Способ определения напряжений в колеблющейся лопатке
METHOD FOR DETERMINING VOLTAGES IN AN OSCILLATING BLADE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности турбостроения, и может быть использовано при поузловой доводке элементов ступеней турбомашин, а именно колес и лопаток.
Исследования и анализ напряженно деформированного состояния лопаток и колес газотурбинных двигателей необходимы для обеспечения их надежной работы.
Известен способ определения остаточных напряжений (JP 3940540, 2007), который включает в себя генерирование поверхностной волны путем приложения ударной нагрузки в окрестности контрольной точки на детали, в которой необходимо определить остаточные напряжения. Затем выявляют характеристики акустических волн в зависимости от наличия или отсутствия остаточных напряжений. Недостатками способа являются большие затраты времени для получения необходимых результатов, а также невозможность определения напряжений при динамических нагрузках.
Известен способ определения напряжений при статических нагрузках, когда при измерении рентгенографических постоянных исследуемого материала используется нагружающее устройство, в котором реализуется четырехточечный изгиб (EUROPEAN STANDARD EN 15305, August 2008 "Non-destructive Testing - Test Method for Residual Stress analysis by X-ray Diffraction"). В данном способе на исследуемом образце нагружающее устройство располагают в центре и с помощью рентгеновского дифрактометра производят необходимые измерения. К недостатку известного способа относится отсутствие возможности определять напряжения в исследуемом объекте при динамических нагрузках.
Наиболее близким аналогом является метод определения остаточных напряжений на неподвижном объекте, в частности, в лопатках турбин и компрессоров (Н.А. Яблокова «Анализ напряженно-деформированного состояния лопаток компрессора из сплава ВТ3-1 по рентгенодифракционным данным». В мире неразрушающего контроля, 4[58] декабрь 2012, стр. 42-44). Определение остаточных напряжений производится с использованием рентгеновского дифрактометра Xstress 3000 G3R. Определение составляющих напряжений на поверхности лопатки проводится в трех точках в направлениях измерения азимутного угла ϕ равного 0°, 45° и 90°. Недостатком данного метода являются большие затраты по времени получения окончательных результатов в виде распределения напряжений на поверхности лопатки. Кроме того, данный метод не позволяет определять напряжения в колеблющейся лопатке.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого способа, заключается в реализации возможности определения напряжения в колеблющейся лопатке, что упрощает и ускоряет процесс поузловой доводки элементов ступеней турбомашин.
Технический результат заключается в обеспечении бесконтактного определения напряжений в колеблющихся лопатках колес турбомашин.
Решение технической проблемы с достижением заявленного технического результата обеспечивается реализацией способа определения напряжений в колеблющейся лопатке, в котором задают частоту колебаний лопатки, поддерживают ее постоянной и на заданной частоте измеряют значения амплитуды колебаний в заданной точке лопатки, измеряют межплоскостное расстояние кристаллической решетки при нулевой и максимальной амплитудах колебаний в заданной точке лопатки с использованием рентгеноструктурного метода, используя результаты измерений вычисляют упругую деформацию и по величине упругой деформации определяют величину напряжения в заданной точке лопатки.
Настоящее изобретение поясняется подробным описанием способа определения напряжений в колеблющейся лопатке со ссылкой на фигуру, где представлена блок-схема, показывающая операции, выполняемые при осуществлении заявляемого способа.
На фигуре приняты следующие обозначения:
1 - программный блок;
2 - детектор рентгеновского излучения;
3 - блок синхронизации;
4 - акселерометр;
5 - блок отображения результатов обработки;
6 - вывод результатов на экран;
7 - сигнал для вычисления напряжений;
8 - блок вычисления спектра.
Способ определения напряжений в колеблющейся лопатке реализуется следующим образом. Задают частоту колебаний лопатки, поддерживают ее постоянной и на заданной частоте измеряют значения амплитуды колебаний в заданной точке лопатки. Измеряют межплоскостное расстояние кристаллической решетки при нулевой и максимальной амплитудах колебаний в заданной точке лопатки с использованием рентгеноструктурного метода. Используя результаты измерений вычисляют упругую деформацию и по величине упругой деформации определяют величину напряжения в заданной точке лопатки.
Для начала проведения измерения межплоскостных расстояний в кристаллической решетке в управляющем компьютере запускают программный блок 1, в которой заложены данные для управления блоком 3 синхронизации и блоком 8 вычисления спектра, сбором данных с детектора рентгеновского излучения, который находится в рентгеновском дифрактометре. Блок 3 синхронизации собирает и обрабатывает данные поступающие от программного блока 1 и с детектора 2 рентгеновского излучения. После обработки блок 3 синхронизации передает данные в блок 5 отображения результатов обработки и сигнал 7 для вычисления напряжений в блок вычисления напряжений (на чертеже не показан). Блок 8 вычисления спектра собирает и обрабатывает информацию, поступающую с акселерометра 4, установленного на лопатке. После обработки блок 8 вычисления спектра передает данные в блок 5 отображения результатов обработки. Далее блок 5 выводит на экран монитора 6 полученные данные от блока 8.
Задают частоту колебаний лопатки и поддерживают постоянной с помощью акселерометра, установленного на поверхности лопатки. На заданной частоте измеряют значения амплитуды колебаний в заданной точке лопатки.
При совершении колебательных движений лопатка испытывает упругую деформацию. Определение упругих напряжений основано на измерении межплоскостного расстояния кристаллической решетки и его относительного изменения. Для измерения межплоскостного расстояния кристаллической решетки используют уравнение Вульфа-Брэгга:
2dSinθ=nλ,
где
d - межплоскостное расстояние;
θ - угол падения рентгеновских лучей;
n - целое число (порядок отражения);
λ - длина волны характеристического рентгеновского излучения.
Основой рентгеноструктурного метода определения напряжений является то, что все атомные плоскости во всех кристаллитах материала одинаково ориентированные по отношению к действующим упругим силам, меняют свои межплоскостные расстояния. Это означает, что согласно формуле Вульфа-Брэгга увеличение или уменьшение величины межплоскостных расстояний приведет к уменьшению или увеличению угла θ, что повлечет за собой смещение измеряемой рентгеновской линии на рентгенограмме, полученной с образца, в котором наведены напряжения, по отношению к исходному состоянию. Для определения напряжений нужно получить отражение от одних и тех же плоскостей в исходном и напряженном состоянии.
Используя результаты измерений межплоскостных расстояний кристаллической решетки вычисляют упругую деформацию (ε) в плоскости съемки:
0
0
ε=(d-d)/d,
где
d - межплоскостное расстояние в напряженном состоянии;
0
d - межплоскостное расстояние в ненапряженном состоянии.
После вычисления упругой деформации, по ее величине определяют величину напряжения (σ) в заданной точке лопатки, согласно закону Гука
σ=Eε,
где
Е - модуль Юнга;
ε - упругая деформация.
Определение напряжений на лопатке производится за весь период колебаний, начиная с нулевой амплитуды колебаний в заданной точке лопатки. Далее из полученного массива данных выбираются значения, полученные при максимальной амплитуде колебаний.
Предложенный способ значительно ускоряет и упрощает процесс поузловой доводки элементов турбомашин при проведении испытаний, а также на этапе ремонта.