Способ испытания корпуса на непробиваемость и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к области испытаний деталей машин на прочность и исследований ударных воздействий на непробиваемость корпусов и может быть использовано для проведения прочностных и сертификационных испытаний корпусов вентиляторов, компрессоров, турбин газотурбинных двигателей и других турбомашин в машиностроении. Способ заключается в том, что ротор размещают внутри корпуса, осуществляют выход ротора на заданную частоту вращения, при которой происходит отрыв одной из лопаток. По следам удара лопатки о корпус оценивают его непробиваемость. Перед проведением испытания ослабляют заданное сечение одной из лопаток, усиливают его конструктивными элементами из термочувствительных материалов, дополнительно производят нагрев лопаток во время испытания. Устройство для испытания содержит последовательно соединенные ротор с лопатками, привод, систему управления частотой вращения, датчик частоты вращения. Одна из лопаток выполнена с ослабленным сечением и снабжена крепежными элементами из термочувствительных материалов, сопрягаемыми с поверхностью лопатки и расположенными в месте ослабленного сечения. Устройство дополнительно снабжено нагревателем, блоком управления нагревом, устройством ввода информации, датчиками температур, сигнализатором обрыва лопатки, системой управления частотой вращения. Технический результат - осуществление гарантированного обрыва одной лопатки по ее заданному сечению от вращающегося ротора на заданной частоте вращения. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области испытаний деталей машин на прочность и исследований ударных воздействий на непробиваемость корпусов и может быть использовано для проведения прочностных и сертификационных испытаний корпусов вентиляторов, компрессоров, турбин газотурбинных двигателей и других турбомашин в машиностроении.

Известен способ испытания корпуса на непробиваемость [1], который заключался в подрыве заряда у корня лопатки при вращении вентилятора с максимальной частотой. Существенным недостатком указанного способа является то, что в результате взрыва лопатка может разрушиться на отдельные осколки. Т.к. сила удара осколков о корпус значительно меньше, чем целой лопатки, то оценка корпуса на непробиваемость в этом случае не является объективной. Кроме того, в другом случае по указанному способу имитация обрыва лопатки не является точной, т. к. лопатка отрывается не только под воздействием центробежных сил, соответствующим условиям эксплуатации, но и под воздействием дополнительных сил от взрыва. Вследствие этого, траектория полета лопатки становится непредсказуемой и оценка корпуса на непробиваемость также может быть не объективной. Более того, указанный способ не позволяет производить обрыв лопатки по любому сечению пера лопатки, кроме корневого.

Наиболее близким по технической сущности является способ испытания корпуса на непробиваемость [2] , при котором на заданной частоте вращения для имитации обрыва лопатку вентилятора отрезали с помощью электродов.

Недостатками указанного способа являются обрыв лопатки на некотором расстоянии от корневого сечения и низкая точность надреза с учетом специфики и сложности обеспечения устойчивого зажигания электрической дуги. В результате лопатка отрывается с неполной массой и точность оценки корпуса на непробиваемость снижается.

Известно устройство [2] для испытания корпуса на непробиваемость, содержащее последовательно соединенные привод, ротор с лопатками, систему управления частотой вращения, электроды.

Недостатками устройства являются расходование материала электродов в процессе испытаний и, вследствие этого, изменение расстояния между электродом и поверхностью лопатки, что дополнительно влияет на устойчивость зажигания электрической дуги.

Кроме того, с использованием указанного устройства может произойти обрыв нескольких лопаток, т.е. более одной.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением при проведении испытаний корпуса на непробиваемость, состоит в осуществлении гарантированного обрыва одной лопатки по ее заданному сечению от вращающегося ротора на заданной частоте вращения.

Указанная техническая задача решается тем, что в известном способе испытания корпуса на непробиваемость, при котором ротор размещают внутри корпуса, осуществляют выход ротора на заданную частоту вращения, при которой происходит отрыв одной из лопаток, и по следам удара лопатки о корпус оценивают его непробиваемость, согласно изобретению, перед проведением испытания ослабляют заданное сечение одной из лопаток, усиливают его конструктивными элементами из термочувствительных материалов, дополнительно производят нагрев лопаток во время испытания.

Указанный технический результат достигается также и за счет того, что в известном устройстве для испытания корпуса на непробиваемость, содержащем последовательно соединенные ротор с лопатками, привод, систему управления частотой вращения, датчик частоты вращения, согласно изобретению, одна из лопаток выполнена с ослабленным сечением и снабжена крепежными элементами из термочувствительных материалов, сопрягаемыми с поверхностью лопатки и расположенными в месте ослабленного сечения, а устройство дополнительно снабжено последовательно соединенными нагревателем и блоком управления нагревом, последовательно соединенными устройством ввода информации и датчиками температур, сигнализатором обрыва лопатки, причем ко входам блока управления нагревом подключены устройство ввода информации и система управления частотой вращения, к которой подсоединены сигнализатор обрыва лопатки и устройство ввода информации, вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения.

Кроме того, выбирают термочувствительные материалы с коэффициентами линейного расширения, которые должны быть значительно выше коэффициента линейного расширения материала лопатки, а при нагреве термочувствительные материалы удлиняются и дополнительно нагружают заданное сечение лопатки.

На фиг. 1 показано устройство для испытания корпуса на непробиваемость. На фиг. 2 приведено изображение лопатки со штифтами и накладками.

Устройство (фиг. 1) содержит: ротор 1, снабженный лопатками 2, подсоединенный к приводу 3, ко входу которого подключен выход системы управления частотой вращения 4, другой выход которой соединен с первым входом блока управления нагревом 5, выход которого соединен с нагревателем 6. К одному из входов системы управления частотой вращения 4 подключен сигнализатор обрыва лопатки 7, а к другому входу - первый выход устройства ввода информации 8, к которому подключены выходы датчиков температуры 9 и датчика частоты вращения 10, а второй выход устройства ввода информации 8 соединен со вторым входом блока управления нагрева 5.

На фиг. 2 представлена лопатка 2, корневая ее часть ослаблена в сечении (показано пунктиром место надреза), крепежные элементы: штифты 11 и накладки 12 (с двух сторон) усиливают ослабленное сечение.

Способ осуществляют следующим образом: лопатку 2 подрезают, в центральной части заданного ее сечения делают отверстия, таким образом, чтобы ослабить ее указанное сечение с получением коэффициента запаса прочности, близкого к единице. На поверхностях отверстий наносят концентраторы напряжений (в виде малых трещин). Далее штифты 11 из термочувствительных материалов устанавливают в отверстия. Кроме того, ослабленные участки можно усилить элементами из термочувствительных материалов с помощью образования неразьемного паяного, сварного или клеевого соединения. Кроме того, накладки 12 (с отверстиями под штифты) также из термочувствительных материалов устанавливают на поверхностях лопатки и закрепляют с помощью расклепывания штифтов. При этом коэффициент запаса прочности составляет значение K = 1 + K, где K - минимальная гарантированная величина. Термочувствительные материалы накладок 12, штифтов 11 и элементов (в прорезях) имеют коэффициенты линейного расширения значительно выше, чем у основного материала лопатки. Однако, пределы прочности накладок 12 и элементов уменьшаются быстрее с ростом температуры, чем у основного материала. Предел прочности материала штифтов 11 должен быть не меньше, чем у основного материала. Подготовленную лопатку 2 устанавливают на ротор 1. В заданном сечении лопатки 2 и на ободе ротора 1 устанавливают датчики температур 9. Ротор 1 подсоединяют к приводу 2. Устанавливают исследуемый корпус с обеспечением эксплуатационного зазора между ротором 1 и корпусом. На внутренней части корпуса устанавливают сигнализатор обрыва лопатки 7.

Перед испытанием в устройство ввода информации 8 вводят значения заданных допустимых температур обода ротора 1 и опасного сечения подготовленной лопатки 2, заданную частоту вращения, режим быстрого выхода на эту частоту вращения и заданную мощность нагрева.

Устройство работает по предлагаемому способу следующим образом.

Ротор 1 с одной из лопаток 2, имеющей штифты 11 и накладки 12, разгоняют с помощью привода 3 и системы управления частотой вращения 4 по режиму быстрого выхода на заданную частоту вращения. Далее система управления частотой вращения 4 обеспечивает поддержание заданной частоты вращения и передает сигнал в блок управления нагревом 5 на включение нагревателя 6. Нагреватель 6, установленный в области ослабленного сечения, включают. Заданное сечение лопатки 2, штифты 11 и накладки 12 нагревают. Сигналы от датчиков температур 9 поступают через устройство ввода информации 8 в блок управления нагревом 5. Блок управления нагревом 5 устанавливает и поддерживает заданную мощность нагрева в нагревателе 6. С ростом температуры материал штифтов 11, имеющий более высокий коэффициент линейного термического расширения, начинает удлиняться и распирать лопатку 2 по ее опасному сечению, дополнительно снижая ее прочность, кроме того термочувствительный материал усиливающих накладок 12 увеличивается в размерах и прекращает поддержку ослабленного сечения. При этом, накладки 12 быстрее теряют прочность с нагревом по сравнению с основным материалом лопатки 2. Необходимо также учесть, что с повышением температуры у основного материала лопатки 2 также снижается предел прочности в зоне ее ослабленного сечения. В концентраторах напряжений, расположенных в отверстиях (в области штифтов 11), рост трещин приведет к образованию между отверстиями сквозных трещин, которые также дополнительно ослабляют заданное сечение лопатки 2 до запаса прочности К << 1.

С учетом указанных факторов лопатка 2 обрывается по заданному сечению и под воздействием центробежных сил ударяется в корпус. Сигнализатор обрыва лопатки 7 срабатывает и передает сигнал в систему управления частотой вращения 4. Указанная система обеспечивает управляемое быстрое снижение частоты вращения ротора 1 и его останов. Результаты испытаний оценивают комплексно по непробиваемости корпуса, его прочности и исследованиям его общего состояния.

При проведении указанных испытаний элементы предлагаемого устройства могут иметь различное исполнение. В качестве привода может использоваться электропривод, воздушная турбина, газотурбинный двигатель и т.д. В качестве нагревателя - индукторы, лучевые и другие типы нагревателей.

Решение технической задачи осуществляют с помощью предлагаемого изобретения в стендовых условиях.

Для обеспечения нагрева могут быть использованы индукторы, которые размещают в ободной части ротора с разных его сторон. При вращении ротора происходит нагрев его обода и лопаток за счет индукционного нагрева и, частично, за счет трения обода ротора о воздух. Причем, кроме напряжений от воздействия центробежных сил, в заданном сечении подготовленной лопатки, а также в штифтах и накладках, дополнительно наблюдались термонапряжения в результате неравномерного распределения температур по ее сечению. Штифты создавали также дополнительные термические нагрузки в отверстиях лопатки. Свой вклад в ослабление заданного сечения лопатки вносили также накладки, концентраторы напряжений (малые трещины) и элементы из термочувствительных материалов при повышении температуры. Управление напряженным состоянием лопатки с помощью предлагаемого изобретения, с учетом указанных факторов и разбросом механических свойств основного материала лопатки обеспечивает управляемый гарантированный обрыв лопатки по ее заданному сечению.

Например, в проведении указанных испытаний для подготовленной лопатки из титана коэффициент запаса прочности составил К = 1,2-1,3 при нормальной температуре. Указанный коэффициент запаса для лопаток из керамического материала будет близким к единице и для подготовки таких лопаток к испытаниям достаточно штифтов.

Сигнализатор обрыва лопатки может быть выполнен в виде монтажного провода, расположенного по внутренней поверхности исследуемого корпуса. Для измерения температур обода ротора и заданного сечения лопатки использованы термопары.

Способ и устройство предлагаемого изобретения могут применяться на предприятиях машиностроительной промышленности при прочностных и сертификационных испытаниях корпусов вентиляторов, компрессоров, турбин газотурбинных двигателей и других турбомашин и их деталей.

Источники информации 1. BR715 clears last certification hurdle before 717 flight// Flight, 1998. 15-21/VII, v. 154, N 4634, p. 12.

2. В. Г. Баженов, Ю.И. Тростенюк, В.К. Захаров. Универсальный разгонный стенд для повторно-статических испытаний крупногабаритных элементов роторов // Проблемы прочности. N 9, 1988, стр. 114-116.

Формула изобретения

1. Способ испытания корпуса на непробиваемость, при котором ротор размещают внутри корпуса, осуществляют выход ротора на заданную частоту вращения, при которой происходит отрыв одной из лопаток, и по следам удара лопатки о корпус оценивают его непробиваемость, отличающийся тем, что перед проведением испытания ослабляют заданное сечение одной из лопаток, усиливают его конструктивными элементами из термочувствительных материалов, дополнительно производят нагрев лопаток во время испытания.

2. Устройство для испытания корпуса на непробиваемость, содержащее последовательно соединенные ротор с лопатками, привод, систему управления частотой вращения, датчик частоты вращения, отличающееся тем, что одна из лопаток выполнена с ослабленным сечением и снабжена крепежными элементами из термочувствительных материалов, сопрягаемыми с поверхностью лопатки и расположенными в месте ослабленного сечения, а устройство дополнительно снабжено последовательно соединенными нагревателем и блоком управления нагревом, последовательно соединенными устройством ввода информации и датчиками температур, сигнализатором обрыва лопатки, причем ко входам блока управления нагревом подключены устройство ввода информации и система управления частотой вращения, к которой подсоединены сигнализатор обрыва лопатки и устройство ввода информации, вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выбирают термочувствительные материалы с коэффициентами линейного расширения, которые должны быть значительно выше коэффициента линейного расширения материала лопатки.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что крепежные элементы выполнены в виде штифтов и накладок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2