Способ статических лабораторных испытаний деталей и узлов турбомашин и универсальное предохранительное устройство для его осуществления
METHOD FOR STATIC LABORATORY TESTING OF PARTS AND ASSEMBLIES OF TURBOMACHINES AND A UNIVERSAL SAFETY DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области лабораторных испытаний деталей и корпусов турбомашин с предохранительным устройством, в частности авиационного двигателестроения, а именно к методам статических и циклических испытаний деталей и корпусов турбомашин с сохранением их работоспособности после испытаний и конструкциям предохранительных устройств, применяемых в данных испытаниях.
Наиболее близким аналогом способа статических лабораторных испытаний деталей и узлов турбомашины является способ, описанный в патенте RU2650749 (кл. G01N 3/00, 11.09.2015). Известный способ статических лабораторных испытаний деталей и узлов турбомашины заключается в последовательном изменении уровня нагрузки от минимальной до максимальной и контроля нагрузки на каждой ступени нагружения, анализе процесса и прекращении нагружения до начального этапа разрушения объекта испытания.
Недостатком известного способа является отсутствие возможности физически исключить поломку объекта испытаний и/или стендового оборудования в процессе статических испытаний при условии нештатной работы системы нагружения, а именно, превышении системой нагружения максимальных усилий, требуемых в статических испытаниях, то есть отсутствие универсального предохранительного устройства, работающего по принципу «слабого звена» при разных прямолинейных усилиях разрыва силовой связи между объектом испытания и системой нагружения.
Наиболее близким аналогом универсального предохранительного устройства для статических испытаний деталей и узлов турбомашины является предохранительное устройство, описанное в словаре-справочнике по механизмам А.Ф. Крайнева (Москва, Машиностроение, 1987, с. 323-324). Известное предохранительное устройство выполнено в виде срезного штифта, соединяющего две детали.
Недостатком предохранительного устройства в прототипе является отсутствие универсальности его применения для различных усилий нагружения объекта испытаний и электронный принцип остановки испытаний, не позволяющий физически разорвать силовую связь между объектом испытаний и системой нагружения в случае ее нештатной работы.
Задачей заявленного изобретения является исключение недостатков прототипов и создание метода статических испытаний с исключением возможности поломки объекта испытания и/или лабораторного оборудования за счет применения универсального предохранительного устройства, обеспечивающего простой способ соединения с объектом испытаний и системой нагружения и позволяющего физически разрывать силовую связь между объектом испытаний и системой нагружения при требуемом усилии срабатывания.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, является обеспечение гарантированной работоспособности лабораторного оборудования и объекта испытаний после их завершения в случае нештатной работы системы нагружения, что повышает надежность получения требуемых результатов испытания и применяемого оборудования, а также сокращение сроков подготовки испытаний за счет применения универсального предохранительного устройства, не требующего отдельного процесса проектирования и производства для каждого конкретного испытания в зависимости от усилия срабатывания и способа соединения со смежными деталями.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе статических лабораторных испытаний деталей и узлов турбомашины последовательно изменяют уровень нагрузки от минимальной до максимальной и контролируют нагрузку на каждой ступени нагружения, анализируют процесс прекращения нагружения до начального этапа разрушения объекта испытания, по предложению определяют объект испытания из деталей и узлов турбомашины, в зависимости от необходимой нагрузки максимального усилия на объект испытания выбирают, по меньшей мере, одно прямолинейное средство нагружения для объекта испытаний, для каждого прямолинейного средства нагружения определяют максимальное предельное усилие, развиваемое им в испытании до начала разрушения объекта испытания, и максимально возможное усилие, которое прямолинейное средство нагружения может развить в случае сбоя его работы в процессе испытания до момента собственного разрушения, на основании вышеизложенного определяют средства нагружения, которые могут разрушить объект испытания в случае своей нештатной работы, устанавливают предохранительное устройство между средством нагружения каждого выбранного прямолинейного средства нагружения и объектом испытания так, чтобы силовая связь была обеспечена между объектом испытания и прямолинейным средством нагружения в процессе испытания при максимальном усилии и происходило срабатывание предохранительного устройства с физическим разрывом силовой связи до достижения предельного уровня усилия, после чего проводят испытание выбранного объекта.
Универсальное предохранительное устройство для статических испытаний деталей и узлов турбомашины с прямолинейным средством нагружения, выполнено в виде срезного штифта, соединяющего две детали, по предложению в качестве деталей предохранительного устройства используют корпус и втулку, выполненные в виде полых цилиндрических стаканов, причем втулка открытым концом установлена в полости корпуса с образованием телескопического соединения; в корпусе и втулке выполнены, по меньшей мере, две пары сквозных радиальных отверстий различного диаметра с возможностью установки в любую пару, по меньшей мере, одного срезного штифта соответствующего диаметра и длиной, превышающей внешний диаметр корпуса, пересекающих последний, при этом на корпусе и втулке со стороны донышка каждого выполнены средства соединения с ответными деталями. Устройство содержит два пояса пар сквозных радиальных отверстий, по две пары в каждом. Средство соединения с ответной деталью на втулке выполнено в виде цилиндрического выступа с внешней резьбой. Средство соединения с ответной деталью на корпусе выполнено в виде сквозного отверстия с внутренней резьбой. Ход телескопического соединения превышает максимально возможный ход прямолинейного средства нагружения. На концах каждого срезного штифта выполнено по одному радиальному отверстию под средство фиксации. На уровне контактных поверхностей телескопического соединения на каждом срезном штифте выполнены две наружные окружные проточки.
Определение объекта испытания из деталей и узлов турбомашины позволяет определить способ его соединения с предохранительным устройством для его установки между объектом испытаний и системой нагружения, что повышает надежность получения требуемых результатов испытания и применяемого оборудования.
Выбор в зависимости от максимального усилия на объект испытания, по меньшей мере, одного прямолинейного средства нагружения позволяет определить способ его соединения с предохранительным устройством для его установки между объектом испытаний и системой нагружения, что повышает надежность получения требуемых результатов испытания и применяемого оборудования.
Определение для каждого прямолинейного средства нагружения предельного усилия, развиваемого им в испытании до начала разрушения объекта испытания, и максимально возможного усилия, которое прямолинейное средство нагружения может развить в случае сбоя его работы в процессе испытания до момента собственного разрушения, позволяет определить требуемое усилие срабатывания предохранительного устройства в испытании, что повышает надежность получения требуемых результатов испытания и применяемого оборудования.
Определение средств нагружения, которые могут разрушить объект испытания в случае своей нештатной работы, позволяет определить какие из них требуют установки предохранительного устройства в силовую схему между ними и объектом испытания, что повышает надежность получения требуемых результатов испытания и применяемого оборудования.
Проведение анализа возможности повреждения или разрушения объекта испытания каждым прямолинейным средством нагружения в случае сбоя его работы в процессе испытания и/или для потери работоспособности лабораторного оборудования позволяет определить требуемое усилие срабатывания предохранительного устройства в испытании, что повышает надежность получения требуемых результатов испытания и применяемого оборудования.
Установка предохранительного устройства между каждым выбранным прямолинейным средством нагружения и объектом испытания таким образом, чтобы силовая связь была обеспечена между объектом испытания и прямолинейным средством нагружения в процессе испытания при максимальном усилии, и чтобы происходило срабатывание предохранительного устройства с физическим разрывом силовой связи до достижения предельного усилия, позволяет обеспечить срабатывание предохранительного устройства с физическим разрывом силовой связи до достижения усилия, достаточного для повреждения или разрушения объекта испытания и/или для потери работоспособности лабораторного оборудования, что повышает надежность получения требуемых результатов испытания и применяемого оборудования.
Подбор каждого предохранительного устройства на основании расчетных и экспериментальных данных таким образом, чтобы силовая связь была обеспечена между объектом испытаний и прямолинейным средством нагружения в процессе испытаний при максимальном усилии и чтобы происходило срабатывание предохранительного устройства с физическим разрывом силовой связи до достижения усилия, достаточного для повреждения или разрушения объекта испытания и/или для потери работоспособности лабораторного оборудования, позволяет повысить надежность получения требуемых результатов испытания и применяемого оборудования при дальнейшем проведении испытания.
Использование в качестве деталей предохранительного устройства корпуса и втулки, выполненных в виде полых цилиндрических стаканов, причем втулка открытым концом установлена в полости корпуса с образованием телескопического соединения; в корпусе и втулке выполнены, по меньшей мере, две пары сквозных радиальных отверстий различного диаметра с возможностью установки в любую пару, по меньшей мере, одного срезного штифта соответствующего диаметра и длиной, превышающей внешний диаметр корпуса, пересекающих последний, позволяет обеспечить силовую связь между объектом испытания и прямолинейным средством нагружения в процессе испытания при максимальном усилии, а также срабатывание предохранительного устройства с физическим разрывом силовой связи до достижения предельного усилия, что повышает надежность получения требуемых результатов испытания и применяемого оборудования. Также такая конструкция предохранительного устройства обеспечивает универсальность применения предохранительного устройства, то есть возможность его срабатывания при требуемом усилии для каждого испытания без отдельного процесса его проектирования и производства.
Выполнение на корпусе и втулке со стороны донышка по средству соединения с ответными деталями позволяет устанавливать предохранительное устройство между средством нагружения и объектом испытания в разных испытаниях, что обеспечивает универсальность применения предохранительного устройства, то есть возможность его срабатывания при требуемом усилии для каждого испытания без отдельного процесса его проектирования и производства.
Кроме того, выполнение в устройстве двух поясов пар сквозных радиальных отверстий, по две пары в каждом позволяет обеспечить возможность установки штифтов на разные усилия их среза, то есть на разные усилия срабатывания предохранительного устройства, что обеспечивает универсальность применения последнего.
Кроме того, выполнение средства соединения с ответной деталью на втулке в виде цилиндрического выступа с внешней резьбой обеспечивает один из самых распространенных способов соединения с ответными деталями, что обеспечивает универсальность применения предохранительного устройства.
Кроме того, выполнение средства соединения с ответной деталью на корпусе в виде сквозного отверстия с внутренней резьбой обеспечивает один из самых распространенных способов соединения с ответными деталями, что обеспечивает универсальность применения предохранительного устройства.
Кроме того, обеспечение хода телескопического соединения таким, что он превышает максимально возможный ход прямолинейного средства нагружения, исключает возможность нагрузить объект испытания после срабатывания предохранительного устройства, что повышает надежность получения требуемых результатов испытания и применяемого оборудования при дальнейшем проведении испытания.
Кроме того, выполнение на концах каждого срезного штифта по одному радиальному отверстию под средство фиксации позволяет исключить выпадание штифта из соответствующих радиальных отверстий на корпусе и втулке при подготовке и в процессе испытаний, что повышает надежность получения требуемых результатов испытания и применяемого оборудования при дальнейшем проведении испытания.
Кроме того, выполнение на уровне контактных поверхностей телескопического соединения на каждом срезном штифте двух наружных окружных проточек позволяет исключить повреждение поверхностей отверстий на корпусе и втулке в процессе испытаний, что повышает надежность применяемого оборудования при дальнейшем проведении испытания.
Сущность заявленного изобретения поясняется фиг. 1-4.
На фиг. 1 представлена схема частного случая реализации заявленного способа при испытании промежуточного корпуса турбомашины.
На фиг. 2 представлен продольный разрез универсального предохранительного устройства.
На фиг. 3 представлен поперечный разрез универсального предохранительного устройства по месту установки срезного штифта.
На фиг. 4 представлен срезной штифт с окружными канавками, выполненными в местах возможного среза.
В частном случае реализации, заявленный способ применен к испытанию податливости промежуточного корпуса авиационного газотурбинного двигателя, являющегося объектом испытания 1. Принципиальная схема относительного расположения лабораторного оборудования и объекта испытания представлено на фиг. 1. Средством прямолинейного нагружения в данном случае является гидроцилиндр 2 с установленным на его штоке датчиком силы 3. При этом в силовой схеме между гидроцилиндром 2 и объектом испытания 1 установлено универсальное предохранительное устройство 4. Исходными данными для данного испытания являлись значение максимального усилия на объект испытания 1, равное 11000 кгс, предельное усилие, равное 17500, максимальное усилие, которое может развить гидроцилиндр 2, равное 20000 кгс. Исходя из этих данных было выбрано усилие срабатывания универсального предохранительного устройства 4, то есть усилие разрушения срезного штифта, равное 15000 кгс. Расчетным путем был определен диаметр срезного штифта в местах среза. После штифты требуемой геометрии испытывают в лабораторных условиях для подтверждения их усилия разрушения. После получения положительных результатов проверочных испытаний приступают к испытаниям по схеме, представленной на фиг. 1.
В частном случае реализации универсальное предохранительное устройство 4 содержит корпус 5 и втулку 6, выполненные в виде полых цилиндрических стаканов. Причем втулка 6 своим открытым концом установлена в полости корпуса 5, образуя телескопическое соединение (фиг. 2). Также, в частном случае реализации, в корпусе 5 и во втулке 6 выполнены два пояса по де пары сквозных радиальных отверстий 7 различного диаметра таким образом, чтобы в них возможно было установить срезные штифты 8 соответствующего диаметра и длиной, превышающей внешний диаметр корпуса 5, для фиксации относительного перемещения корпуса 5 и втулки 6, что представлено на фиг. 3. При этом на последних, со стороны их донышек, выполнены средства соединения с ответными деталями. Соответственно на втулке 6 выполнен цилиндрический выступ 9 с внешней резьбой, а на корпусе 5 в донышке выполнено сквозное отверстие 10 с резьбой (фиг. 1). В частном случае реализации (фиг. 4) в срезном штифте 8, в его концах, выполнены сквозные отверстия 11 под элементы фиксации, например, проволоку 12. А также в области контактных поверхностей телескопического соединения выполнены две наружные проточки 13. В данном универсальном предохранительном устройстве 4 могут применяться срезные штифты 8 без проточек 13 (фиг. 3).
При испытаниях втулка 6 под действием усилия с гидроцилиндра 2 стремиться сместиться относительно корпуса 5. Этому препятствует срезной штифт 8. В случае достижения гидроцилиндром 2 предельного усилия происходит разрушение срезного штифта 8 и физический разрыв силовой связи между средством нагружения 2 и объектом испытаний 1, что обеспечивает сохранность последнего и лабораторного оборудования.
Настоящий способ испытаний позволяет за счет включения в силовую схему между прямолинейным средством нагружения 2 и объектом испытания 1 универсального предохранительного устройства 4 повышает надежность результатов испытания и лабораторного оборудования. Оригинальность конструкции универсального предохранительного устройства 4 позволяет использовать его для других подобных испытаний, что сокращает сроки их подготовки и обеспечивает требуемую надежность при их проведении.