СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ПОКРЫТИЙ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ НА ИЗНОС ИЛИ ПРИТИРАЕМОСТЬ
TEST BENCH FOR WEAR OR LAPPING TESTING OF ENGINE PART COATINGS

Изобретение относится к области высокоскоростных и высокотемпературных стендовых испытаний покрытий деталей двигателя на износ или притираемость и, в частности, на прирабатываемость турбины с лопатками к обечайке статора в газотурбинных двигателях.
Суть проблемы заключается в максимальном приближении стендовых испытаний к реальным условиям работы двигателя при минимальных затратах.
Известно устройство для испытания материалов на износ, содержащее основание, полый шпиндель с радиальными пазами для установки образцов, привод вращения полого шпинделя, обойму с закрепленным в ней контробразцом, узел нагружения, выполненный в виде направляющей, закрепленной на основании, пружины и роликов, контрольно-измерительную аппаратуру (СССР, авт. св-во №894457, G01N 3/56, публ. 30.12.1980 г.)
Недостатком данного устройства является то, что устройство не может обеспечить режим работы авиадвигателя в реальных условиях, а именно узел нагружения не может изменять усилие на трущиеся детали в процессе испытаний, а также создать усилие до 20000-40000 Н, в устройстве не предусмотрен нагрев до температуры 850°С, отсутствует охлаждение вращающегося полого шпинделя для имитации остановки двигателя при испытаниях, повышение линейной скорости полого шпинделя до реальной скорости 860 м/сек в месте контакта трущихся деталей требует больших материальных затрат.
Известно устройство для испытания материалов на трение и износ, содержащее привод вращения в виде высокомоментного электродвигателя, статор которого через подшипник соединен с полым ротором, в котором закреплен испытываемый диск, взаимодействующий с индентором, расположенным на закрепленной на статоре тензометрической балке, осуществляющей прижатие индентора к боковой поверхности диска за счет собственной упругости, а ее тензодатчик соединен с регистрирующим прибором (п. РФ №2279057, G01N 3/56, публ. 27.06.2006 г.).
Недостатком данного устройства является то, что оно не может обеспечить режим работы авиадвигателя в реальных условиях и, кроме того, проводить испытания, адекватные остановке двигателя.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является стенд для испытаний на износ и (или) истирание, включающий привод вращения, диск с лопатками, имитирующий работу ротора двигателя, имитатор обечайки, газовую горелку, регулятор усилия, датчики и контрольно-измерительную аппаратуру с программным управлением (см. информацию «Sulzer Metco (US) Jnc Mitchell Dorfman 1101 Prospect Auenue Westbury, NY 11590 USA от 2001 г.»).
Недостатком данного изобретения является то, что линейная скорость конца лопатки имитатора ротора двигателя достигает мах 410 м/сек, а в реальных условиях работы двигателя она - 880 м/сек при угловой скорости 7320-8400 об/мин, т.е. не выполняется главное условие работы трущихся поверхностей в зоне контакта - равенство угловых скоростей на стенде и в реальных условиях; площадь контакта при испытаниях трущихся поверхностей не совпадает с реальными условиями работы двигателя; имитатор обечайки под управлением шагового двигателя работает больше на срезание покрытия, а не на износ и стирание покрытия из-за отсутствия непрерывного контакта между лопаткой и образцом обечайки; не обеспечивает испытания покрытий деталей в самом опасном случае - при остановке двигателя в реальных условиях, когда ротор с лопатками разогрет до температуры 850°С и более, а обечайка под воздействием воздушного потока быстро охлаждается и возможно заклинивание в случае недостаточной приработки поверхностей лопатки и обечайки; стенд - крупногабаритный из-за приближения имитатора турбины к реальным размерам и требует больших затрат на проведение испытаний.
Технический результат изобретения заключается в значительном упрощении конструкции, расширении технологических возможностей.
Технический результат достигается тем, что в стенде для испытаний покрытий деталей двигателя на износ или притираемость, включающем привод вращения, имитатор диска с лопатками, имитатор обечайки, регулятор усилия, газовую горелку, датчик усилия, датчик температуры, датчик числа оборотов двигателя привода, датчик перемещений и контрольно-измерительную аппаратуру с программным управлением, имитатор обечайки выполнен в виде кольца с возможностью вращения, имитатор диска с лопатками выполнен в виде неподвижного имитатора центробежной силы с индентором, причем индентор имеет, по меньшей мере, один выступ дугообразной формы, выполненный индентично гребню бандажной полки лопатки, контактирующий с внутренней поверхностью кольца и с радиусом, равным внутреннему радиусу кольца, а длина дуги выступа индентора равна длине гребешка бандажной полки лопатки, имитатор центробежной силы выполнен в виде рычага, короткое плечо которого выполнено с каналами воздушного охлаждения, а один из каналов выполнен с перфорированной стенкой и предназначен для имитации режима остановки двигателя, длинное плечо рычага соединено через датчик усилия с регулятором усилия, горелка установлена с возможностью переноса пламени в зависимости от режима проводимых испытаний при содержании на инденторе более одного выступа, расстояния между которыми равны расстояниям между гребешками бандажной полки лопатки.
Выполнение имитатора обечайки в виде кольца с внутренним покрытием, выполненного из материала, идентичного материалу обечайки, с возможностью вращения, подобного вращению ротора с лопатками в реальных условиях, позволяет сохранить реальную скорость вращения при резком (в 10 раз) уменьшении габаритов привода вращения и размеров обечайки с дорогостоящим покрытием; проводить испытания покрытий деталей на любых режимах работы двигателя, в том числе и при остановке двигателя; эффективно проводить испытания на высокотемпературных режимах, так как диаметр кольца не превышает 100 мм; резко снизить материальные затраты.
Выполнение имитатора диска с лопатками в виде неподвижного имитатора центробежной силы с регулятором усилия позволяет имитировать в процессе испытаний центробежную силу прижатия лопаток ротора к обечайке статора в реальных условиях работы двигателя, которая изменяется от нуля до 20000-40000 Н, и уменьшить габариты стенда. Неподвижный имитатор центробежной силы может быть выполнен, например, в виде рычага, балки и т.п. с круглым или иным сечением (приведен вариант исполнения имитатора центробежной силы в виде рычага с круглым сечением плеча рычага).
Соединение длинного плеча рычага через датчик усилия с регулятором усилия повышает точность передаваемой нагрузки через индентор на кольцо, что максимально приближает испытания на стенде к реальным условиям.
Под индентором в данном случае понимается деталь, используемая при проведении испытаний, выступы которой имитируют гребешки бандажной полки лопатки и материал которой идентичен материалу лопатки. Таким образом, характеристики детали, полученные при испытании, будут аналогичны характеристикам материала лопаток в реальных условиях эксплуатации двигателя.
Индентор имеет, по меньшей мере, один выступ дугообразной формы, выполненный индентично гребню бандажной полки лопатки. Если индентор содержит более одного выступа, то расстояние между выступами будет равно расстоянию между гребешками бандажной полки лопатки. Контактирующая с кольцом поверхность выступа индентора представляет собой часть окружности, радиус которой равен внутреннему радиусу кольца, а длина дуги выступа индентора равна длине гребешка бандажной полки лопатки. При этом выбор формы и размера поверхности индентора, контактирующий с имитатором центробежной силы, зависит от формы и размера поперечного сечения имитатора. Выполнение индентора таким образом позволяет максимально приблизить испытания на стенде к реальным условиям работы газотурбинного двигателя. При этом стенд становится унифицированным для испытаний лопаток ротора всех типов.
Использование в одном из каналов перфорированной стенки для охлаждения кольца имитатора обечайки позволяет эффективно снимать высокую температуру с кольца. Обеспечивая при этом опасный режим остановки двигателя в реальных условиях.
Установка газовой горелки с возможностью переноса пламени в зависимости от режима проводимых испытаний позволяет быстро и эффективно нагревать место контакта индентора с кольцом либо только индентор при имитации режима остановки двигателя
Техническое решение поясняется следующими фигурами, где на фиг.1 схематично изображен стенд для испытаний покрытий деталей двигателя на износ или притираемость, на фиг.2 изображен один из вариантов исполнения индентора.
Стенд содержит (см. фиг.1) имитатор диска с лопатками 1, имитатор обечайки 2, газовую горелку 3, датчик усилия 4, регулятор усилия 5, датчики температуры, скорости вращения, перемещения и т.д. (на фиг.1 не показаны) и контрольно-измерительную аппаратуру с программным управлением (на фиг.1 не показаны). Имитатор диска с лопатками 1 закреплен на раме стенда и содержит имитатор центробежной силы 6 и индентор 7. Имитатор центробежной силы 6 выполнен в виде рычага, на коротком плече которого закреплен индентор 7, а длинное плечо рычага соединено через датчик усилия 4 с регулятором усилия 5. Кроме того, на коротком плече рычага расположены два канала А, соединяющие вход и выход сжатого воздуха для охлаждения кольца 8 имитатора обечайки 2, и канал Б с перфорированной стенкой для охлаждения кольца 8 в случае имитации режима остановки двигателя в реальных условиях. Регулятор усилия 5 снабжен кронштейном 9, который закреплен на раме стенда и содержит штуцер 10 для подвода сжатого воздуха. Имитатор обечайки 2 содержит кольцо 8 с внутренним покрытием и соединен с приводом вращения 11.
Газовая горелка 3 выполнена с возможностью переноса пламени горелки в зависимости от проводимых испытаний, а именно, если проводят высокоскоростные испытания, то пламя горелки направлено на нижнюю часть кольца 8, если испытания проводят в режиме остановки двигателя, то пламя горелки направлено на индентор 7.
Стенд для испытаний покрытий деталей двигателя на износ или притираемость работает следующим способом.
Индентор 7 закрепляют на коротком плече имитатора центробежной силы 6 и соединяют длинное плечо с регулятором усилия 5. Причем индентор выполнен с числом гребней, длиной гребней, расстоянием между гребнями соответственно реальной лопатки двигателя. Кольцо 8 с покрытием закрепляют в имитаторе обечайки 2. Два канала А подсоединяют на вход и выход сжатого воздуха для охлаждения. Канал Б подсоединяют на вход сжатого воздуха. Затем проводят испытания в одном из режимов:
1. Режим испытаний покрытий деталей двигателя на притираемость или износ:
Включают привод вращения 11 на малых оборотах, горелку 3 и подачу сжатого воздуха в канал А и в регулятор усилия 5, пламя горелки направляют на нижнюю часть кольца 8. Канал Б при этом закрыт. Регулятор усилия 5 через датчик силы 4 и длинное плечо рычага 6 передает усилие на индентор 7, прижимая его к кольцу 8 имитатора обечайки 2. По программе и в соответствии с реальным режимом работы газовой турбины автоматически меняются скорость вращения привода, температура в зоне контакта индентора 7 с кольцом 8 и усилие прижима.
2. Режим остановки двигателя (данный режим является самым опасным из-за того, что разогретый ротор с лопатками после его выключения охлаждается медленно, а обечайка статора охлаждается быстро под напором воздуха и прижимается (садится) на ротор). При этих испытаниях проверяется притираемость лопаток ротора к обечайке статора, для этого переносят пламя газовой горелки 3 на индентор 7 и включают подачу воздуха в канал Б, охлаждая кольцо 8. Затем по программе и в соответствии с реальным режимом работы газовой турбины автоматически меняют скорость вращения привода, температуру в зоне контакта индентора 7 с кольцом 8 и усилие прижима.
В процессе испытаний, в соответствии с выбранным режимом, с помощью соответствующей аппаратуры оценивают степень износа на притираемость покрытия, производят перерасчет результатов в зависимости от числа лопаток на роторе и длины окружности обечайки статора реального двигателя. В связи с многообразием лопаток по форме и размерам контакта в имитатор диска с лопатками 1 вставляют соответствующий индентор, унифицируя стенд для всех видов роторов и статоров.
Стенд для испытаний покрытий деталей двигателя на износ или притираемость обеспечивает таким образом максимальное приближение условий испытаний покрытий на стенде к реальным условиям работы двигателя, в том числе и при выключении его, значительное упрощение конструкции, испытание покрытий на газовых турбинах независимо от формы лопатки, скорости вращения турбины, ее размеров и высокотемпературных режимов.