядом взрывчатого вещества после выхода ротора на заданные обороты.

Данный способ имеет ряд существенных недостатков.

Главным недостатком является то, что, как показывает практика, при подрыве лопатке сообщается дополнительная энергия, которой не обладает лопатка, оборвавшаяся при обычном разрушении. Обрыву лопаток предшествует значительная деформация стенок полости, в которой подрывается заряд, причем величина деформации превышает величину торцевого зазора между лопаткой и корпусом. Это ведет к контакту между ними еще до обрыва лопатки. Ударная волна нарушает ориентацию лопатки, ее траектория становится неопределенной и не соответствующей реальным условиям. Все 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 наличия надежного токосъемника на роторе. Подготовка испытаний требует особых организационных мер и мер безопасности, учитывающих использование взрывчатых веществ, а также наличия специально подготовленного персонала.

Наиболее близким техническим решением является способ испытаний корпуса на непробиваемость [2], при котором после выхода ротора на заданную частоту вращения производят отрезку пера в заданном сечении с помощью электродов, размещаемых на пере лопатки.

Недостатком данного технического решения является сложность организации поджига электродов и поддержания горения дуги на вращающейся лопатке, ее ненадежность вследствие выгорания электрода. Требуется обеспечить подвод большого тока к вращающемуся ротору.

Технической задачей предлагаемого решения является обеспечение гарантированного обрыва лопатки в указанном сечении на заданной частоте вращения и обеспечение ей траектории, максимально близкой к траектории лопатки, оборвавшейся в эксплуатации, при минимальной доработке ротора.

Технический результат достигается в заявляемом способе испытаний корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость, заключающемся в том, на одной из лопаток, прикрепленных на ротор, расположенный внутри неподвижного корпуса, выполняют ослабленное поперечной подрезкой сечение пера лопатки вблизи замка или над его полкой, раскручивают ротор до заданных оборотов, на которых происходит обрыв доработанной лопатки с последующим ударом оборвавшейся ее части о корпус, и по следам удара на корпусе оценивают его непробиваемость, согласно изобретению в околозамковой части пера лопатки выполняют подрезку, оставляя целыми кромки и среднюю часть, образующую среднюю перемычку, а в замке и средней перемычке, оставшейся после подрезки, изготавливают полость, в которой размещают нагреватель таким образом, чтобы обеспечить тепловой контакт между ним и стенками полости при вращении ротора, при этом на поверхности оставшейся перемычки и кромок выполняют канавку-концентратор радиусом 0,2-0,5 мм, затем после раскрутки ротора и выхода на заданные обороты осуществляют нагрев материала средней перемычки с помощью нагревателя.

Заявляемое устройство для испытаний корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость включает ротор, расположенный внутри корпуса, с лопатками, включающими перо и замок, привод для раскрутки ротора, систему управления вращением, при этом одна лопатка выполнена с ослабленным подрезкой околозамковым сечением, где согласно изобретению в сечении, в котором предполагается обрыв, при подрезке оставлены кромки пера лопатки и средняя перемычка, причем подрезка выполнена таким образом, чтобы перо в месте подрезки имело запас прочности ≥1,2, а в замке и средней перемычке, оставшейся после подрезки, изготавливают полость, в которой устанавливают нагреватель, при этом нагреватель устанавливают таким образом, чтобы он обеспечивал тепловой контакт между ним и стенками полости при вращении ротора и обеспечивал нагрев материала до температуры Т_max, обеспечивающей выполнение соотношения

где , - пределы прочности материала при Т=20°С, и при T_max,

n - расчетный запас прочности,

S_cp - площадь средней перемычки в ослабленном сечении с учетом площади сечения полости,

ΣS - площадь материала сечения лопатки после подрезки,

при этом на поверхности оставшейся перемычки и кромок выполнена канавка-концентратор радиусом 0,2-0,5 мм.

Стенки полости в замке и средней перемычке, оставшейся после подрезки, в которой устанавливают нагреватель, выполняют наклонными, под углом, обеспечивающим самоторможение нагревательного элемента при действии центробежной силы в процессе вращения лопатки, установленной на роторе, обеспечивая тепловой контакт между нагревателем и стенкой.

В околозамковой части пера по радиусной переходной к замку части пера лопатки делают выборку по профилю таким образом, чтобы геометрия сечения пера, по которому осуществляется подрезка, соответствовала расчетному профилю.

За счет того, что в околозамковой части пера лопатки выполняют подрезку, оставляя целыми кромки и среднюю часть, в замке и средней перемычке, оставшейся после подрезки, изготавливают полость, в которой размещают нагреватель таким образом, чтобы обеспечить тепловой контакт между ним и стенками полости при вращении ротора. Затем, после раскрутки ротора и выхода на заданные обороты, осуществляют нагрев материала средней перемычки с помощью нагревателя. При вращении под действием центробежной силы и вибраций контакт нагревателя и стенок полости в пере и замке лопатки может нарушиться. Для предотвращения этого стенки полости в замке и средней перемычке, оставшейся после подрезки, в которой устанавливают нагреватель, и стенки нагревателя выполняют наклонными, под углом, обеспечивающим самоторможение нагревательного элемента при действии центробежной силы в процессе вращения лопатки, установленной на роторе. 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 при нагреве нагревателя тепло от него передается стенкам полости, вследствие чего происходит термическое расширение материала лопатки. Это приводит к перераспределению центробежной нагрузки от средней перемычке к кромкам и их силой, превышающей допустимую нагрузку. Происходит обрыв кромок и нагрузка перераспределяется на среднюю перемычку, обрывая ее. Лопатка отделяется от замка, попадает в корпус и по следам ее удара делается вывод о непробиваемости корпуса.

Для обеспечения обрыва лопатки при нагреве среднего сечения с помощью нагревателя, размещаемого в полости замка и средней перемычки, необходимо обеспечить запас прочности после подрезки n ≥1,2 и нагрев материала до температуры Т_max, обеспечивающей выполнение соотношения

где , - пределы прочности материала при Т=20°С, и при T_max.

n - расчетный запас прочности.

S_cp - площадь средней перемычки в ослабленном сечении с учетом площади сечения полости.

ΣS - площадь материала сечения лопатки после подрезки.

Лопатка в околозамковом сечении имеет радиусный переход, имеющий большую величину допуска. Поэтому расчет подрезки, обеспечивающей заданный запас прочности, затруднителен из-за фактической разницы площади подрезаемого сечения, попадающего на радиусный переход, и площади сечения получаемой в расчете. В связи с этим в околозамковой части пера по радиусной переходной к замку части пера лопатки делают выборку по профилю таким образом, чтобы геометрия сечения пера, по которому осуществляется подрезка, соответствовала расчетному профилю. На поверхности оставшейся перемычки и кромок делают канавку-концентратор радиусом 0,2...0,5 мм для обеспечения условий хрупкого разрушения.

На фиг.1 изображен внешний вид испытываемой лопатки.

На фиг.2 изображен продольный разрез лопатки.

На фиг.3 изображен поперечный разрез лопатки.

На фиг.4 изображен продольный разрез лопатки по подрезке и по полости нагревателя.

На фиг.5 изображен увеличенный продольный разрез замка лопатки.

Лопатка фиг.1 включает перо 1, имеющее радиус перехода 3 (на фигурах условно показано пунктиром), замок 5. В пере лопатки выполнена подрезка 2, разделяющая кромки 4 и среднюю перемычку 6. В средней перемычке 6 в замке 5 и пере 1 лопатки выполнена полость 7, в которой установлен нагреватель 8. На поверхности оставшейся перемычки 6 и кромок 4 выполнена канавка-концентратор 9 радиусом 0,2-0,5 мм.

Для обеспечения теплопередачи от нагревателя к стенкам полости при вращении ротора стенки выполнены с наклоном под углом α, обеспечивающие самоторможение нагревательного элемента во время вращения. В околозамковой части пера по радиусной переходной к замку части пера лопатки делают выборку по профилю таким образом, чтобы геометрия сечения пера, по которому осуществляется подрезка, соответствовала расчетному профилю.

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

Подготовленную к испытаниям лопатку на фиг.1 с установленным нагревателем 8, установленным в полости 7, располагают на диске вращающегося ротора, находящегося внутри корпуса. Ротор раскручивается до заданных оборотов, а перо 1 лопатки при этом подвергается действию центробежной нагрузки с учетом веса нагревателя. Нагреватель 8 под действием центробежных сил по наклонным стенкам полости 7 прижимается к ним из-за наличия угла, что обеспечивает хороший тепловой контакт. Затем включают нагреватель. Средняя перемычка 6 лопатки расширяется, что обеспечивает перераспределение центробежной силы от средней перемычки 6 к кромкам 4. Нагрузка от пера превышает предел прочности материала пера, что вызывает обрыв кромок. Нагрузка перераспределяется к средней перемычке, что обеспечивает ее обрыв. Из-за канавки-концентратора 9 обрыв произойдет с малой деформацией, т.е произойдет "хрупкий" обрыв.

Применение предложенного 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 только доработка лопатки, причем ее габариты практически не меняются. Нагрев лопатки ротора на заданных оборотах может быть достаточно просто осуществлен и позволяет управлять процессом обрыва. Метод вполне применим для исследований на реальном двигателе, причем возможные погрешности расчетов и неучет некоторых факторов может быть скомпенсирован некоторым увеличением запаса прочности ослабленного сечения лопатки и соответствующими изменениями геометрии нагружающего элемента.

Источники информации

1. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. М., Машиностроение, 1993 г., с.135.

2. В.Г.Баженов, Ю.И.Тростенюк, В.К.Захаров. Универсальный разгонный стенд для повторно-статических испытаний крупногабаритных элементов роторов. // Проблемы прочности. №9, 1988, стр.114-116.

Изобретения относятся к области машиностроения и могут быть использованы при проведении испытаний корпусов роторов лопаточных машин на непробиваемость и исследованиям ударных воздействий на них. Способ заключается в раскрутке ротора, расположенного внутри неподвижного корпуса, до заданных оборотов, на которых обеспечивают обрыв лопатки с последующим ее ударом о корпус, после чего по следам на корпусе оценивают его непробиваемость. При этом перед испытанием ослабляют поперечное сечение пера лопатки в околозамковой ее части путем подрезки, оставляя целыми кромки и среднюю перемычку, а в замке и средней перемычке, оставшейся после подрезки, изготавливают полость, в которой размещают нагреватель. Его размещают таким образом, чтобы обеспечить тепловой контакт между ним и стенками полости при вращении ротора. На поверхности оставшейся перемычки и кромок выполняют канавку-концентратор радиусом 0,2-0,5 мм. Затем, после раскрутки ротора и выхода на заданные обороты осуществляют нагрев материала средней перемычки с помощью нагревателя. Устройство включает ротор с лопатками, включающими перо и замок, расположенный внутри корпуса, привод для раскрутки ротора, систему управления вращением, причем одна лопатка выполнена с ослабленным подрезкой околозамковым сечением. При этом в сечении пера лопатки, в котором предполагается обрыв, при подрезке оставлены кромки пера и средняя перемычка, причем подрезка выполнена таким образом, чтобы перо в месте подрезки имело запас прочности ≥1,2, а в замке и средней перемычке, оставшейся после подрезки, изготавливают полость, в которой устанавливают нагреватель. При этом нагреватель устанавливают таким образом, чтобы он обеспечивал тепловой контакт между ним и стенками полости при вращении ротора и обеспечивал нагрев материала. Технический результат заключается в обеспечении гарантированного управляемого обрыва лопатки при заданном числе оборотов ротора, причем траектория движения лопатки после обрыва будет соответствовать реальной, снижая трудоемкость испытания и повышая их достоверность. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ испытаний корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость, заключающийся в том, что на одной из лопаток, прикрепленных на ротор, расположенный внутри неподвижного корпуса, выполняют ослабленное поперечной подрезкой сечение пера лопатки вблизи замка или над его полкой, раскручивают ротор до заданных оборотов, на которых происходит обрыв доработанной лопатки с последующим ударом оборвавшейся ее части о корпус, и по следам удара на корпусе оценивают его непробиваемость, отличающийся тем, что в околозамковой части пера лопатки выполняют подрезку, оставляя целыми кромки и среднюю часть, образующую среднюю перемычку, а в замке и средней перемычке, оставшейся после подрезки, изготавливают полость, в которой размещают нагреватель таким образом, чтобы обеспечить тепловой контакт между ним и стенками полости при вращении ротора, при этом на поверхности оставшейся перемычки и кромок выполняют канавку-концентратор радиусом 0,2-0,5 мм, затем после раскрутки ротора и выхода на заданные обороты осуществляют нагрев материала средней перемычки с помощью нагревателя.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, при этом одна лопатка выполнена с ослабленным подрезкой околозамковым сечением, отличающееся тем, что в сечении, в котором предполагается обрыв, при подрезке оставлены кромки пера лопатки и средняя перемычка, причем подрезка выполнена таким образом, чтобы перо в месте подрезки имело запас прочности ≥1,2, а в замке и средней перемычке, оставшейся после подрезки, изготавливают полость, в которой устанавливают нагреватель, при этом нагреватель устанавливают таким образом, чтобы он обеспечивал тепловой контакт между ним и стенками полости при вращении ротора и обеспечивал нагрев материала до температуры Т_max, обеспечивающей выполнение соотношения

где , - пределы прочности материала при Т=20°С, и при Т_max;

n - расчетный запас прочности,

S_cp - площадь средней перемычки в ослабленном сечении с учетом площади сечения полости;

ΣS - площадь материала сечения лопатки после подрезки,

при этом на поверхности оставшейся перемычки и кромок выполнена канавка-концентратор радиусом 0,2-0,5 мм.