СПОСОБ ПРИНУДИТЕЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ ВАЛА РОТОРА ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2024 года по МПК G01M15/14 F01D21/00 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам рассоединения валов при проверке эффективности системы защиты от раскрутки ротора турбины в случае аварийного разрушения вала ротора турбины.

Проверка и подтверждение основных конструктивных и технических решений, проверка надежности работоспособности систем и узлов, определение высотно-скоростных, эксплуатационных и прочностных характеристик проводятся на специально изготовленном двигателе-демонстраторе. По результатам испытаний двигателя, при необходимости, проводится корректировка отдельных параметров его узлов и деталей путем введения изменений в конструкцию, после чего испытания повторяются.

При аварийном разрушении вала, соединяющего компрессор низкого давления с турбиной низкого давления в двухконтурном турбореактивном двигателе, совершаемая турбиной низкого давления работа и, соответственно, развиваемая турбиной низкого давления мощность не может более передаваться на компрессор низкого давления, из-за чего произойдет увеличение частоты вращения ротора турбины низкого давления. При этом частота вращения ротора турбины может достигнуть значения, предельного для прочности одного из его дисков, вследствие чего этот диск разрушится. Разлет обладающих высокой энергией частей разрушившегося диска, как правило, приводит к нелокализованному повреждению двигателя, что недопустимо. Поэтому, исходя из требований безопасности, конструкция двигателя должна исключать возможность разрушения дисков турбины в случае разрушения вала ее ротора, для чего после разрушения вала должно быть обеспечено первоначальное разрушение рабочих лопаток этой турбины и максимально быстрое прекращение подачи топлива в камеру сгорания. Это предотвратит разрушение диска, так как первоначальное разрушение рабочих лопаток приведет к ограничению возможности передачи энергии газа на вращение ротора, а, следовательно, и к ограничению возможности дальнейшего увеличения его частоты вращения (раскрутки), что также обеспечит и возможность своевременного отключения двигателя.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ для принудительного разрушения вала ротора турбины низкого давления, позволяющее смоделировать в процессе работы двигателя внештатную аварийную ситуацию.

Во время проведения испытаний двигателя, связанных с проверкой работоспособности системы защиты от раскрутки ротора турбины низкого давления, имитируют разрушение вала этого ротора. Наиболее вероятным местом разрушения вала ротора турбины низкого давления является зона, расположенная за шлицевым соединением данного вала с валом компрессора низкого давления.

Известен способ для режуще - деформирующей обработки вала (патент на изобретение №12693889, дата подачи 14.03.1985 г., опубликовано 20.12.1995 г., МПК В24В 39/04) содержащий режущие и деформирующие элементы.

Недостатком данного устройства является то, что его невозможно использовать в конструкции газотурбинного двигателя для разрушения (рассоединения) валов ротора при проведении испытаний по причине отсутствия возможности обеспечения необходимой жесткости узлов крепления резцов и узлов их подачи к валу, а также по причине больших габаритов устройства.

Известен способ отсоединения вентилятора (патент на изобретение №2681392, F01D 21/04 дата подачи заявки 17.06.2015 г, опубликовано 25.07.2018 бюл. №21), содержащее устройство, которое включает в себя конструктивный элемент, типа «слабое звено», который разрушается в случае превышения предельной величины передаваемого через него момента вращения.

Недостатком известного устройства является то, что разъединение представляет собой событие, предусмотренное в качестве реакции на превышение определенного момента сопротивления, действующего со стороны редукторного устройства на вал турбины. Это означает наличие высокой степени неопределенности в отношении режима работы турбины, на котором произойдет срабатывание устройства при испытании, что обусловлено сложностью точного обеспечения конкретных прочностных свойств «слабого звена» устройства.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании способа принудительного разрушения вала ротора при проведении испытаний газотурбинного двигателя, позволяющего устранить неопределенность в отношении режима работы турбины (двигателя), и момента времени, при которых требуется обеспечить разрушение вала.

Технический результат достигается тем, что способ принудительного разрушения вала ротора при испытаниях газотурбинного двигателя, содержит устройство принудительного разрушения вала.

Новым в изобретении является то, что на элемент принудительного воздействия на вал устройства принудительного разрушения вала, устанавливают износостойкий элемент, контактирующий с поверхностью вала в момент работы двигателя на требуемом для эксперимента режиме, при этом разрушение вала осуществляют его локальным нагревом, приводящим к снижению прочностных свойств материала вала в месте трения износостойкого элемента устройства принудительного разрушения вала с поверхностью вала.

Для уменьшения времени, необходимого для нагрева вала предлагаемым способом до температуры его разрушения, перед проведением испытаний проводят ослабление вала до минимально приемлемых запасов прочности путем его механической доработки в планируемом месте разрушения.

Предложенный способ поясняется изображением устройства принудительного разрушения вала ротора при испытаниях газотурбинного двигателя.

Позициями на фигуре 1 обозначены:

1 - устройство принудительного разрушения вала;

2 - вал ротора;

3 - элемент принудительного воздействия;

4 - износостойкий элемент.

Способ принудительного разрушения вала ротора при испытаниях газотурбинного двигателя работает следующим образом.

При сборке двигателя для проведения испытания устройство 1 принудительного разрушения вала 2 ротора монтируют внутри промежуточного корпуса двигателя.

Во время нормальной работы двигателя элемент принудительного воздействия 3 устройства 1 принудительного разрушения вала 2 на вал максимально смещен в направлении от оси двигателя, при этом износостойкий элемент 4 не касается поверхности вала 2 ротора турбины низкого давления.

Во время работы двигателя на требуемом для эксперимента режиме элемент 3 принудительного воздействия на вал 2 с усилием прижимается износостойким элементом 4 к стенке вала 2 ротора турбины низкого давления.

В зоне трения износостойкого элемента 4 и поверхности вала 2 происходит повышение температуры, под действием которой происходит снижение прочностных свойств вала 2, вследствие чего вал 2 разрушается. Разрушение вала 2 происходит при достижении в зоне трения температуры выше предельного значения конструктивной прочности при заданных нагрузках.

Перед проведением испытаний для ослабления вала возможно осуществить механическую доработку планируемого места разрушения. Механической доработкой уменьшают сечение вала в планируемом месте разрушения. Это выполнено для уменьшения времени, необходимого для нагрева вала предлагаемым способом до температуры его разрушения.

При этом предел прочности материала от температуры определяют по формуле:

где

- предел прочности материала от температуры;

М_кр - крутящий момент;

W_кp - момент сопротивления кручению.

Пример реализации способа.

Были проведены испытания вала из материала ВКС-180 с внутренним диаметром d_вн=69,5 мм, и наружным диаметром d_нap=81 мм,

турбины низкого давления при условиях соответствующих взлетному режиму. Рабочая температура материала вала при работе двигателя составила 150°С, температура вала в зоне трения при проведении испытаний составила 500°С.

При этом предел прочности материала ВКС-180 при достижении температуры выше 350° С резко снижается.

Система от раскрутки вала сработала через 2 минуты после прижатия износостойкого элемента к стенке вала ротора турбины низкого давления.

Таким образом, предлагаемый способ принудительного разрушения вала ротора при проведении испытаний газотурбинного двигателя позволяет осуществить принудительное разрушение вала ротора при проведении испытаний газотурбинного двигателя, позволяющее устранить неопределенность в отношении момента разрушения вала.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам рассоединения валов при проверке эффективности системы защиты от раскрутки ротора турбины в случае аварийного разрушения вала ротора турбины. Новым в изобретении является то, что на элемент принудительного воздействия на вал устройства принудительного разрушения вала, устанавливают износостойкий элемент, контактирующий с поверхностью вала в момент работы двигателя на требуемом для эксперимента режиме, при этом разрушение вала осуществляют его локальным нагревом, приводящим к снижению прочностных свойств материала вала в месте трения износостойкого элемента устройства принудительного разрушения вала с поверхностью вала. Для уменьшения времени, необходимого для нагрева вала предлагаемым способом до температуры его разрушения, перед проведением испытаний проводят ослабление вала до минимально приемлемых запасов прочности путем его механической доработки в планируемом месте разрушения. Позволяет устранить неопределенность в отношении режима работы турбины (двигателя), и момента времени, при которых требуется обеспечить разрушение вала. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ принудительного разрушения вала ротора при испытаниях газотурбинного двигателя, содержащий устройство принудительного разрушения вала, отличающийся тем, что на элемент принудительного воздействия на вал устройства принудительного разрушения вала устанавливают износостойкий элемент, контактирующий с поверхностью вала в момент работы двигателя на требуемом для эксперимента режиме, при этом разрушение вала осуществляют его локальным нагревом, приводящим к снижению прочностных свойств материала вала в месте трения износостойкого элемента устройства принудительного разрушения вала с поверхностью вала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед проведением испытаний производят ослабление вала путем его механической доработки в планируемом месте разрушения.