СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ ИЛИ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ И МНОГОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ Российский патент 2018 года по МПК G01N3/32 G01N3/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к стенду для испытаний на малоцикловую усталость и, возможно, на комбинированную малоцикловую и многоцикловую усталость для воспроизведения опоры деталей газотурбинного двигателя, такой как опора по меньшей мере одной ножки лопатки на опорную шейку ячейки диска ротора.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Диск ротора газотурбинного двигателя содержит на своей периферии кольцевой ряд ячеек, в которые посажены ножки лопаток и которые имеют, например, форму ласточкина хвоста, для получения рабочего колеса. Во время работы лопатки подвергаются действию центробежных сил, и их ножки приходят в положение опоры на боковые опорные шейки ячеек диска. Кроме того, лопатки испытывают колебания, связанные с аэродинамическими усилиями, которые приводят к относительным скольжениям между ножками лопаток и диском. Эти воздействия влияют на срок службы креплений лопатка-диск.

Анализ срока службы креплений лопатка-диск основан на вычислениях, которые являются сложными по причине влияния контакта на напряжения и на вычисляемый срок службы. Предсказательное вычисление срока службы можно производить через полную цифровую модель. Сложность использования модели заключается в необходимых входных данных. Действительно, модель требует корреляции между полем напряжений, наблюдаемым при контакте лопатка-диск, и числом циклов с появлением соответствующей трещины.

Для этого анализа необходимо изготовить стенд, на котором в лабораторных условиях можно воспроизводить контакт лопатка-диск, подвергающийся нагрузке малоцикловой усталости (LCF: low cycle fatigue) или комбинированной малоцикловой и многоцикловой усталости (HCF: high cycle fatigue). Испытательный стенд должен позволить экспериментально определить срок службы контакта лопатка-диск. Затем эти экспериментальные данные используют для применения цифровых методик определения срока службы на реальных деталях, для которых невозможно экспериментально определить срок службы.

В современной технике стенды испытаний на малоцикловую усталость содержат, каждый, опорное устройство, закрепленное на станине и образующее по меньшей мере одну опорную поверхность, и образец, соединенный со средствами натяжения для приведения образца в положение опоры на опорную поверхность или каждую опорную поверхность опорного устройства.

Однако эти испытательные стенды не являются полностью удовлетворительными, поскольку при запуске испытания и в течение всего периода испытания не обеспечивают однородного контакта между деталями, что может исказить вычисления при оценке срока службы. Кроме того, в этих испытательных стендах опорное устройство и образец являются относительно громоздкими. Кроме того, может оказаться сложным оборудовать эти стенды контрольно-измерительными инструментами и иметь легкий доступ к этим инструментам. Наконец, эти испытательные стенды не всегда обеспечивают репрезентативную картину по отношению к промышленному применению деталей.

Задачей изобретения является нахождение простого, эффективного и экономичного решения по меньшей мере части вышеупомянутых проблем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В изобретении предложен стенд для испытаний на малоцикловую усталость и, возможно, на комбинированную малоцикловую и многоцикловую усталость для воспроизведения опоры деталей газотурбинного двигателя, такой как опора по меньшей мере одной ножки лопатки на опорную шейку ячейки диска ротора, причем этот испытательный стенд содержит опорное устройство, закрепленное на станине и образующее по меньшей мере одну опорную поверхность, и образец, соединенный со средствами натяжения для приведения образца в положение опоры на опорную поверхность или каждую опорную поверхность опорного устройства, отличающийся тем, что опорная поверхность или каждая опорная поверхность выполнена на элементе, установленном с возможностью вращения вокруг первой оси на опорном устройстве, и тем, что образец соединен со средствами натяжения при помощи средств шарнирного соединения вокруг второй оси, по существу перпендикулярной к первой оси, и тем, что дополнительно содержит средства регулирования и блокировки элемента и образца в положениях вокруг вышеупомянутых осей.

Согласно изобретению элемент имеет степень свободы относительно опорного устройства, и образец имеет степень свободы относительно средств натяжения. Эта двойная степень свободы является преимуществом, так как относительные положения образца и элемента, установленного на опорном устройстве, можно точно корректировать таким образом, чтобы образец гарантированно опирался на опорную поверхность или каждую опорную поверхность опорного устройства. После правильного позиционирования образца и элемента их фиксируют в этих положениях таким образом, чтобы они сохраняли их при запуске испытания. Таким образом, изобретение обеспечивает идеальный однородный контакт в начале испытания.

Испытательный стенд в соответствии с изобретением можно адаптировать для известной технологии, так как можно использовать станину и средства натяжения, которые уже существуют в известных стендах.

Предпочтительно элемент имеет по существу цилиндрическую наружную поверхность, взаимодействующую с по существу комплементарной поверхностью опорного устройства для направления вращения элемента вокруг первой оси.

Средства блокировки элемента и/или образца являются, например, винтовыми средствами.

Средства блокировки элемента могут содержать по меньшей мере один винт, который завинчивают в резьбовое отверстие элемента и который проходит через щель опорного устройства, при этом при затягивании винта головка винта опирается на опорное устройство для стопорения элемента, и щель имеет по существу удлиненную форму для обеспечения углового отклонения элемента вокруг первой оси, когда винт вводят в отверстие элемента, но не затягивают.

Предпочтительно элемент установлен на центральной части устройства, которая соединена по меньшей мере одним первым плечом с цоколем, закрепленным на станине, причем это первое плечо наклонено таким образом, что ориентировано по существу параллельно опорной поверхности элемента. Таким образом, первое плечо является по существу коллинеарным или касательным к усилиям сдвига, прикладываемым к образованной элементом опорной поверхности. Это позволяет ограничить риски деформации опорного устройства во время испытания.

Центральная часть может быть соединена по меньшей мере одним вторым плечом с поперечным бруском, по существу параллельным цоколю, причем это второе плечо наклонено таким образом, что расположено по существу параллельно относительно нормали к образованной элементом опорной поверхности. При этом второе плечо расположено по существу параллельно нормальным усилиям, прикладываемым к опорной поверхности элемента. Это тоже позволяет ограничить риски деформации опорного устройства во время испытания и значительно снижает риск нарушения контакта деталей. Таким образом, изобретение позволяет сохранять контакт деталей во время всего испытания.

Опорное устройство может содержать два элемента, установленные с возможностью вращения соответственно на двух центральных частях устройства и вокруг первых параллельных осей, находящихся на расстоянии друг от друга, причем эти элементы имеют опорные поверхности, предназначенные для воспроизведения участков двух смежных ножек лопаток рабочего колеса. Иначе говоря, испытательный стенд позволяет воспроизводить два контакта лопатка-диск.

В варианте выполнения изобретения центральные части устройства соединены, каждая, с двумя параллельными поперечными брусками через два вторых плеча соответственно, при этом поперечные бруски, первые и вторые плечи, центральные части и цоколь устройства выполнены в виде единой детали, и образец проходит между поперечными брусками в положении монтажа.

Во время испытания на многоцикловую усталость опорное устройство может быть соединено со станиной при помощи детали I-образной формы с гибкой центральной частью таким образом, чтобы образец и опорное устройство опирались в зоне, находящейся на уровне узла первой вибрационной моды стенда.

Это положение опорной зоны обеспечивает максимальное скольжение деталей на уровне контакта, одновременно ограничивая перемещения всей системы. Это позволяет оборудовать испытательный стенд несколькими инструментами и, в частности, камерой для визуального наблюдения за опорной зоной.

ОПИСАНИЕ ФИГУР

Изобретение и его другие детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает схематичный вид крепления ножки лопатки в ячейке диска ротора газотурбинного двигателя.

Фиг.2 - частичный схематичный вид в изометрии стенда для испытания на малоцикловую усталость в соответствии с изобретением с показом образца и опорного устройства этого стенда.

Фиг.3 - половинчатый вид опорного устройства и образца, показанных на фиг.2.

Фиг.4 - схематичный вид в изометрии одного из элементов, установленных на опорном устройстве, показанном на фиг.2.

Фиг.5 - схематичный вид в изометрии образца, показанного на фиг.2.

Фиг.6 - схематичный вид опорной зоны между образцом и одним из элементов опорного устройства, показанного на фиг.2.

Фиг.7 - схематичный вид части опорного устройства с показом наклонных плеч этого устройства.

Фиг.8 - схематичный вид в изометрии стенда для испытаний на малоцикловую и многоцикловую усталость в соответствии с изобретением.

Фиг.9 - схема, иллюстрирующая положение опорной зоны между образцом и опорным устройством по отношению к первой вибрационной моде стенда.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

На фиг.1 схематично показан узел лопатка-диск газотурбинного двигателя, при этом лопатка 10 содержит ножку 12, вставленную в ячейку 14 на периферии диска 16 ротора, причем этот диск содержит кольцевой ряд ячеек 14 этого типа для установки в них ножек лопаток. Узел, включающий в себя диск 16 и лопатки 10, образует рабочее колесо газотурбинного двигателя. В данном случае ножка 12 имеет форму ласточкина хвоста. Две смежные ячейки 14 диска 16 отделены друг от друга зубцом 15, при этом на фиг.1 зубцы 15, находящиеся с двух сторон от ножки 12 лопатки, показаны частично.

Во время работы на лопатку 10 действуют центробежные силы (стрелка 18), и ее перо проявляет тенденцию к колебанию (стрелка 20), что приводит к опоре и скольжению боковых частей ножки 12 лопатки на боковых опорных шейках 22 ячейки 14 диска. Стрелками 24 показаны нормальные усилия, которые действуют на находящиеся друг против друга поверхности ножки 12 лопатки и ячейки 14, а стрелки 26 обозначают усилия сдвига, действующие на эти поверхности.

На фиг.2-7 представлен вариант выполнения испытательного стенда в соответствии с изобретением, который выполнен с возможностью воспроизведения двух контактов лопатка-диск под нагрузкой малоцикловой усталости (LCF: low cycle fatigue) и комбинированной малоцикловой и многоцикловой усталости (HCF: high cycle fatigue) с целью экспериментального определения срока службы этих контактов.

Испытательный стенд 100 в основном содержит две части: первую часть 102, соединенную со средствами 104 натяжения и предназначенную для воспроизведения зубца диска ротора, и вторую часть 106, соединенную с неподвижной станиной 108 и предназначенную для воспроизведения участков двух ножек лопаток, взаимодействующих с этим зубцом.

Первая часть 102 содержит образец 110, установленный на конце пластины 112, другой конец которой соединен со средствами 104 натяжения. Средства 104 натяжения содержат, например, домкрат, в котором свободный конец штока соединен с пластиной 112 и цилиндр которого установлен на неподвижной части испытательного стенда. Предпочтительно этот домкрат ориентирован параллельно пластине 112, чтобы сила натяжения действовала параллельно продольной оси пластины 112.

Образец 110 шарнирно установлен на оси 114, вставленной в конец пластины 112, таким образом, чтобы перемещать образец вращательным движением вокруг оси А, которая является по существу перпендикулярной к продольной оси пластины 112 и которая является параллельной плоскости фигуры 3. В примере, показанном на фиг.5, образец 110 имеет U-образное основание, содержащее две параллельные и отстоящие друг от друга лапки 116, при этом плоский конец пластины 112 вставлен между этими лапками, и в нем установлена ось 114, концы которой находятся и поворачиваются в отверстиях лапок 116. Образец 110 является подвижным и может поворачиваться вокруг оси А в угловом диапазоне примерно в несколько десятков градусов.

По меньшей мере одна из лапок 116 образца 110 содержит сквозные резьбовые отверстия для установки винтов (не показаны), блокирующих вращение образца 110. Эти винты могут опираться своими свободным концами на конец пластины 112 и стопорить образец 110 в определенном положении вокруг оси А.

Образец 110 содержит также часть, выполненную в виде зубца диска и соединенную с вышеупомянутым основанием, причем эта часть воспроизводит участки двух смежных ячеек диска. Эта часть имеет общую форму ласточкина хвоста и содержит две боковые стороны, форма которых воспроизводит опорные шейки 120, 122 двух смежных ячеек диска. Каждая из этих опорных шеек 120, 122 содержит относительно плоскую опорную поверхность 124 (фиг.6).

Вторая часть 106 испытательного стенда 100 содержит опорное устройство 126, содержащее цоколь 128, закрепленный на станине 108, и два поперечных бруска 130, параллельных относительно друг друга и цоколя и находящихся на расстоянии друг от друга, причем эти бруски 130 соединены с цоколем через плечи 132, 134, на которых установлены опорные элементы 136 образца 110.

Цоколь 128 имеет форму параллелепипеда и предпочтительно закреплен плашмя в горизонтальном положении на станине 108. Своими двумя противоположными концами он соединен с нижними концами первых плеч 132, верхние концы которых соединены с центральными частями 138, поддерживающими опорные элементы 136, причем эти центральные части 138 соединены с нижними концами вторых плеч 134, верхние концы которых соединены с концами поперечных брусков 130.

В представленном примере каждая центральная часть 138 представляет собой участок цилиндра и содержит участок внутренней цилиндрической поверхности 140, обращенный внутрь устройства 126, и участок наружной цилиндрической поверхности 142, обращенный наружу устройства.

Первые плечи или нижние плечи 132 выполнены в количестве двух, при этом каждое плечо 132 соединяет конец цоколя 128 с нижним концом центральной части 138. Как будет более детально описано ниже, эти плечи 132 наклонены, в частности, относительно цоколя 128.

Вторые плечи или верхние плечи 134 выполнены в количестве четырех, при этом каждая центральная часть 138 соединена парой вторых плеч 134 с первыми концами поперечных брусков 130, противоположные концы которых соединены другой парой вторых плеч 134 с другой центральной частью 138. Вторые плечи 134 каждой пары параллельны и находятся на расстоянии друг от друга, при этом каждый поперечный брусок 130 и вторые плечи 134, соединенные с этим бруском, находятся по существу в одной плоскости. Эти плечи 134 наклонены относительно цоколя 128 и брусков 130.

Элементы 136 установлены подвижно с возможностью вращения на внутренних цилиндрических поверхностях 140 центральных частей 138 соответственно вокруг параллельных осей В, причем эти оси В являются по существу перпендикулярными к оси А, то есть по существу перпендикулярными к плоскости фиг.3.

Каждый элемент 136, более наглядно показанный на фиг.4, содержит по существу цилиндрическую наружную поверхность 144, соответствующую по форме вышеупомянутой внутренней поверхности 140 соответствующей центральной части 138, поэтому элемент 136 может скользить, поворачиваясь вокруг оси В относительно устройства. Каждый элемент 136 дополнительно содержит опорную подошву 146, содержащую плоскую поверхность 148 опоры на одну из вышеупомянутых поверхностей 124 образца 110. Положение каждого элемента 136 вокруг соответствующей оси В можно регулировать и фиксировать при помощи винтов (не показаны), которые можно завинчивать в резьбовые отверстия 150 элемента. Эти винты проходят насквозь через щели 152 центральных частей 138 устройства, которые имеют удлиненную форму и ось удлинения которых по существу перпендикулярна к осям В. Винты вставляют снаружи устройства в щели и в резьбовые отверстия элементов, при этом головки винтов должны опираться на наружные поверхности 142 центральных частей 138 для удержания элементов 136.

В положении монтажа, показанном на фиг.2 и 3, образец 110 расположен между поперечными брусками 130 устройства 126 таким образом, чтобы пластина 112 располагалась в направлении, противоположном цоколю. Поверхности 124 образца 110 должны опираться на поверхности 148 элементов 136.

Как показано на фиг.6, при монтаже эти поверхности 124, 148 могут быть разделены небольшим зазором и могут иметь небольшой наклон относительно друг друга, поэтому они могут не входить друг с другом в идеальный контакт.

Этот недостаток можно устранить благодаря двум степеням свободы вокруг осей А и В образца 110 и элементов 136 соответственно, которые позволяют точно регулировать относительные положения образца и элементов и гарантировать, что опорные поверхности 124, 148 действительно входят друг с другом в контакт при запуске испытания. После регулирования этих положений их фиксируют при помощи вышеупомянутых винтов.

Как показано на фиг.7, каждое первое плечо 132 расположено по существу параллельно по отношению к нормальным усилиям (стрелка 154), прикладываемым к поверхности 148 соответствующего элемента 136, и каждое второе плечо 132 по существу параллельно по отношению к усилиям сдвига (стрелки 156), действующим на эти поверхности. Это позволяет ограничить деформации устройства во время использования и обеспечивает сохранение контакта между элементами и образцом в течение всего испытания.

На фиг.8 представлен вариант выполнения испытательного стенда 200 в соответствии с изобретением, который выполнен с возможностью воспроизведения двух контактов лопатка-диск под нагрузкой малоцикловой усталости (LCF: low cycle fatigue) и многоцикловой усталости (HCF: high cycle fatigue).

Испытательный стенд 200 имеет все вышеупомянутые признаки стенда 100, а также дополнительно следующие отличительные признаки.

Устройство 126 закреплено на станине при помощи детали 158 I-образной формы. Эта деталь 158 содержит два параллельных массивных блока 160, имеющих по существу форму параллелепипеда, которые соединены между собой гибкой стенкой 162, перпендикулярной к блокам. Цоколь 128 устройства 126 укладывают и крепят на одном из блоков 160, при этом второй блок крепят на станине 108.

Пластина 112 закреплена на средствах натяжения при помощи другой детали 164 I-образной формы, по существу идентичной первой детали 160. Один из блоков 166 этой детали 164 соединен с концом пластины 112 (противоположным образцу 110), а другой блок 166 соединен со средствами натяжения. Гибкие стенки 162, 168 I-образных деталей являются по существу компланарными.

Испытательный стенд 200 содержит средство возбуждения, такое как вибробарабан, которое опирается на I-образную деталь 164, соединенную с пластиной 112, например, на уровне соединенного с этой пластиной блока 166, и заставляет вибрировать пластину 112.

На фиг.9 схематично показаны испытательный стенд 200, а также первая вибрационная мода 170 стенда. Предпочтительно, как показано на этой фигуре, опорные поверхности образца 110 и элементов 136, установленных в устройстве 126, находятся на уровне вибрационного узла 172 этой первой моды, чтобы возбуждать пластину с большой амплитудой и максимизировать относительные движения (скольжения) между образцом и устройством, одновременно ограничивая перемещения узла, образованного образцом 110 и устройством 126.

Изобретение относится к стенду для испытаний на малоцикловую усталость и, возможно, на комбинированную малоцикловую и многоцикловую усталость для воспроизведения опоры деталей газотурбинного двигателя, такой как опора по меньшей мере одной ножки лопатки на опорную шейку ячейки диска ротора. Стенд (100) для испытаний на малоцикловую усталость и, возможно, на комбинированную малоцикловую и многоцикловую усталость для воспроизведения опоры деталей газотурбинного двигателя, содержащий опорное устройство (126), закрепленное на станине (108) и образующее по меньшей мере одну опорную поверхность (148), и образец (110), соединенный со средствами (104) натяжения для приведения образца в положение опоры на опорную поверхность или каждую опорную поверхность устройства, при этом опорная поверхность или каждая опорная поверхность (148) выполнена на элементе (136), установленном с возможностью вращения вокруг первой оси (В) на опорном устройстве, и образец соединен со средствами натяжения при помощи средств (114) шарнирного соединения вокруг второй оси (А), по существу перпендикулярной к первой оси, при этом стенд дополнительно содержит средства регулирования и блокировки элемента и образца в положениях вокруг вышеупомянутых осей. Технический результат: нахождение простого, эффективного и экономичного решения. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Стенд (100) для испытаний на малоцикловую усталость и на многоцикловую усталость для воспроизведения опоры деталей газотурбинного двигателя, такой как опора по меньшей мере одной ножки лопатки на опорную шейку ячейки диска ротора, причем этот испытательный стенд содержит опорное устройство (126), закрепленное на станине (108) и образующее по меньшей мере одну опорную поверхность (148), и образец (110), соединенный со средствами (104) натяжения для приведения образца в положение опоры на опорную поверхность или каждую опорную поверхность устройства, отличающийся тем, что опорная поверхность или каждая опорная поверхность (148) выполнена на элементе (136), установленном с возможностью вращения вокруг первой оси (В) на опорном устройстве, и тем, что образец соединен со средствами натяжения при помощи средств (114) шарнирного соединения вокруг второй оси (А), по существу перпендикулярной к первой оси, и тем, что дополнительно содержит средства регулирования и блокировки элемента и образца в положениях вокруг вышеупомянутых осей.

2. Испытательный стенд (100) по п. 1, отличающийся тем, что элемент (136) имеет по существу цилиндрическую наружную поверхность (144), взаимодействующую с по существу комплементарной поверхностью (140) опорного устройства (126) для направления вращения элемента вокруг первой оси (В).

3. Испытательный стенд (100) по п. 1, отличающийся тем, что средства блокировки элемента (136) и/или образца (110) являются винтовыми средствами.

4. Испытательный стенд (100) по п. 3, отличающийся тем, что средства блокировки элемента (136) содержат по меньшей мере один винт, который завинчивают в резьбовое отверстие (150) элемента и который проходит через щель (152) опорного устройства (126), при этом при затягивании винта головка винта опирается на опорное устройство для стопорения элемента, и щель имеет по существу удлиненную форму для обеспечения углового отклонения элемента вокруг первой оси (В), когда винт вводят в отверстие элемента, но не затягивают.

5. Испытательный стенд (100) по п. 1, отличающийся тем, что элемент (136) установлен на центральной части (138) устройства (126), которая соединена по меньшей мере одним первым плечом (132) с цоколем (128), закрепленным на станине (108), причем это первое плечо наклонено таким образом, что ориентировано по существу перпендикулярно к опорной поверхности (148), образованной элементом.

6. Испытательный стенд (100) по п. 5, отличающийся тем, что центральная часть (138) соединена по меньшей мере одним вторым плечом (134) с поперечным бруском (130), по существу параллельным цоколю (128), причем это второе плечо наклонено таким образом, что расположено по существу параллельно образованной элементом опорной поверхности (148).

7. Испытательный стенд (100) по п. 5, отличающийся тем, что опорное устройство (126) содержит два элемента (136), установленные с возможностью вращения соответственно на двух центральных частях (138) устройства и вокруг первых параллельных осей (В), находящихся на расстоянии друг от друга, причем эти элементы имеют опорные поверхности (148), предназначенные для воспроизведения участков двух смежных ножек лопаток рабочего колеса.

8. Испытательный стенд (100) по п. 7, отличающийся тем, что центральные части (138) устройства (126) соединены, каждая, с двумя параллельными поперечными брусками (130) через два вторых плеча (134) соответственно, при этом поперечные бруски, первые и вторые плечи (132, 134), центральные части и цоколь (128) устройства выполнены в виде единой детали, и образец (110) проходит между поперечными брусками в положении монтажа.

9. Испытательный стенд (200) по п. 1, отличающийся тем, что во время испытания на многоцикловую усталость опорное устройство (126) соединено со станиной (108) через деталь (158) I-образной формы с гибкой центральной частью и образец (110) соединен с концом вибрирующей пластины (112), другой конец которой соединен со средствами (104) натяжения через другую деталь (164) I-образной формы с гибкой центральной частью таким образом, чтобы образец и опорное устройство находились в положении опоры в зоне, находящейся на уровне вибрационного узла (172) первой вибрационной моды (170).