УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА НЕПРОБИВАЕМОСТЬ КОРПУСА ЛОПАТОЧНОЙ МАШИНЫ
DEVICE FOR TESTING BLADE MACHINE CASE FOR IMPENETRABILITY

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к испытанию корпуса ротора лопаточной машины на непробиваемость и исследованию ударного воздействия оборвавшийся лопатки ротора на корпус, где ротор выполнен дискового или барабанно-дискового типа с диском, изготовленным за одно целое с лопатками.
Исследование корпуса лопаточной машины на способность удерживать элементы конструкции ротора и его фрагментов в случае разрушения, а именно на непробиваемость корпуса, является одним из важных направлений его прочностных исследований. Поскольку при разрушении ротора или обрыве лопатки с его диска разлетающиеся элементы обладают огромной кинетической энергией, то при попадании наружу данные элементы способны нанести повреждения персоналу и оборудованию. Поэтому при проектировании современных лопаточных машин выдвигается условие непробиваемости их корпусов в случае обрыва лопаток роторов. По существующим нормам непробиваемость корпуса должна быть подтверждена экспериментально. Корпус должен удерживать лопатку при ее обрыве в районе корневого сечения.
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, а рабочую лопатку необходимо оборвать на заданных оборотах. При этом нелокализованный обрыв лопаток ведет к разлету обломков на большие расстояния. В связи с этим испытания корпуса на непробиваемость проводят, как правило, на специальных стендах в разгонных вакуумных камерах с непробиваемой защитой ее корпуса.
Поскольку лопатка имеет необходимый для работы запас прочности, то для ее обрыва на заданных оборотах ротора используют, например, подрезку лопатки в месте, где обрыв 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 проводят в несколько этапов, последовательно приближаясь к заданной частоте вращения, либо превышают заданную частоту вращения до обрыва лопатки, а затем проводят пересчет результатов. То и другое устройства не являются оптимальными, поскольку в первом случае трудоемкость испытаний возрастает в несколько раз, а именно требуется многократная переборка и балансировка роторов. Во втором случае энергия удара возрастает, и результаты испытаний будут недостоверны.
Известны устройство и способ испытаний корпуса на непробиваемость (Кузнецов Н.Д., Цейтлин B.И., Волков В.И. «Технологические методы повышения надежности деталей машин». М.: Машиностроение, 1993 г., стр.135), заключающиеся в подрыве корневого сечения лопатки зарядом взрывчатого вещества после раскрутки 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. Ударная волна нарушает ориентацию лопатки, ее траектория становится непредсказуемой, и лопатка попадает в корпус в неопределенном положении. Это существенно снижает достоверность результатов испытания. Кроме того, может произойти разрушение лопатки на отдельные фрагменты, энергия удара которых о корпус будет существенно ниже, чем у целой лопатки. В этом случае испытания не могут рассматриваться как достоверные.
Наиболее близким аналогом того же назначения по конструкции и способу ее работы, как и заявляемое техническое решение, является «Способ испытания корпуса на непробиваемость и устройство для его реализации», патент РФ №2176389 от 11.10.1999 г. Конструктивно устройство содержит размещенные в корпусе лопаточной машины последовательно соединенные ротор с лопатками, привод, систему управления частотой вращения ротора и датчик частоты вращения, к которым подсоединены сигнализатор обрыва лопатки и устройство ввода информации, вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения, причем одна из лопаток в зоне корневой части снабжена ослабляющей выемкой.
Недостаток данного устройства заключается в том, что у лопаточных машин с дисками, изготовленными за одно целое с лопатками, при выполнении выемки изменяется масса лопатки, и результаты испытаний становятся недостоверными. Кроме того, при большой густоте лопаточных решеток не имеется возможности доступа инструмента для выполнения ослабляющей выемки в корневой части лопатки, отобранной для испытания.
В основу изобретения положено решение задачи по проведению испытаний на непробиваемость корпуса лопаточной машины, содержащей диски, выполненные за одно целое с лопатками, и с большой густотой лопаточных решеток путем размещения ослабляющей выемки в диске в зоне корневой части испытуемой лопатки.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемое устройство для испытаний на непробиваемость корпуса лопаточной машины содержит размещенные в нем последовательно соединенные ротор с лопатками, привод и систему управления частотой вращения ротора, к которой присоединен сигнализатор обрыва лопатки и устройство ввода информации, вход которого соединен с выходами датчиков температуры и частоты вращения, причем одна из лопаток в зоне корневой части снабжена ослабляющей выемкой.
Новым в изобретении является то, что ротор выполнен дискового или барабанно-дискового типа с дисками, изготовленными за одно целое с лопатками. Ослабляющая выемка в зоне корневой части лопатки размещена в диске и имеет форму прямоугольного сквозного отверстия со скругленными углами и наружной стенкой в виде перемычки под лопаткой. Причем отверстие расположено вдоль хорды корневого сечения лопатки, а перемычка - перпендикулярно хорде, симметрично относительно центра тяжести ее корневого сечения.
Размещение в диске ослабляющей выемки в зоне корневой части испытуемой лопатки для дисков, изготовленных за одно целое с лопатками, имеющими большую густоту решетки, позволяет уменьшить механическую связь испытуемой лопатки с диском и смежными лопатками, не ослабляя их крепления к диску.
Выполнение ослабляющей выемки в форме прямоугольного сквозного отверстия со скругленными углами и наружной стенкой в виде перемычки под лопаткой вдоль хорды корневого сечения обеспечивает гарантированный обрыв одной из лопаток по заданному сечению при требуемой частоте вращения.
Расположение перемычки отверстия под корневым сечением лопатки перпендикулярно хорде, симметрично относительно центра тяжести ее корневого сечения обеспечивает отсутствие смещения центра тяжести лопатки после обрыва.
Существенные признаки изобретения могут иметь развитие и уточнение.
Запас прочности поперечного сечения перемычки под пером лопатки на рабочих оборотах не превышает величины 1,1, что обеспечивает гарантированный обрыв лопатки при потребной частоте вращения, которая не должна превышать номинальную частоту вращения более чем на 5-10%.
Длину перемычки отверстия под лопаткой (фиг.2, 3) определяют по соотношению:
где Е - модуль упругости материала лопатки;
J - момент инерции сечения перемычки;
f≤0.95Δ - величина допустимой деформации, где Δ - радиальный зазор между лопаткой и корпусом;
2
Р=mrω - центробежная сила от пера лопатки,
где m - масса пера лопатки;
r - радиус центра массы пера лопатки;
ω - частота вращения.
При этом длина А перемычки не должна превышать величины шага Т решетки лопаток: А≤Т.
Высоту Н ослабляющего отверстия (фиг.3) определяют исходя из технологических требований и необходимых для разрушения напряжений в месте примыкания лопатки к перемычке.
1
2
Величину радиусов R, R сопряжения перемычки с телом диска (фиг.2, 3) выбирают исходя из технологических соображений таким образом, чтобы создать дополнительную концентрацию напряжений в месте примыкания перемычки к диску.
Ширину В и толщину С перемычки (фиг.2, 3) выбирают таким образом, чтобы запас прочности перемычки отверстия в месте примыкания к перу лопатки на заданных рабочих оборотах вращения ротора находился в пределах 1,05-1,1 и позволял выполнять обрыв лопатки с учетом изгибных напряжений или напряжений среза. Это обеспечивает проведение испытаний на непробиваемость корпусов лопаточных машин в соответствии с требованиями нормативной документации.
Перемычка отверстия снаружи вдоль аэродинамических поверхностей лопатки с двух сторон может быть снабжена концентраторами напряжений в виде канавок. Наличие концентраторов напряжений позволяет обеспечить обрыв без существенного превышения частоты вращения в случае, когда обрыв лопатки не произошел при заданной частоте вращения ввиду значительного интервала механических свойств материала.
Запас прочности поперечного сечения для подрезанной перемычки под пером лопатки на рабочих оборотах не превышает величины 1,05-1,1 и позволяет выполнять обрыв лопатки с учетом изгибных напряжений и напряжений среза, что обеспечивает гарантированный обрыв лопатки при требуемой частоте вращения, которая не должна превышать номинальную частоту вращения более чем на 5-10%.
Таким образом, решена поставленная в изобретении задача испытания на непробиваемость корпуса лопаточной машины лопаткой при заданной частоте вращения с сохранением массы лопатки и отсутствием дополнительных воздействий, нарушающих чистоту эксперимента.
Обеспечивается проведение испытания на непробиваемость корпуса лопаточной машины, содержащей диск, выполненный за одно целое с лопатками с большой густотой лопаточной решетки, путем размещения ослабляющей выемки в диске в зоне корневой части испытуемой лопатки.
Настоящее изобретение поясняется следующим далее подробным описанием конструкции и работы устройства со ссылкой на фиг.1-4, где:
на фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для испытания корпуса лопаточной машины на непробиваемость;
на фиг.2 - вид сверху на конструкцию диска с лопатками и отверстием под лопаткой;
на фиг.3 - разрез И-И диска с лопаткой на фиг.2;
на фиг.4 - разрез К-К диска с лопаткой на фиг.2.
Устройство для испытаний на непробиваемость корпуса лопаточной машины (см. фиг.1) содержит последовательно соединенные корпус 1, ротор с лопатками 2, привод 3 и систему управления частотой вращения ротора 4, к которой присоединен сигнализатор обрыва лопатки 5 и устройство ввода информации 6, вход которого соединен с выходами датчиков температуры 7 и частоты вращения 8.
Под обрываемой лопаткой в диске 2 выполняют ослабляющую выемку, имеющую форму прямоугольного сквозного отверстия прямоугольного сечения со скругленными углами и наружной стенкой в виде перемычки под лопаткой, причем отверстие расположено вдоль хорды корневого сечения лопатки, а перемычка - перпендикулярно хорде. Размеры отверстия и перемычки выбираются таким образом, чтобы значение запаса прочности перемычки на рабочих оборотах не превышало величины 1,05-1,1. На ободе ротора устанавливают датчик температур 7. Ротор 2 подсоединяют к приводу 3. Устанавливают исследуемый корпус с обеспечением эксплуатационного зазора между ротором 2 и корпусом 1. На внутренней части корпуса 1 устанавливают сигнализатор обрыва лопатки 5.
На фиг.2-4 представлен ротор дискового типа 2, изготовленный совместно с лопатками, причем обрываемая лопатка в зоне корневой части снабжена ослабляющей выемкой.
Устройство работает следующим образом.
Перед испытанием в устройство ввода информации 6 вводят значения заданных допустимых температур обода ротора 2, заданную частоту вращения и режим быстрого выхода на эту частоту вращения.
Ротор 2 разгоняют с помощью привода 3 и системы управления частотой вращения 4 по режиму быстрого выхода на заданную частоту вращения. Далее система управления частотой вращения 4 обеспечивает поддержание заданной частоты вращения. При этом центробежная сила, действующая на лопатку ротора 2, создает изгибающий момент в месте примыкания перемычки к лопатке и основному материалу диска. Касательные напряжения в указанном сечении превышают допустимые, в результате чего происходит отделение лопатки с частью перемычки от диска и лопатка под действием центробежных сил ударяется в корпус. Сигнализатор обрыва лопатки 5 срабатывает и передает сигнал в систему управления частотой вращения 4. Указанная система обеспечивает управляемое быстрое снижение частоты вращения ротора 2 и его останов. Результаты испытаний оценивают комплексно по непробиваемости корпуса, его прочности и исследованиям его общего состояния.
При испытаниях датчиками температуры 7 и частоты вращения 8 осуществляется контроль заданных параметров. В случае если указанные значения превышают допустимые более чем на 0,5%, испытания останавливаются.
В случае отсутствия сигнала от сигнализатора обрыва 5 из-за разброса свойств материала возможно дальнейшее повышение частоты вращения в пределах 105-110% от номинального значения. В случае если подобного повышения частоты вращения оказывается недостаточно, ротор останавливают и выполняют подпиливание либо надрез перемычки с двух сторон глубиной до 0,5 мм и шириной до 1 мм снаружи вдоль аэродинамических поверхностей лопатки. Таким образом, создаются дополнительные концентраторы напряжений, способствующие обрыву лопатки при более низкой частоте вращения. Далее эксперимент повторяют.
При проведении указанных испытаний элементы предлагаемого устройства могут иметь различное исполнение. В качестве привода может использоваться электропривод, воздушная турбина, газотурбинный двигатель и т.д.
Решение технической задачи осуществляется с помощью предлагаемого изобретения в стендовых условиях.
При вращении ротора центробежная сила, действующая на лопатку, создает изгибные напряжения и напряжения среза в месте крепления лопатки к перемычке диска. Изменение характера напряженного состояния диска, выполненного за одно целое с лопатками, с учетом разброса механических свойств материала обеспечивает гарантированный управляемый обрыв лопатки по ее заданному сечению перемычки.
Устройство предлагаемого изобретения может применяться на предприятиях машиностроительной промышленности при прочностных и сертификационных испытаниях корпусов вентиляторов, компрессоров, турбин газотурбинных двигателей и других лопаточных машин.