СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ КОРПУСА РОТОРА ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН НА НЕПРОБИВАЕМОСТЬ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR IMPENETRABILITY TESTING OF ROTOR BODY IN IMPELLER MACHINES AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к испытаниям корпусов роторов лопаточных машин на непробиваемость и исследованиям ударных воздействий на них.
Исследования корпусов лопаточных машин на способность удерживать элементы конструкции роторов и их фрагменты в случае разрушения ротора, а именно на непробиваемость корпуса, являются одним из важных направлений их прочностных исследований. Поскольку при разрушении ротора или обрыве его лопаток разлетающиеся элементы обладают огромной кинетической энергией, и при попадании в планер самолета способны нанести ему повреждения, ведущие к катастрофе, то при проектировании современных двигателей выдвигается условие непробиваемости его корпуса в случае обрыва рабочей лопатки. По существующим нормам непробиваемость корпуса должна быть подтверждена экспериментально. В соответствии с нормативными документами корпус должен удержать лопатку при ее обрыве в районе заданного сечения: корневой части лопатки или ее замка, например, по первому пазу замка лопатки, который наиболее удален от оси корпуса ротора лопаточной машины. При обрыве лопатки по пазу замка обеспечивается ее обрыв с наиболее полной массой, которая определяет центробежную нагрузку. Благодаря этому повышается точность оценки корпуса на непробиваемость. Для вентиляторных лопаток указанное место обрыва соответствует сечению по верхней части замка или над полкой замка.
Однако проведение испытаний корпуса на непробиваемость имеет ряд технических сложностей. Лопатка находится на быстро вращающемся роторе внутри корпуса, что затрудняет доступ к ней. Ротор с лопатками для своей раскрутки требует подвода к нему большой мощности, и рабочую лопатку необходимо оборвать на заданных оборотах, при этом нелокализованный обрыв лопаток ведет к разлету обломков на большое расстояние. В связи с этим испытания корпуса на непробиваемость проводят, как правило, на специальных стендах в разгонных вакуумных камерах со специальной защитой ее корпуса. Одним из ключевых условий испытания является обеспечение "хрупкого" разрушения лопатки, характерного для усталостного повреждения ее материала. Это наиболее опасный случай разрушения, поскольку обрыв лопатки происходит без ее удлинения и сопровождается ударом о корпус торцевой частью. В случае неполного обрыва лопатки, до касания ее о корпус, энергия удара значительно снижается. При этом лопатка дезориентируется и попадает в корпус не торцевой частью, что увеличивает поверхность ее контакта с ним и уменьшает вероятность его пробивания. При "хрупком" разрушении происходит мгновенное отделение оборвавшейся части практически без удлинения и лопатка ударяется в корпус торцевой частью, что повышает вероятность пробития корпуса. Поскольку лопатки имеют необходимый для работы запас прочности, то для ее обрыва на заданных оборотах используют, например, подрезку сечения в месте, где он должен происходить. Однако ослабить сечение настолько, чтобы лопатка оборвалась именно при заданной частоте вращения ротора, затруднительно из-за разброса прочностных свойств материала и геометрии лопаток. Для этого подрезку сечения выполняют в несколько этапов, последовательно приближаясь к заданной частоте вращения, либо превышают заданную частоту до обрыва лопатки, а затем производят пересчет результатов. Тот и другой способы не являются оптимальными, поскольку в первом случае трудоемкость испытаний возрастает в несколько раз, а именно требуется многократная переборка и балансировка ротора. Во втором случае энергия удара возрастает, и результаты испытаний будут недостоверны.
Известен способ испытаний корпуса на непробиваемость, Кузнецов НД., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин М.: Машиностроение, 1993 г., с.135, заключающийся в подрыве корневого сечения лопатки зарядом взрывчатого вещества после выхода ротора на заданные обороты.
Недостатком данного технического решения является то, что при подрыве лопатке сообщается дополнительная энергия, которой не обладает лопатка, оборвавшаяся при обычном разрушении в эксплуатационных условиях. При этом вместо хрупкого разрушения происходит значительное пластическое деформирование материала лопатки в результате воздействия газов кумулятивного заряда, которое приводит к преждевременному касанию лопатки с корпусом. Кроме того, ударная волна нарушает ориентацию лопатки, ее траектория становится неопределенной, и лопатка попадает в корпус в неопределенном положении. Это существенно снижает достоверность результатов испытания. Кроме того, может произойти разрушение лопатки на отдельные осколки, энергия удара которых о корпус будет существенно ниже, чем у целой лопатки. В этом случае испытания не могут рассматриваться как кондиционные.
Более того, требуется длительная подготовка с учетом ее дороговизны и отработка методики обрыва с использованием силы взрыва на ненагруженной центробежными силами лопатке.
При этом сложно учесть влияние разброса силы взрыва и момента взрыва каждого заряда на процесс обрыва лопатки на вращающемся объекте. Причем резкое местное повышение давления в корпусе во время взрыва не соответствует условиям эксплуатации. При испытаниях на двигателе при трении оборвавшейся титановой лопатки о титановый корпус, в условиях среды значительного повышенного давления, может возникнуть титановый пожар, который может привести к потере двигателя. Испытания корпусов на непробиваемость рекомендуется проводить на специальных разгонных стендах.
Также имеются трудности в организации испытаний. Подготовка испытаний требует особых организационных мер и мер безопасности, учитывающих использование взрывчатых веществ, а также наличия специально подготовленного персонала. Более того, требования по отрыву в районе замка делают вероятным повреждение диска, на котором крепится лопатка, при взрыве.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является "Способ испытаний корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость и устройство для его осуществления", патент РФ №2311626 от 27.11.2007 г., при котором на одной из лопаток, установленных на роторе, который расположен внутри неподвижного корпуса, осуществляют ослабление ее поперечного сечения подрезкой, которую осуществляют в ее нижней части над замком, выполняют окна, раскручивают ротор до заданных оборотов, нагревают лопатку до заданной температуры, с последующим ее обрывом, и по следам удара оборвавшейся части о корпус оценивают его непробиваемость, причем окна выполняют в виде прорезей, и по обе стороны от выполненных прорезей - основных, над полкой замка выполняют дополнительные прорези, которые образуют термонагружающие участки лопатки в виде Т-образной формы, причем основные прорези выполняют параллельно оси лопатки, а дополнительные прорези выполняют параллельно полке замка, дополнительно в концах нижних частей всех прорезей выполняют концентраторы напряжений, которые совпадают с плоскостью подрезки, затем производят намотку провода между основными и дополнительными прорезями, который образует электронагревательные катушки, и после раскрутки ротора до заданных оборотов через образованные электронагревательные катушки пропускают электрический ток с последующим нагревом термонагружающих участков лопатки, при этом каждый термонагружающий участок лопатки нагревают до заданной температуры, производят обрыв лопатки и по следам удара оборвавшейся части о корпус оценивают его непробиваемость.
Данная конструкция имеет ряд недостатков, затрудняющих ее применение. В процессе раскрутки ротора лопатка и витки провода наружных электронагревательных катушек подвергаются осевому нагружению центробежной силой. Под воздействием центробежных нагрузок витки провода деформируются и удлиняются, что может привести к их обрыву и снижению надежности использования этой конструкции. Кроме того, снижается КПД нагрева, так как часть тепла рассеивается в окружающую среду от поверхности электронагревательных катушек и через их электроизоляцию при теплопередаче к поверхности лопатки.
Технической задачей предлагаемого технического решения является обеспечение гарантированного обрыва лопатки в указанном ее сечении, при котором ее разрушение происходит мгновенно, без удлинения, при заданной частоте вращения, при этом оборвавшейся части лопатки обеспечивается траектория, максимально близкая к траектории лопатки, оборвавшейся в эксплуатации, при минимальной доработке ослабленной лопатки без наружных нагревателей, повышении надежности конструкции нагревателя и КПД нагрева лопатки за счет передачи внутреннего тепла и снижении трудоемкости реализации обрыва по заданному сечению над замком лопатки или по первому пазу замка лопатки, который наиболее удален от оси корпуса ротора лопаточной машины.
Технический результат в заявляемом способе и устройстве для испытаний корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость достигается за счет того, что в способе, заключающемся в том, что на одной из лопаток, установленных на роторе, который расположен внутри неподвижного корпуса, производят ослабление ее поперечного сечения подрезкой, которую осуществляют в ее нижней части над замком, выполняют основную и дополнительные прорези и термонагружающий участок, основную прорезь выполняют параллельно оси лопатки, дополнительные прорези выполняют параллельно полке замка, дополнительно в концах нижних частей всех прорезей выполняют концентраторы напряжений, которые совпадают с плоскостью подрезки, раскручивают ротор до заданных оборотов, через нагреватель пропускают электрический ток с последующим нагревом термонагружающего участка лопатки, при этом термонагружающий участок лопатки нагревают до заданной температуры, производят обрыв лопатки и по следам удара оборвавшейся части о корпус оценивают его непробиваемость, причем основную прорезь выполняют внутри лопатки под углом к ее средней линии сечения, вставляют в выполненную основную прорезь нагреватель, изготовленный в виде отдельной детали, ширина которой составляет 0,80-0,95 от ширины основной прорези, при этом выполненная основная прорезь, вставленный в нее нагреватель и участки над дополнительными прорезями образуют термонагружающий участок лопатки, раскручивают ротор до заданных оборотов, затем через нагреватель пропускают электрический ток с последующим нагревом образованного термонагружающего участка лопатки из глубины материала лопатки, причем образованный термонагружающий участок лопатки нагревают до заданной температуры, при этом термонагружающий участок лопатки осуществляет дополнительное нагружение ослабленного сечения с дополнительными прорезями и концентраторами, которые обеспечивают заданный обрыв лопатки.
Нагреватель выполняют путем намотки провода на каркас, заливают каркас с проводом высокотемпературным наполнителем и получают отдельную литую деталь, поверхность отдельной литой детали покрывают фольгой, основную прорезь, выполненную в лопатке, частично заполняют высокотемпературным наполнителем, вставляют в нее нагреватель.
Основную прорезь лопатки выполняют под углом от 0 до 90 градусов к ее средней линии сечения.
Производят ослабление поперечного сечения лопатки подрезкой, которую осуществляют по первому пазу замка лопатки, который наиболее удален от оси корпуса ротора лопаточной машины.
Устройство для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость, содержащее ротор с лопатками, замок, привод с системой управления частотой вращения, при этом в одной из лопаток выполнены подрезка в ее нижней части над замком и прорези, основная прорезь расположена параллельно оси лопатки, а дополнительные прорези расположены параллельно полке замка, а также в плоскости подрезки дополнительно выполнены концентраторы напряжений, которые находятся в концах нижних частей всех прорезей, нижние части которых совпадают с плоскостью подрезки, при этом оно содержит устройство для измерения температуры термонагружающего участка лопатки, которое состоит из последовательно соединенных системы измерения температуры, токосъемника и датчика температуры, установленных на поверхности термонагружающего участка лопатки, и устройство для нагрева термонагружающего участка лопатки, которое состоит из последовательно соединенных источника питания, токосъемника и нагревателя, причем основная прорезь выполнена внутри лопатки под углом к ее средней линии сечения, в которую вставлен нагреватель, изготовленный в виде отдельной детали, ширина которой составляет 0,80÷0,95 от ширины основной прорези, при этом выполненная основная прорезь, вставленный в нее нагреватель и участки над дополнительными прорезями образуют термонагружающий участок лопатки.
Основная прорезь лопатки выполнена под углом от 0 до 90 градусов к ее средней линии сечения.
Нагреватель выполнен путем намотки на каркас, который залит высокотемпературным наполнителем и образует отдельную литую деталь, при этом поверхность литой детали покрыта фольгой, а основная прорезь в лопатке частично заполнена высокотемпературным наполнителем.
Подрезка выполнена по первому пазу замка лопатки, который наиболее удален от оси корпуса ротора лопаточной машины.
Выполненная подрезка, которая наиболее удалена от оси корпуса ротора лопаточной машины, с учетом геометрии прорезей и концентраторов напряжений (надрезов), в указанном месте обеспечивает такой обрыв лопатки, при котором величина удлинения подрезанного сечения в момент обрыва не превышает торцевой зазор между лопаткой и корпусом на заданных оборотах, и по следам удара оценивают непробиваемость корпуса ротора лопаточных машин.
Для этого подрезку сечения лопатки, которая наиболее удалена от оси корпуса ротора лопаточной машины, выполняют таким образом, чтобы величины запаса прочности было достаточно для предотвращения обрыва во время раскрутки ротора с доработанной лопаткой до заданных оборотов. При этом допустимая нагрузка не должна превышать величину суммарной нагрузки, создаваемой центробежной силой и термонагружающими элементами лопатки при их нагреве.
На величину запаса прочности ослабленного сечения лопатки, при расчете геометрии термонагружающих участков лопатки в зоне ее подрезки, влияет разброс характеристик материала лопатки, геометрические отклонения ее пера, аэродинамические характеристики и динамические характеристики ротора с доработанной лопаткой.
Для полной имитации условий удара лопатки о корпус необходимо, чтобы вес обрывающейся части доработанной лопатки соответствовал весу обрывающейся части реальной лопатки.
После выхода ротора на заданные обороты нагревают термонагружающие участки лопатки от внутреннего электронагревателя. При этом значительно снижаются потери тепла и повышается надежность работы нагревателя и устройства в целом и более эффективно происходит термическое расширение термонагружающих участков материала лопатки. Они создают дополнительную нагрузку на подрезанное сечение лопатки, в плоскости которого находятся прорези и концентраторы напряжений, суммирующуюся с центробежной силой, и обеспечивают ее обрыв. Величина нагрузки, которую должны добавить термонагружающие участки лопатки к центробежной нагрузке на рабочих оборотах, снизит запас прочности доработанной лопатки до величины, меньшей единицы.
На фиг.1 изображен внешний вид доработанной лопатки с подрезкой, выполненной в ее нижней части над замком.
На фиг.2 изображен внешний вид доработанной лопатки с подрезкой, выполненной по первому пазу замка лопатки, который наиболее удален от оси корпуса ротора лопаточной машины.
На фиг.3 изображено сечение доработанной лопатки с нагревателем.
На фиг.4 показан нагреватель, установленный в основную прорезь лопатки.
На фиг.5 изображено устройство для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость.
На фиг.6 изображено устройство для измерения температуры термонагружающего участка лопатки.
На фиг.7 изображено устройство для нагрева термонагружающего участка лопатки.
Устройство для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость на фиг.1, 2, 3, 4 содержит ослабленную лопатку, которая включает перо 1, замок 2. В пере 1 лопатки выполнены основная прорезь 3 под углом α к средней линии 4 сечения лопатки, нагреватель 5, дополнительные прорези 6, 7 и 8, поперечная подрезка 9, фиг.1, которая выполнена над замком доработанной лопатки, концентраторы напряжений 10, 11 и 12, термонагружающий участок 13. Внутри термонагружающего участка 13 на поверхности пера 1 устанавливают датчик температуры 14.
Устройство для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость на фиг.2 содержит ослабленную лопатку, которая включает перо 1, замок 2. В пере 1 лопатки выполнены основная прорезь 3 под углом α к средней линии 4 сечения лопатки, нагреватель 5, дополнительные прорези 6, 7 и 8, поперечная подрезка 9, которая выполнена по первому пазу замка лопатки, наиболее удаленному от оси корпуса ротора лопаточной машины, концентраторы напряжений 10, 11 и 12, термонагружающий участок 13. Внутри термонагружающего участка 13 на поверхности пера 1 устанавливают датчик температуры 14.
Устройство для испытания корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость на фиг.5 содержит ротор 15 с лопатками, одна из лопаток выполнена с доработанным пером 1, имеет замок 2, привод 16 с системой 17 управления частотой вращения, датчик температуры 14, токосъемник 18, систему измерений 19, нагреватель 5, источник питания 20.
Устройство для измерения температуры термонагружающего участка лопатки на фиг.6 содержит последовательно соединенные датчик температуры 14, токосъемник 18, систему измерений 19.
Устройство для нагрева термонагружающего участка лопатки на фиг.7 содержит нагреватель 5, токосъемник 18, источник питания 20.
Токосъемник 18 установлен на валу ротора 15. Подрезка 9 на фиг.1 выполнена над замком доработанной лопатки, а нижний торец термонагружающего участка 13 лопатки опирается на плоскость подрезки 9, а прорези 3, 6, 7 и 8, термонагружающий участок 13 лопатки также выполнены непосредственно над полкой замка 2. Концентраторы 10, 11 и 12 напряжений выполнены в виде надрезов, которые имеют высоту 0,15÷0,20 мм. Токосъемник выполнен из двух частей, на фигурах не показаны, первая часть токосъемника соединена с устройством для измерения температуры термонагружающего участка лопатки, вторая часть соединена с устройством для нагрева термонагружающего участка лопатки.
Заявляемое устройство по предлагаемому способу испытаний корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость работает следующим образом. В подготовленной к испытаниям лопатке выполняют основную прорезь 3 лопатки под углом α к средней линии 4 сечения лопатки, по обе стороны от выполненной прорези 3, основной, над верхней полкой замка 2 выполняют дополнительные прорези 6, 7, 8. Производят намотку провода на каркас, формирующего нагреватель 5, заливают каркас с проводом специальным наполнителем-клеем и отвердителем, образующими отдельную литую деталь, поверхность детали покрывают фольгой. Основную прорезь 3 лопатки частично заполняют высокотемпературным наполнителем - клеем и отвердителем. Изготовленный нагреватель 5 в виде отдельной литой детали, ширина которой составляет 0,80÷0,95 от ширины основной прорези, вставляют в основную прорезь 3 лопатки и закрепляют его. Над поперечной подрезкой 9 образуется термонагружающий участок 13. Основная прорезь 3 расположена параллельно оси лопатки, а дополнительные прорези 6, 7 и 8 расположены параллельно полке замка 2, в плоскости подрезки 9 дополнительно выполнены концентраторы 10, 11 и 12 напряжений, которые находятся в концах нижних частей прорезей 6, 7 и 8, нижние части которых совпадают с плоскостью подрезки 9. На поверхности термонагружающего участка 13 пера 1 лопатки устанавливают датчик температуры 14.
Подготовленную лопатку располагают на диске вращающегося ротора 15, находящегося внутри корпуса. Подготавливают устройство для измерения температуры термонагружающего участка 13 лопатки: последовательно соединяют датчик температуры 14, токосъемник 18, систему измерений 19. Подготавливают устройство для нагрева термонагружающего участка 13 лопатки: последовательно соединяют нагреватель 5, токосъемник 18, источник питания 20.
Токосъемник 18 выполнен из двух частей, его первая часть (не показана) соединена с устройством для измерения температур термонагружающего участка 13 лопатки, вторая часть, не показана, с устройством для нагрева термонагружающего участка 13 лопатки.
Ротор 15 раскручивают до заданных оборотов, а лопатка при этом подвергается действию центробежной нагрузки. Затем от источника питания 20 через токосъемник 18 подают электрический ток в нагреватель 5. Термонагружающий участок 13 материала лопатки нагревается за счет внутренней теплопередачи от нагретого электронагревателя 5 и удлиняется от термического расширения. С помощью датчика температуры 14 контролируется нагрев термонагружающего участка 13 до заданной температуры. В термонагружающем участке 13 возникает термическая нагрузка, которая суммируется с осевой центробежной нагрузкой и воздействует на поперечную подрезку 9, прорези 6, 7 и 8 и на концентраторы 10, 11 и 12 напряжений. Кроме того, проявляются дополнительные факторы: прочность нагретого материала лопатки снижается с ростом температуры и, вследствие этого, нагружаются ненагретые кромки лопатки. Перо 1 лопатки обрывается по поперечной подрезке 9 под воздействием термических нагрузок, создаваемых термонагружающим участком 13 и суммируемых с центробежной нагрузкой, и дополнительно от концентраторов 10, 11 и 12 напряжений и указанных факторов. Концентраторы 10, 11 и 12 напряжений значительно уменьшают зону пластического деформирования лопаточного материала и обеспечивают мгновенный обрыв лопатки с малым ее удлинением, не превышающим величины зазора между поверхностью корпуса и концевой частью лопатки. Обрыв лопатки происходит с последующим ударом о корпус, по следам которого делают вывод о его непробиваемости.
Электронагревательная катушка в нагревателе намотана, например, проводом из нихрома с изоляцией. В качестве высокотемпературного наполнителя используется высокотемпературный клей - цемент. В качестве датчика температуры используется, например, хромель-копелевая термопара. В качестве токосъемника использовался ртутный токосъемник, имеющий 32 пары колец. Основная прорезь лопатки может быть выполнена под углом α=0° к средней линии сечения лопатки, если она имеет большую закрутку. Под углом α=90° может быть выполнено несколько прорезей для нескольких нагревателей, если лопатка имеет большую толщину.
Применение предложенного способа и устройства для испытания корпусов роторов лопаточных машин на непробиваемость обеспечивает гарантированный управляемый обрыв лопатки по ее ослабленному поперечному сечению произведенной подрезкой, выполненной в нижней части лопатки над замком или по первому пазу замка лопатки, который наиболее удален от оси корпуса ротора лопаточной машины при заданном числе оборотов ротора, причем траектория движения лопатки после обрыва будет соответствовать реальной. Для его осуществления требуется только доработка лопатки, причем ее габариты не меняются. Доработка лопатки также включает выполнение основной прорези, которую осуществляют внутри лопатки под углом к ее средней линии сечения, вставляют в выполненную основную прорезь нагреватель. Нагрев лопатки ротора на заданных оборотах достаточно просто осуществляется и позволяет управлять процессом обрыва. Расположение нагревателя внутри лопатки повышает КПД нагрева и надежность работы нагревателя в предлагаемом устройстве. Способ применим для исследований на реальном двигателе и испытательных стендах, в том числе в вакуумных бронекамерах разгонных стендов, при этом возможные погрешности расчетов компенсируются необходимым увеличением запаса прочности ослабленного поперечного сечения лопатки.