МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАМКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ КЕРАМИЧЕСКИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области испытательной техники, а именно, к моделям для исследования замковых соединений керамических лопаток газотурбинных двигателей.
В ряде случаев возникает необходимость получения экспериментальных данных по разрушению замковых соединений диска и рабочих лопаток газовых турбин с целью совершенствования норм прочности. Создание полноразмерных рабочих колес - дорогой и трудоемкий процесс, так как в современных газотурбинных двигателях могут быть сотни лопаток. Поэтому необходимо создавать реальные модели, которые позволяют упростить испытания и снизить трудоемкость их изготовления. Широкие возможности для изучения напряженно - деформированного состояния представляют испытания реальных моделей, вырезанных из диска, при различных степенях моделирования эксплуатационной нагруженности.
Известна модель для исследования отдельного выступа диска турбомашины, представляющая собой элемент замкового соединения типа «ласточкин хвост» в конструкции сопряжения лопаток с диском в турбине или компрессоре (авторское свидетельство СССР №507797, кл. G01M 13/00, 1976 г.). Модель позволяет проводить исследования несущей способности отдельного выступа диска с имитацией растягивающей нагрузки, действующей от центробежных сил инерции, а также с имитацией крутящего момента, возникающего в случае наличия угла установки лопаток в захватах испытательной машины. Однако при таком виде нагружения невозможно учесть действие окружных напряжений, возникающих в неразрезной части диска в реальных условиях работы двигателя.
Известна модель для определения параметров напряженно-деформированного состояния ротора, выполненная в виде основного и покрывного дисков и расположенных на них в необходимой для исследования последовательности лопаток (патент РФ №123951, кл. G01M 13/00, 2013 г.). При этом модель выполняется с соблюдением геометрического подобия по отношению к реальной конструкции ротора, лопатки выполнены в виде единого целого с основным и покрывным дисками, последние жестко связаны между собой. Нагружение осуществляется аналогично реальной конструкции центробежными силами путем вращения модели. Модель позволяет получить информацию о напряженно-деформированном состоянии материала в галтелях между лопатками и дисками в условиях, соответствующих реальным условиям работы соединений диска и лопаток.
Данное техническое решение не позволяет проводить испытания замковых соединений лопаток. Кроме того, необходимость соблюдения геометрического подобия по отношению к реальной конструкции при изготовления лопаток-имитаторов усложняет конструкцию модели и повышает трудоемкость ее изготовления, особенно при использовании дорогостоящих керамических материалов.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемой полезной модели является модель для исследования замковых соединений лопаток, содержащая дисковую часть с размещенными по ее окружности лопатками (авторское свидетельство СССР №1741008, кл. G01N 3/08,1992 г). Для исследования используется элемент обода диска, в двух соседних пазах которого размещают имитаторы лопаток. При этом ширина хвостовой части последних превышает длину межпазового выступа, а каждый имитатор располагают так, чтобы выступающие с обеих сторон обода его части были равны одна другой. При испытании известного образца реализуется схема нагружения, при которой к хвостовым частям каждого имитатора прикладывают осевое усилие, равное центробежной силе лопатки и межпазового выступа, имитируя окружную составляющую силы газового потока путем приложения нагрузки к элементу обода диска под углом к оси межпазового выступа. Известная модель позволяет учесть действие окружных напряжений, возникающих за счет изгиба неразрезной части диска. При этом дополнительно к перу каждой лопатки-имитатора может быть приложена вибрационная нагрузка.
Недостатком известного технического решения является низкая точность результатов испытаний, обусловленная методом воспроизведения нагрузок, так как вращение рабочего колеса в реальных условиях работы в процессе исследования заменяется имитацией при поступательном движении захватов нагружающего устройства.
В основу предлагаемого технического решения поставлена задача приближения исследований к реальным условиям работы двигателя.
Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, заключается в точности воспроизведения напряженно-деформированного состояния в замковой части образца в процессе испытания.
Технический результат достигается за счет того, что модель для исследования замковых соединений керамических лопаток газотурбинного двигателя, включает дисковую часть с размещенными по ее окружности лопатками. Согласно предложенному техническому решению, дисковая часть выполнена с соблюдением геометрического подобия по отношению к реальной конструкции, диаметр диска определяется соотношением:
,
1
где ω - угловая скорость вращения реальной конструкции, рад/с;
2
ω - угловая скорость вращения модели, рад/с;
Д1
R - радиус диска реальной конструкции, м;
Д2
R - радиус диска модели, м,
в образце использованы лопатки реальной конструкции, которые размещены равномерно по окружности, попарно и диаметрально противоположно, а их число в образце выбирается исходя из условия:
где n - число лопаток в реальной конструкции.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной задачи с достижением заявленного технического результата. Выполнение дисковой части с соблюдением геометрического подобия по отношению к реальной конструкции, определение диаметра диска из соотношения:
,
1
где ω - угловая скорость вращения реальной конструкции, рад/с;
2
ω - угловая скорость вращения модели, рад/с;
Д1
R - радиус диска реальной конструкции, м;
Д2
R - радиус диска модели, м,
и использование в образце лопаток реальной конструкции, которые размещены равномерно по окружности, попарно и диаметрально противоположно, и выбор их числа в модели исходя из условия:
,
где n - число лопаток в реальной конструкции, позволяет обеспечить точность воспроизведения напряженно-деформированного состояния замковых соединений керамических лопаток в соответствии с реальными условиями работы двигателя.
Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фигурах, где:
на фиг. 1 изображен схема установки лопатки на диске, силовые и геометрические характеристики лопатки;
на фиг. 2 изображена предложенная модель для исследования;
на фиг. 3 изображена реальная конструкция;
на фиг. 4 изображена зависимость угловой скорости от радиуса диска в предложенной модели.
Модель для исследования замковых соединений керамических лопаток ГТД включает диск 1 и равномерно установленные по его окружности лопатки 2, замковые части 3 которых размещены в соответствующих пазах диска 1. Лопатки 2 установлены попарно и диаметрально противоположно, причем представляют собой лопатки реальной конструкции. Диск 1 выполнен с соблюдением геометрического подобия по отношению к реальной конструкции, а его диаметр определяется из условия обеспечения напряженно-деформированного состояния в области контакта с замковой частью в предлагаемой модели, аналогичного напряженно-деформированному состоянию в реальной конструкции. Напряжения смятия на боковой поверхности замковой части 3 складываются из напряжений смятия от действия растягивающей силы  и от изгибающего момента от действия аэродинамической нагрузки на перо лопатки и первоначальных выносов :
Л
где F - центробежная сила от всей лопатки, ньютон;
b и c - длина и ширина полоски контакта, м;
z - число контактных площадок (z=2 в замке типа ласточкин хвост);
Л
3
ρ - плотность лопатки, кг/м;
Л
3
V - объем лопатки, м;
ω - угловая скорость, рад/с;
Ц.Т.Л
R - центр тяжести лопатки, м;
Д
R - радиус диска, м;
1
Δ - разница между центром тяжести лопатки и радиусом диска, м (рис. 1).
П
где F - центробежная сила от пера лопатки, ньютон;
b и c - соответственно длина и ширина полосы контакта, м;
Л
3
n - число контактных площадок (z=2 в замке типа «ласточкин хвост»); ρ - плотность лопатки, кг/м;
Л
3
V - объем пера лопатки, м;
ω - угловая скорость, рад/с;
Ц.Т.П
R - центр тяжести пера лопатки, м;
Д
R - радиус диска, м;
2
Δ - разница между центром тяжести пера лопатки и радиусом диска, м (рис. 1).
Для того, чтобы предлагаемая модель была идентична реальному замковому соединению, необходимо, чтобы выполнялось условие:
Д1
Д2
Для реальной конструкции с R и предлагаемой модели с R из (4), с учетом (2) и (3), получаем соотношение для определения необходимой частоты вращения предлагаемой модели:
1
где ω - угловая скорость в реальной конструкции, рад/с;
2
ω - угловая скорость в предлагаемой модели, рад/с;
Д1
R - радиус диска в реальной конструкции, м;
Д2
R - радиус диска в предлагаемой модели, м.
Число лопаток 2 выбирается исходя из условия:
где n - число лопаток в реальной конструкции.
Геометрические характеристики предлагаемой модели определяются следующим образом. Реальная конструкция выполнена в виде рабочего колеса 1 с равномерно размещенными по его окружности керамическими лопатками 2 в количестве 30 штук. Радиус дисковой части реальной конструкции равен 150 мм (рис. 3). Используя соотношение (5) строится график зависимости угловой скорости испытаний от радиуса диска в предлагаемой модели. Например, испытания предлагаемой модели проводятся при угловой скорости 2425 рад/с. В этом случае в предлагаемой модели необходимо реализовать радиус дисковой части приблизительно равным 50 мм. После этого определяется число лопаток:
Принимаем (фиг.2).
Проведенные экспериментальные исследования показали, что наиболее рациональным является выбор числа лопаток в предлагаемой модели от 2 до 8 штук.
Таким образом, изготовление дисковой части исходя из условия геометрического подобия по отношению к реальной конструкции, использование в предлагаемой модели минимального количества реальных лопаток, позволяет создать напряженно-деформированное состояние в материале образца, соответствующее реальным условиям работы двигателя.
Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет снизить трудоемкость экспериментальных исследований и сократить расход материала при изготовлении модели.