УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПОКРЫТИЯ ОСНОВАНИЯ ЛОПАТКИ
BLADE COATING TEST SETUP

Настоящее изобретение относится к области антифрикционных покрытий, наносящихся на хвостовики лопаток ротационных машин, и контроля его качества. Более точно, изобретение относится к устройству для испытания покрытия, предназначенного для нанесения на хвостовик лопатки ротора турбомашины. Это может быть наземная или воздухоплавательная турбомашина, а именно, турбореактор самолета или турбовинтовой двигатель.
Лопатки, и, в частности, лопатки вентилятора в воздухоплавательных турбомашинах, являются чрезвычайно нагруженными механическими деталями. По этой причине, хвостовик лопатки, который представляет собой удерживающую часть лопатки, является особенно ответственной частью детали. Хвостовик лопатки содержит поверхности контакта с диском ротора, или опорные поверхности, которые при работе подвергаются давлениям и высоким температурам. Для того чтобы снизить напряжения, а именно касательные напряжения, которые прикладываются к опорным поверхностям хвостовиков лопаток, используются известным образом антифрикционные покрытия. Эти так называемые антифреттинговые покрытия могут быть нанесены именно посредством теплового проецирования. Они могут быть многослойными.
Так как отказы на опорных поверхностях хвостовика лопатки, например, вследствие появления трещин, являются одним из главных типов отказа в лопатках, качество антифрикционного покрытия является важным. Для того чтобы обеспечить качество этого покрытия, и устойчивость покрытия на его соединение с самой лопаткой, известным образом выполняются микрографические испытания, которые заключаются в рассечении покрытия и хвостовика лопатки и проверке внешнего вида этого сечения под микроскопом. Также является известным испытывать качество покрытия с помощью стандартных испытаний на твердость, испытаний на растяжение или сцепление при усилии сдвига, или выполнять измерения толщины.
Однако, очевидно, что различные испытания оказываются недостаточными для отличия покрытий высокого качества от покрытий едва приемлемого качества, и для составления точного заключения о долговечности и механическом аспекте при использовании покрытия, нанесенного на хвостовик лопатки.
Если цикл для лопатки (или хвостовика лопатки) заключается в том, чтобы определить множество напряжений, которым подвергается последняя во время рабочей фазы (в полете, для турбореактора, установленного на самолете), т.е. от начала до конца, тогда предшествующее утверждение означает, что данные испытания не позволяют установить разницу в качестве между различными покрытиями, так как они выдерживают некоторое количество циклов удовлетворительным образом.
Целью изобретения является создание устройства для испытания покрытия, предназначенного для нанесения на хвостовик лопатки ротора турбомашины, обеспечивающее возможность выполнять более дифференцирующее испытание по сравнению с выполняемыми ранее испытаниями касательно качества испытуемых покрытий, и результаты которого являются высоко коррелированными с действительными оценками устойчивости во времени покрытий хвостовика лопатки, как полученные в продолжение срока службы лопатки, т.е. обычно от 10000 до 150000 циклов.
Эта цель достигается за счет того, что устройство содержит две половины испытательного образца, каждая из которых имеет опорную поверхность, на которую нанесено указанное покрытие, один противодействующий испытательный образец, имеющий две опорные поверхности, и машину, содержащую первую удерживающую систему для удерживания противодействующего испытательного образца вдоль оси растяжения, вторую удерживающую систему для удерживания половин испытательного образца вокруг противодействующего испытательного образца, и растягивающее средство для подвергания удерживающих систем заданным циклам растяжения вдоль оси растяжения, во время которых деформация растяжения передается от одной удерживающей системы на другую посредством соответствующих опорных поверхностей, контактирующих друг с другом, противодействующего испытательного образца и половин испытательного образца, а также за счет того, что вторая удерживающая система содержит упругие средства возврата, обеспечивающие возможность расхождения двух половин испытательного образца в направлении, перпендикулярном направлению растяжения, в ответ на усилие расхождения, приложенное к этим двум половинам испытательного образца посредством противодействующего испытательного образца во время цикла растяжения.
Методика испытания, определенная таким образом, по существу, отличается от предшествующих известных испытаний. В действительности, она заключается в подвергании покрытых испытательных образцов испытаниям на усталость, представляющим собой напряжения, которые хвостовики лопаток будут испытывать во время срока службы лопатки. Предпочтительно, устройство не требует использования настоящих лопаток, а просто использования половин испытательных образцов, каждая имеющая опорную поверхность, на которую нанесено покрытие, подлежащее испытанию. Следует отметить, что более того вполне возможно для каждой половины испытательного образца иметь не только одну, а несколько опорных поверхностей, при этом противодействующий испытательный образец, в таком случае, содержит одну опорную поверхность, соответствующую каждой из этих опорных поверхностей двух половин испытательного образца.
Первая и вторая удерживающие системы соответственно удерживают половины испытательного образца и противодействующий испытательный образец, обращенными друг к другу, таким образом, чтобы совместить их опорные поверхности. Затем удерживающие системы подвергаются растягивающим перемещениям относительно друг друга с помощью известных средств, для того, чтобы подвергать опорные поверхности, а именно, опорные поверхности половин испытательного образца, напряжениям, представляющим собой напряжения, испытывающиеся хвостовиком лопатки при работе.
Такие напряжения, воспроизводятся циклами растяжения, во время которых противодействующий испытательный образец испытывает деформации в направлении растяжения. Такие деформации изменяются как функция времени в соответствии с заданным циклом, так называемым циклом растяжения. Предпочтительно, для каждого цикла растяжения, растяжение увеличивается от первоначального нуля, или, по меньшей мере, низкого значения (относительно максимального значения), до максимального значения, затем возвращаясь в первоначальное значение. Первоначальное значение и максимальное значение, независимо одно и/или другое, могут сохраняться в течение некоторого времени. Конечно, могут рассматриваться другие зависимости для цикла растяжения, в зависимости от того, каким образом воспроизводятся разные рабочие фазы турбомашины. Параметр скорости увеличения, т.е. увеличение растягивающего усилия за единицу времени, также может использоваться в качестве переменной, способной к оптимизации.
Известным образом, прикрепление лопатки к диску ротора выполняется, в общем смысле, посредством соединения в паз и гребень, образуя крепление. Это крепление состоит из гребня, выполненного на одном радиально внутреннем конце лопатки, хвостовике лопатки, который закрепляется в пазе, выполненном на периферии диска ротора. Хвостовики лопаток с одной стороны, гребни или выпуклости диска ротора, образованные между пазами диска ротора, с другой стороны, таким образом, представляют собой соответствующие взаимодействующие формы ласточкин хвост, и расположены радиально в противоположном направлении для того, чтобы обеспечить взаимное прикрепление между лопатками и диском ротора.
В лопастном колесе лопатки равномерно закреплены на внешней периферии диска ротора, который, таким образом, содержит столько элементов крепления и гребней типа ласточкин хвост, сколько подлежащих прикреплению лопаток.
Таким образом, крепления лопаток к диску ротора образуют форму, повторяющуюся в окружном направлении и содержащую гребень типа ласточкин хвост диска ротора с двумя половинами хвостовика лопатки, охватывающими его в лопастном колесе. Это представляет собой форму, воспроизводящуюся противодействующим испытательным образцом, охваченным двумя половинами испытательного образца.
Как уже упоминалось, в испытательной машине, встроенной в устройство, вторая удерживающая система содержит упругие средства возврата, обеспечивающие возможность расхождения двух половин испытательного образца в направлении, перпендикулярном направлению растяжения, в ответ на усилие расхождения, приложенное к этим двум половинам испытательного образца от противодействующего испытательного образца во время цикла растяжения. В действительности, во время цикла растяжения, именно если опорные поверхности половин испытательного образца и/или противодействующего испытательного образца являются наклонными, противодействующий испытательный образец будет опираться на половины испытательного образца, и может иметь склонность к расхождению половин испытательного образца в поперечном направлении, перпендикулярном направлению растяжения. Для исключения этого, вторая удерживающая система, предпочтительно, содержит вышеупомянутые упругие средства возврата, обеспечивающие возможность удерживания относительных положений противодействующего испытательного образца и половин испытательного образца, которые представляют собой фактические положения хвостовика лопатки и гребня диска ротора в турбомашине.
В соответствии с одним вариантом осуществления, опорные поверхности половин испытательного образца являются наклонными относительно оси растяжения таким образом, чтобы иметь форму опорных поверхностей хвостовика лопатки ротора турбомашины. Таким образом, угол, образованный опорной поверхностью половин испытательного образца, представляет собой угол, образованный опорной поверхностью хвостовика лопатки в турбомашине относительно его радиального направления. Предпочтительно, угол опорных поверхностей относительно направления растяжения может быть близким 45°; более в общем, этом угол может варьироваться от 30 до 60°.
Более того, половины испытательного образца могут представлять собой хвостовик лопатки не только с точки зрения формы их опорных поверхностей, но также с точки зрения их материала. Таким образом, половины испытательного образца, как правило, выполняется из того же материала, что и хвостовик лопатки, обычно, из сплава на основе титана или никеля.
Для этих же целей, также является возможным выбрать материал, идентичный материалу диска ротора для противодействующего испытательного образца, т.е. также из сплава на основе титана или никеля. Это обеспечивает возможность более точного воспроизведения поведения хвостовика лопатки относительно диска ротора.
В соответствии с одним вариантом осуществления, опорные поверхности противодействующего испытательного образца являются наклонными относительно оси растяжения для того, чтобы представлять собой форму опорных поверхностей гребня диска ротора турбомашины. Таким образом, угол, образованный опорной поверхностью противодействующего испытательного образца, представляет собой угол, образованный опорной поверхностью гребня диска ротора в турбомашине относительно его радиального направления. Посредством чего, напряжение, которое опорная поверхность противодействующего испытательного образца прикладывает к половине испытательного образца, представляет собой напряжение, которое опорная поверхность гребня диска ротора прикладывает к опорной поверхности хвостовика лопатки, в турбомашине. Предпочтительно, опорные поверхности противодействующего испытательного образца наклонены под углом от 30 до 60°, а, в общем, выбирается угол, близкий 45°.
В соответствии с одним вариантом осуществления, упругие средства возврата содержат, по меньшей мере, один стержень из упругого материала, деформирующийся при нахождении в своем диапазоне упругой деформации во время циклов растяжения. Таким образом, стержень имеет некоторую способность к деформации, обеспечивая возможность машине представлять, воспроизводить, деформации, фактически имеющиеся при работе в турбомашине, будь то деформации хвостовика лопатки и/или гребня диска ротора. Благодаря этой возможности двух половин испытательного образца расходиться друг от друга, дополнительно увеличена репрезентативность результатов, полученных посредством испытательного устройства.
В соответствии с вариантом предшествующего варианта осуществления, вторая удерживающая система содержит две стойки, параллельные оси растяжения и использующиеся для удерживания двух половин испытательного образца, при этом указанный стержень соединяет эти стойки вдоль направления, перпендикулярного оси растяжения. Две стойки, параллельные оси растяжения, рядом с половинами испытательного образца, позволяют гарантировать то, что последние поддерживаются на месте во время циклов растяжения. По этой причине, для половин испытательного образца является предпочтительным, чтобы они были относительно длинными, для того, чтобы облегчать скрепление при вращении.
Более того, так как деформации расхождения в поперечном направлении относительно направления растяжения будут проходить через указанный, по меньшей мере, один стержень, для последнего просто задать размер, в зависимости от растягивающих деформаций, которые он будет испытывать, и удлинения, считающимся допустимым при воздействии таких деформаций.
В соответствии с вариантом предшествующего варианта осуществления, испытательное устройство дополнительно содержит средства для измерения расхождения половин испытательного образца во время испытания. Посредством чего, является возможным в любое время гарантировать, что относительные положения противодействующего испытательного образца и половин испытательного образца на самом деле соответствуют положению, которое было предусмотрено.
В соответствии с одним вариантом осуществления, половины испытательного образца имеют около своих опорных поверхностей, форму, представляющую собой форму половин хвостовика лопатки ротора турбомашины, и ось растяжения расположена по существу в радиальном направлении половин хвостовика лопатки. Это расположение обеспечивает возможность испытания половин испытательного образца при условиях, точно воспроизводящих реальную работу и напряженные состояния. Также, воспроизведение поведения покрытия для хвостовика лопатки не ограничивается на конкретной области покрытия, но включает в себя участок хвостовика лопатки, расположенный рядом с опорной(ыми) поверхностью(ями).
Также, в соответствии с одним вариантом осуществления, противодействующий испытательный образец имеет около своих опорных поверхностей, форму, представляющую собой форму гребня диска ротора турбомашины. В этом случае, действие противодействующего испытательного образца, воспроизводящее действие гребня диска ротора на хвостовике лопатки, является более реалистичным, так как оно является способным к воспроизведению поведения гребня диска ротора, не только расположенного непосредственно рядом с опорной(ыми) поверхностью(ями), но также через весь участок гребня, расположенного рядом с опорными поверхностями, т.е., обычно, весь конец, имеющего форму гребня противодействующего испытательного образца.
Следует отметить, что в устройстве, более или менее точно зависящем от выбранного варианта осуществления, половины испытательного образца, обращенные друг к другу, являются аналогичными противоположным поверхностям хвостовика лопатки, при этом противодействующий испытательный образец, в свою очередь, является аналогичным гребню диска ротора, использующемуся для прикрепления лопатки к ротору. Таким образом, тогда как на турбомашине имеет место хвостовик лопатки, который охвачен и закреплен между двумя гребнями диска ротора, в испытательной машине, вернее имеют место две половины испытательного образца, которые охватывают противодействующий испытательный образец с каждой стороны, представляющий собой гребень диска ротора. Было установлено, что, несмотря на это очевидное обратное расположение, получена превосходная репрезентативность результатов.
В соответствии с одним вариантом осуществления, сторона половин испытательного образца, расположенная на стороне противодействующих испытательных образцов, не имеет поднутрения. Следовательно, они являются экономически эффективными, так как они являются легкими для обработки посредством 3-осевой обработки. Это же является верным для противодействующего испытательного образца. Более того, половины испытательного образца даже могут иметь выпуклую внешнюю форму на стороне противодействующего испытательного образца.
В конце концов, дополнительно следует отметить, что перемещения испытательных образцов в направлении растяжения могут быть измерены и записаны системой для измерения перемещений, например, устройством для сравнения или измерительным устройством.
Изобретение будет лучше понятным, и его преимущества будут более очевидными из прочтения нижеследующего подробного описания вариантов осуществления, представленных путем примера и не являющихся ограничивающими. Описание ссылается на прилагаемые чертежи, на которых:
- Фиг.1 представляет собой осевое сечение испытательного устройства по изобретению;
- Фиг.2А и 2В представляют собой сечения центральной части этого устройства, соответственно виды спереди и сбоку; и
- Фиг.3 представляет собой осевое сечение области опорной поверхности противодействующего испытательного образца и половин испытательного образца испытательного устройства.
Со ссылкой на Фиг.1, теперь мы будем описывать испытательное устройство 10 для покрытия, предназначенное для нанесения на хвостовик лопатки в соответствии с изобретением. Это устройство 10 содержит машину, содержащую, прежде всего, рамную конструкцию 12, в общем, состоящую из механически сваренной рамы. Эта рамная конструкция 12 удерживает две удерживающие системы 20 и 30.
Первая удерживающая система 20, расположенная в нижней части машины, содержит неподвижную колонну 29, удерживающую противодействующий испытательный образец 22 на месте. Противодействующий испытательный образец 22 содержит отверстие, через которое проходит ось 26 первой удерживающей системы, посредством которой удерживается противодействующий испытательный образец 22, независимо от того, какие растягивающие напряжения он будет воспринимать.
Вторая удерживающая система 30 используется для удерживания двух половин 32 испытательного образца на месте. Эта вторая удерживающая система 30 содержит подвижную балку 39, установленную с возможностью линейного чередующегося поступательного перемещения в вертикальном направлении вдоль двойной стрелки А посредством линейного исполнительного механизма 14 или другого эквивалентного исполнительного средства. Эта балка 39 направляется в ее чередующемся поступательном перемещении посредством направляющих планок 16. Удерживающая система 30 дополнительно содержит средства для жесткого присоединения половин 32 испытательного образца относительно балки 39, причем именно они содержат вышеупомянутые стойки 38.
Характеристики линейного исполнительного механизма 14 выбираются таким образом, чтобы последний мог сообщать второй удерживающей системе 30 относительно первой удерживающей системы 20 поступательные перемещения, представляющие собой перемещения, выполняющиеся лопаткой, и более точно, хвостовиком лопатки, относительно диска ротора во время работы турбомашины, частью которой является лопатка. Такие перемещения, вследствие значительных центробежных усилий, воспринимаются лопатками во время вращения двигателя, аналогично радиальному растяжению на лопатке.
Как правило, делаются попытки воспроизвести условия работы хвостовика лопатки, в частности, с точки зрения радиальных деформациях, оказываемых на него, так и амплитуды перемещений хвостовика лопатки. Амплитуда последних перемещений зависит от частей, взаимодействующих с хвостовиком лопатки; следовательно, они являются очень важными для качества испытания. В представленной машине, такие части расположены на одной стороне поддерживающих стоек 38, а на другой стороне внутренней стороне расположен противодействующий испытательный образец 22, который является аналогичным гребню диска ротора, предполагаемому для удерживания лопаток в турбомашине. Однако, следует отметить, что устройство может использоваться для испытания покрытий в направлениях, или при растягивающих усилиях, которые отличаются от обычных напряженных состояний хвостовика лопатки и его опорных поверхностей.
Для рамной конструкции 12 и линейного исполнительного механизма 14 машины по изобретению, могут использоваться стандартные элементы, обычно использующиеся в машинах для циклического испытания на растяжение механических деталей. Циклы, подлежащие воспроизведению, обычно имеют следующие параметры: количество циклов, которое может достигать 10000 или 15000 циклов; максимальное прикладываемое усилие, варьирующееся от 15000 до 30000 даН.
Противодействующий испытательный образец 22 содержит отверстие 24, и первая удерживающая система содержит ось 26, посредством которой поддерживается противодействующий испытательный образец 22, независимо от того, какие растягивающие напряжения он будет воспринимать.
В конце концов, относительные перемещения половин испытательного образца относительно противодействующего испытательного образца измеряются и записываются посредством измерительной системы 19.
Со ссылкой на Фиг.2А и 2В, мы теперь будем описывать работу центральной части испытательного устройства в соответствии с изобретением. Фиг.2А представляет собой сечение, показывающее две половины 32 испытательного образца, удерживающиеся на одной стороне во второй удерживающей системе 30 (стойках 38), и на другой стороне, удерживаемые посредством противодействующего испытательного образца 22. Роль второй удерживающей системы 30 заключается в том, чтобы удерживать две половины испытательного образца, и более точно, его опорные поверхности 24, напротив соответствующих опорных поверхностей (ссылочная позиция 25, Фиг.3) противодействующего испытательного образца 22, и чтобы передавать половинам 32 испытательного образца чередующееся поступательное перемещение относительно противодействующего испытательного образца 22.
Противодействующий испытательный образец 22, на одном из его концов (конце в верхней части на Фиг.1), имеет относительно симметричное утолщение, стороны 23 которого выступают в виде консоли с каждой стороны его оси. Нижние внешние поверхности (как видно на Фиг.1) этих сторон 23 представляют собой контактные или опорные поверхности противодействующего испытательного образца 22. Эти опорные поверхности воспроизводят форму гребня диска ротора турбомашины, в который устанавливается хвостовик лопатки. На другом его конце, противодействующий испытательный образец 22 имеет крепежные средства, обеспечивающие возможность его закрепления в испытательной машине с помощью первого средства для удерживания, использующегося для удерживания и закрепления противодействующего испытательного образца во время испытания на растяжение. Здесь, такие удерживающие средства содержат отверстие 24, выполненное для крепежной оси испытательной машины, таким образом, чтобы проходить насквозь.
Опорные поверхности 24 половин 32 испытательного образца могут иметь место на наклонных верхних поверхностях выступов 35, образованных на основании половин 32 испытательного образца. Такие опорные поверхности представляют собой контактные поверхности, аналогичные опорным поверхностям хвостовика лопатки. Когда вторая удерживающая система испытывает направленное вверх растягивающее напряжение (как видно на Фиг.1), соответствующие опорные поверхности 24 и 25 половин испытательного образца и противодействующего испытательного образца осуществляют контакт, и посредством чего оказывают сопротивление направленному вверх перемещению второй удерживающей системы 30, обеспечивая возможность покрытию 34, нанесенному на опорные поверхности 24 половин испытательного образца, подлежащего испытанию, подвергаться испытанию.
Тогда как половины 32 испытательного образца и противодействующий испытательный образец 22 расходуются при испытаниях, так как испытание приводит к их деформации, другие части машины, наоборот, являются повторно использующимися частями.
Вторая удерживающая система 30 содержит две стойки 38, параллельные оси растяжения, и используется для удерживания двух половин испытательного образца, при этом каждая прикреплена к одной половине 32 испытательного образца. Прикрепление может быть выполнено именно посредством болтов 42. С одной стороны, болты 42 проходят насквозь через стойку 38 и, более того, закреплены посредством половин 32 испытательного образца в отверстии, отверстии со шпоночным пазом или открытом отверстии 41 со шпоночным пазом, как показано на Фиг.2В.
Хотя является возможным, чтобы две стойки 38 были жестко прикреплены друг к другу, или даже чтобы они образовывали единую часть, наоборот, для них является предпочтительным, чтобы они были независимыми частями второй удерживающей системы 30.
Здесь, две независимые части означает, что две стойки 38 могут расходиться (раскрываться) вбок относительно друг друга. Это расхождение (раскрытие) выполняется в направлении, перпендикулярном направлению растяжения и перпендикулярном относительно различных опорных поверхностей хвостовика лопатки. Эта степень свободы обеспечивает лучшее воспроизведение условий удерживания лопатки при работе.
Предпочтительно, расхождение двух частей удерживающей системы ограничивается с помощью упругих средств возврата. Такие упругие средства возврата состоят из четырех металлических стержней 40, деформирующихся во время циклов растяжения, при этом оставаясь в их пределе упругой деформации. Такие стержни 40 соединяют стойки 38 в направлении, перпендикулярном оси растяжения. Они имеют резьбу на их свободных концах для того, чтобы закрепляться посредством болтового соединения.
Для проверки надлежащей работы циклов растяжения, которые хвостовики лопаток будут испытывать, машина дополнительно содержит средства 18 для измерения расхождения половин испытательного образца во время испытания. Это измерение позволяет обеспечить надлежащую работу и правильное расположение различных частей во время испытания.
Со ссылкой на Фиг. 3, мы будем описывать относительные формы противодействующего испытательного образца 22 и половины 32 испытательного образца. Половина 32 испытательного образца показана опирающейся на стойку 38. Половина 32 испытательного образца содержит опорную поверхность 24, проходящую между точкой В и точкой D. Противодействующий испытательный образец также содержит опорную поверхность 25, обращенную к опорной поверхности 24 половины 32 испытательного образца. На опорную поверхность 24 половины испытательного образца нанесено покрытие того же вида и нанесенное в соответствии с тем же способом, что и для соответствующей области хвостовика лопатки. В относительном положении половины 32 испытательного образца и противодействующего испытательного образца 22, контакт осуществляется только на площади контакта, принадлежащей опорной поверхности 24 половины испытательного образца, между точками В и С. Конечно, во время испытания на растяжение, положение этой площади контакта будет меняться относительно опорной поверхности.
Как можно увидеть на Фиг.3, опорные поверхности испытательного образца 22 и половины 32 испытательного образца расположены в косом или наклонном направлении относительно направления Е, которое представляет собой направление растяжения. Это представляет собой наклон там, где хвостовик лопатки крепится к диску ротора. Угол α наклона близок к 45°.