Способ испытания элемента обода диска ГТД при моделировании эксплуатационной нагруженности

УДК 620.178

А. Г. Сахно, Н. А. Савчук

СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕМЕНТА ОБОДА ДИСКА ГТД ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАГРУЖЕННОСТИ

Представлены способ и установка для испытания элемента обода диска газотурбинного двигателя.

Опыт исследований показывает, что расчётное определение предела выносливости такой сложной детали, как диск ГТД, может привести к значительному искажению результатов [1, 2]. Поэтому в наиболее ответственных случаях предел выносливости диска определяют экспериментально. Причём, испытания на усталость могут проводиться как полноразмерного диска так и его отдельных элементов.

Моделирование условий работы диска наиболее полно достигается при стендовых эквивалентно-циклических или длительных испытаниях в составе двигателя [3, 4]. Однако регулярное проведение таких испытаний для изучения влияния различных факторов является весьма дорогостоящим мероприятием. Это связано с большим потреблением топлива, повторной сборкой и разборкой ротора и с риском выхода из строя всего двигателя в целом. Поэтому такие испытания целесообразно применять для окончательной оценки выбранных конструктивных или технологических факторов.

Получили распростроение испытания дисков на специальных разгонных стендах [5, 6].

Также имеет место для изучения напряжённого состояния дисков применение специального электрогидравлического стенда, на котором диски ис-пытываются в условиях многоосного статического растяжения [7, 8]. При этом во все пазы диска устанавливаются имитаторы лопаток, к каждой из которых прикладывается растягивающая нагрузка, равная центробежной силе лопатки и межпазового выступа.

Необходимо отметить, что испытания на разгонных стендах и на стенде многоосного растяжения тоже являются довольно энергоемкими и связаны с большими затратами на их сооружение. К тому же имитация реальных условий эксплуатации на них производится не полностью. Так, например, на электрогидравлическом стенде при испытаниях рабочей контурной нагрузкой уровень окружных напряжений, оказывается меньшим, чем в реальных условиях. Для воспроизведения этого уровня, близкого к реальному, прикладывается контурная нагрузка, гораздо больше эксплуатационной, что ведёт к увеличению контактного давления в замковом соединении.

© А. Г. Сахно, Н. А. Савчук 2006 г.

Так как обычно можно выделить наиболее разрушаемые участки конструкции диска, то получили распространение испытания его отдельных элементов: ободной части, полотна и др. Например, испытание на гидравлическом пульсаторе [9] с имитацией плоского напряжённого состояния при заданной степени асимметрии. Хотя нагружается полноразмерный диск, но исследуемой частью при этом является его полотно.

Широко распространены испытания модельных образцов диска [10, 11] с сохранением основных концентраторов напряжений, определяющих несущую способность при действии переменных или постоянных напряжений. Недостатком применения модельных образцов является то, что не учитывается воздействие технологической наследственности на материал модели.

Более широкие возможности для изучения напряженного состояния и определения эффективности конструктивно-технологических факторов представляют испытания натурных элементов, вырезанных из диска, при различной степени моделирования эксплуатационной загруженности. В частности, известно устройство для статического нагружения хвостовика лопатки турбомашины преимущественно при вибрационных испытаниях [12].

Известно также устройство для испытания на прочность выступа диска турбомашины [13] типа ласточкина хвоста, позволяющее воспроизводить в основании межпазового выступа радиальные напряжения от центробежной силы и напряжения от крутящего момента от несоосности паза и диска.

Однако данные устройства не позволяют имитировать окружные напряжения в ободной части диска.

Известен способ испытания лопаточных дисков турбомашины [2], заключающийся в том, что к элементу обода диска прикладываются усилия, имитирующие в основании окружные напряжения за счёт изгиба образца через элементы передачи усилия от испытательной машины. Однако такой способ не воспроизводит радиальных усилий и контактных напряжений в соединении, а также крутящего момента от несоосности паза и диска.

Достаточно высокий уровень моделирования

эксплуатационной нагруженности имеет способ испытания лопаточных дисков турбомашин на прочность, при котором в диске воспроизводятся необходимая величина соотношения радиальных и окружных напряжений, а также контактные напряжения и крутящий момент. Указанные нагрузки можно воспроизводить при использовании универсального устройства для испытания на прочность межпазовых выступов дисков [14], показанные на рис. 1.

Рис.

1. Устройство для испытания на прочность межпазовых выступов дисков турбомашин [14]

Однако данный способ не учитывает нагрузки на межпазовый выступ от возбуждения резонансных колебаний лопаток при определенных режимах работы турбомашины и от действия на лопатки осевой составляющей газодинамических сил потока.

Указанная цель достигается тем, что согласно разработанному способу испытания путём приложения усилий к элементу обода диска, заключающемуся в приложении к соседним пазам усилий с величиной, равной центробежной силе двух лопаток и межпазового выступа, в двух соседних пазах элемента обода размещают имитаторы лопаток, ширина хвостовой части которых превышает длину межпазового выступа, при этом каждый имитатор располагают так, чтобы выступающие с обеих сторон обода его части были равны одна другой, прикладывают к хвостовым частям каждого имитатора осевое усилие, равное центробежной силе лопатки и межпазового выступа, имитируют окружную составляющую силы газового потока путём приложения нагрузки к элементу обода диска под углом к оси межпазового выступа, причём к

расположенным по одну сторону обода выступающим хвостовым частям каждого имитатора прикладывают совпадающие по направлению с соответствующими осевыми усилиями дополнительные равные по величине нагрузки, имитируя осевую составляющую силы газового потока, и одновременно осуществляют приложение к перу каждого имитатора лопатки многоцикловой вибрационной нагрузки.

Использование имитатора лопаток с хвостовиком более широким, чем длина межпазового выступа, позволяет имитировать равнодействующую изгибающих моментов, возникающих от действия осевой и окружной составляющих газодинамической силы, предусматривая независимость имитации этих составляющих, а также воспроизводить воздействие многоцикловой вибрационной нагрузки, возникающей в результате колебаний двух соседних лопаток, возбуждаемых газовым потоком, не искажая при этом формы изгибных колебаний, с частотами, близкими к действительным.

На рис. 2 показана схема нагружения элемента обода диска в осевой плоскости; на рис. 3 - сечение А-А на рис. 2 (схема нагружения элемента обода диска в диаметральной плоскости); на рис. 4 - вид Б на рис. 2 (схема появления крутящего момента на межпазовом выступе за счёт действия несоосных сил); на рис. 5 - схема устройства для реализации способа; на рис. 6 - вид В на рис. 5.

Рис. 2. Схема нагружения элемента обода диска в осевой плоскости

Рис. 3. Схема нагружения элемента обода диска в диаметральной плоскости

ISSN1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2006 # 159 —

шарнирными стержнями 13 через упругие элементы 14 и регулировочные гайки 15 с приводами 16 (механическими или гидравлическими) поступательного перемещения, и снабжено электромагнитами 17 с обмоткой переменного тока (рис. 6), прикреплёнными к установленным на плите 6 штатив-ным стойкам 18 и сориентированными своими торцами каждый параллельно плоскости соответствующего имитатора 3 лопатки. Кроме того, устройство содержит механизмы 19 вертикального перемещения рычагов 9 (рис. 5 и 6).

Способ испытания осуществляется следующим образом.

С помощью механизмов 19 и регулировочных гаек 15 придают рычагам 9 положение, обеспечивающее контакт самоустанавливающихся сегментных опор 11 с краями оснований хвостовиков имитаторов 3 лопаток, выступающих за боковые поверхности элемента 1 обода диска, устанавливают рычаги 9 в горизонтальное рабочее положение и таким образом прикладывают предварительное усилие к соседним пазам 4 элемента 1 обода, причём за счёт установки элемента 1 обода со смещением оси межпазового выступа в окружном направлении относительно предполагаемого центра вращения диска приложение нагрузки к элементу обода происходит под углом к оси межпазового выступа, что производит имитацию окружной составляющей газодинамических сил, действующих на лопатки. Устанавливают требуемые для возбуждения колебаний имитаторов 3 лопаток воздушные зазоры между плоскостью пакетов 5 пластин электротехнической стали и параллельными им торцами электромагнитов 17, питаемых переменным то-

Рис. 5. Схема установки для реализации способа

О

Рис. 4. Схема появления крутящего момента на межпазовом выступе

Установка для осуществления предлагаемого способа содержит элемент 1 обода диска с межпазовыми выступами 2 и имитаторами 3 лопаток, установленными в соседних пазах 4 элемента 1 обода диска и выступающими за его боковые поверхности (рис. 2, 3 и 4), при этом каждый имитатор 3 располагается так, чтобы выступающие с обеих сторон обода его части были равны одна другой. Элемент 1 обода диска с установленными в пазах 4 имитаторами 3 лопаток, на периферии которых крепятся пакеты 5 пластин электротехнической стали, монтируется к общей плите 6 с помощью планок 7 и 8 (рис. 5), причём установка элемента 1 обода производится со смещением оси межпазового выступа 2 в окружном направлении относительно предполагаемого центра вращения диска. Устройство также включает в себя расположенные симметрично относительно элемента 1 обода рычаги 9 на шарнирных опорах 10, установленные на общей плите 6, самоустанавливающиеся сегментные опоры 11 и 12, размещённые в передней части каждого из рычагов 9, соединённых

ком, частота которого изменяется звуковым генератором до совпадения с частотой собственных колебаний имитаторов 3 лопаток. Включают приводы 16 поступательного перемещения, которые воздействуют через упругие элементы 14, шарнирные стержни 13, рычаги 9 и самоустанавливающиеся сегментные опоры 12 и 11 на хвостовики имитаторов 3 лопаток и таким образом прикладывают к соседним пазам 4 усилия с величиной, равной центробежной силе двух лопаток и межпазового выступа, при этом к расположенным по одну сторону обода выступающим хвостовым частям имитаторов 3 соответствующим рычагом 9 прикладывают большее усилие, имитируя дополнительную нагрузку на межпазовый выступ от изгибающего момента, вызываемого действием на лопатки осевой составляющей газодинамических сил. Причём дополнительное усилие создают путём соответствующей настройки одного из приводов 16 поступательного перемещения.

Рис. 6. Вид сверху на установку

Предлагаемый способ позволяет воспроизводить в основании межпазового выступа необходимые величины радиальных и окружных напряжений от действия центробежных сил и равнодействующих изгибающих моментов, возникающих от воздействия как осевой, так и окружной составляющих газодинамической силы, дополнительные напряжения от взаимодействия совершающих колебания соседних лопаток с межпазовым выступом, контактные напряжения, действующие на контакт-

ные поверхности паза, крутящий момент Мк и дополнительную переменную составляющую ±Мк крутящего момента, возникающую в результате колебаний лопаток, поскольку в элементе 1 обода диска сохраняется наклонное расположение паза по отношению к боковым поверхностям элемента и на межпазовый выступ действуют постоянные Г и переменные ±АГ несоосные усилия, вызывающие его закрутку. Величина, соотношение и периодичность усилий, прикладываемых к элементу обода диска, задаются по программе, причём соотношение фаз и частот колебаний соседних имитаторов лопаток может регулироваться смещением пакета пластин электротехнической стали вдоль имитаторов лопаток и соответствующей регулировкой электромагнитов. Испытания ведутся до появления трещины, до достижения трещиной определённой величины или до полного разрушения образца.

Использование способа позволит приблизить условия испытаний лопаточных дисков турбомашин к эксплуатационным. Предлагаемый способ позволяет оценивать эффективность конструктивных и технологических мероприятий, направленных на повышение сопротивления усталости элементов обода диска, частично заменить длительные или эквивалентно-циклические испытания дисков в составе турбомашин.

Список литературы

1. Бауэр В.О., Биргер И.А., Шорр Б.Ф. Динамика авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1981. - 240 с.

2. Биргер И.А., Балашов Б.Ф. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1980. - 229 с.

3. Брагина Т.К., Ларичева Л.М. Исследование влияния эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов на несущую способность дисков турбин и компрессоров ГТД // Технический отчет ЦИАМ № 7781. - 31 с.

4. Балашов Б.Ф., Петухов А.Н. и др. Экспериментальное исследование прочности новых конструкционных материалов и деталей из них в условиях по-вышенной температуры, воздействия знакопеременных нагрузок, асимметрии цикла, эксплуатационных и технологических факторов// Технический отчет ЦИАМ №8392. -51с.

5. Писаренко Г.С., Козлов И.А. О несущей способности быстровращающихся дисков. - Госиздат тех. литературы. УССР. - Киев, 1962. - 48 с.

6. Секистов В.А., Войтко А.Г., Кузьмин С.Н. Газодинамический стенд для испытания на прочность крупногабаритных дисков газовых турбин /Прочность элементов роторов турбомашин. - Киев: Наукова думка, 1980. - 240 с.

¿БвМ 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2006

# 161 #

7. Степанов Н.В. и др. Живучесть дисков ГТД с трещинами// Пробл. прочности. - 1988. - №4. - С. 108-111.

8. О результатах исследования напряженного состояния диска I ступени КНД // Техничес -кий отчет п/о "Моторостроитель" № 2.4.82.36.041. - 32 с.

9. Брагина Т.К., Балашов Б.Ф. Особенности разрушений и образование трещин в дисках компрессоров при действии переменных напряжений // Пробл. прочности. - 1971. - №7. - С. 6977.

10. Степанов Н.В., Омельченко В.В., Шканов И.Н. Оптимизация управляющих процессов обработки дисков ГТД по критериям малоцикловой усталости и трещиностойкости// Надежность и долговечность машин и сооружений. -1985. -Вып. 8. - С. 99-103.

11. Балашов Б.Ф., Петухов А.Н. Усталостная прочность дисков газовых турбин / Прочность элементов роторов турбомашин. - Киев: Наук,

думка, 1980. -240 с.

12. А.с. 640171 СССР. Устройство для статического нагружения хвостовика лопатки турбомаши-ны / Степанов А.М., Ведищев А.Ф., Харин И.Г. Опубл. 1976. - Бюл.№48. - 2 с.

13. А.с. 507597 СССР. Устройство для испытания на прочность выступа диска турбомашины / Альперт В.Н., Апухтин Б.А., Цейтлин В.И. Опубл. 1976. - Бюл. №11. - 2 с.

14. А.с. 1159407 СССР. Устройство для испытания на прочность межпазовых выступов дисков турбомашин / Судницин Ф.С., Мекердичан Л.П., Степанов Н.В., Омельченко В.В. Опубл. 1984 - ДСП.

Поступила в редакцию 08.06.2006 г.

Представлено спос1б та установку для випробування елементу обода диску газотур-б'1нного двигуна.

The way and installation for test of the gas turbine engine a disk's rim element are submitted.