RU2724356C1 - Устройство для испытания на прочность замкового соединения диска турбомашины - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к турбомашиностроению, а именно к устройствам для испытания на прочность замковых соединений дисков турбомашин. Устройство состоит из имитатора обода диска с установленным в пазе имитатора обода диска имитатором хвостовика лопатки, выступающим за боковые поверхности имитатора обода диска, в каждом из которых выполнено не менее одного отверстия для приложения растягивающих усилий в вертикальном направлении, расположенных на своих осях симметрии. В имитаторе хвостовика лопатки указанное отверстие расположено выше паза имитатора обода диска. В имитаторе обода диска выполнены не менее пары отверстий для приложения растягивающих усилий в горизонтальном направлении, расположенных соосно и зеркально по обе стороны от паза имитатора обода диска. Технический результат: возможность исследовать широкий набор условий нагружения дисков ГТД, а также оценить эффективность тех или иных конструктивных мероприятий по критериям долговечности и циклической трещиностойкости при сложном напряженном состоянии. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к турбомашиностроению, а именно к устройствам для испытания на прочность замковых соединений дисков турбомашин. Заявленное устройство позволяет моделировать в процессе лабораторных испытаний эксплуатационные условия нагружения и поврежденность в критических зонах замковых соединений дисков турбомашин и может быть использован для определения их долговечности.

При решении задач длительной и эффективной эксплуатации ответственных элементов конструкций турбомашин на основе принципов безопасной повреждаемости возрастает вклад локальной дефектности в критических зонах. Это достигается посредством введения и использования новых характеристик и параметров сопротивления деформированию и разрушению материалов и элементов конструкций при статическом и циклическом термомеханическом нагружении на основе силовых и деформационных моделей накопления и развития повреждений [Shlyannikov V.N., Tumanov A.V. / The effect of creep damage formulation on crack tip fields, creep stress intensity factor and crack growth assessments // Frattura ed Integrita Strutturale, 41 (2017) P. 285-292]. Предлагаемые модели прогнозирования сопротивления деформированию и разрушению элементов конструкций при сложном напряженном состоянии в условиях термомеханического нагружения должны основываться на результатах фундаментальных аналитических расчетов, численных решений, а также результатах экспериментальных исследований. К основным результатам экспериментальных исследований можно отнести, в том числе установление закономерностей развития трещин в условиях, моделирующих эксплуатационные, на имитационных моделях.

Имитационное моделирование успешно используется при проектировании двигателей, моделировании испытаний агрегатов, диагностики состояния двигателей, при оценке эффективности конструктивно-технологических мероприятий и др. При этом эффективность решений во многом зависит от уровня адекватности самой имитационной модели. Предложен подход [Shlyannikov V.N., Iltchenko В.V., Stepanov N.V. / Fracture analysis of turbine disks and computational-experimental background of the operational decisions. // Eng. Failure Analysis 8, (2001) P. 461-475], заключающийся в испытании моделей, воспроизводящих основные повреждающие факторы дисков ГТД в процессе работы на двигателе.

Основная идея имитационного моделирования заключается в том, что испытаниям подвергается имитационный образец, непосредственно вырезанный из исследуемой конструкции. Благодаря этому в образце целенаправленно сохраняется вся наследственная информация о внутренней поврежденности и состоянии внешней поверхности в зависимости от срока и условий эксплуатации и возможно. Испытания подобных имитационных моделей могут решить проблему оценки долговечности дисков ГТД при назначении им индивидуального ресурса.

Бывают случаи, когда имитационные испытания необходимы для апробации новых моделей накопления и развития повреждений, методов прогнозирования долговечности элементов конструкций, так как на стандартных образцах невозможно реализовать сложное напряженное состояние, которое часто наблюдается в элементах газотурбинного оборудования, имеющего различные конструктивные концентраторы напряжений. В этом случае допускается изготовление имитационной модели из конструкционного материала элемента конструкции строго по чертежам завода-изготовителя.

Испытания имитационных моделей, геометрия которых определяется в соответствии с теорией подобия по данным анализа МКЭ, являются переходной ступенью, позволяющей связать свойства конструкции со свойствами материала и, вместе с тем, являются основным видом испытаний при оценке эффективности конструктивно-технологических мероприятий перед внедрением их в профиль двигателя.

Из [SU 1741008 А1, 15.06.1992] известен способ испытания на прочность элемента обода лопаточного диска турбомашины, имеющего пазы для размещения лопаток и межпазовые выступы, использованием имитаторов лопаток, которые размещают в двух соседних пазах элемента обода, прикладывают к каждому имитатору осевое усилие, равное центробежной силе лопатки и межпазового выступа и имитируют окружную составляющую силы газового потока путем приложения нагрузки к элементу обода диска под углом к оси межпазового выступа и имитируют окружную составляющую силы газового потока путем приложения нагрузки к элементу обода диска под углом к оси межпазового выступа, особенностью которого является то, что с целью приближения условий испытания к эксплуатационным путем имитации осевой составляющей силы газового потока, при этом используют имитаторы лопаток, ширина хвостовой части которых превышает длину межпазового выступа, каждый имитатор размещают в пазу так, чтобы выступающие с обеих сторон обода его части были равны одна другой, приложение осевого усилия, равного центробежной силе лопатки и межпазового выступа, осуществляют к выступающим хвостовым частям каждого имитатора и прикладывают дополнительные равные по величине нагрузки к расположенным по одну сторону обода выступающим хвостовым частям соответствующих имитаторов, а направление дополнительных нагрузок совпадает с направлениями соответствующих осевых усилий. При этом обеспечивается возможность имитации многоцикловой вибрационной нагрузки. Однако модель не воспроизводит окружные напряжения от центробежной силы и не позволяет реализовать изменяемую степень двухосности напряжений, связанную с варьированием режимов эксплуатации дисков турбомашин.

В [RU 2511214 С2, 10.04.2014] раскрыт способ определения долговечности дисков турбомашин с использованием элемента обода диска путем моделирования в процессе стендовых испытаний эксплуатационных условий нагружения и поврежденности в критических зонах дисков турбомашин. При осуществлении способа в верхнем крепежном отверстии элемента обода диска создают контактные напряжения, нагружают элемент обода диска повторяющимися циклическими растягивающими усилиями, последовательность повторяющихся циклических растягивающих усилий задают в виде нарастающих ступенчатых циклов, воспроизводящих график набора оборотов турбомашины от пуска из холодного состояния до ее остановки. Каждая ступень нагружения сопровождается определенной выдержкой нагрузки по времени. Воспроизводят место возникновения и траекторию роста трещины в критических зонах дисков турбомашин, наблюдаемую при эксплуатации. Фиксируют количество циклов нагружения до разрушения элемента обода диска. Недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет проводить испытания дисков турбомашин, замковые соединения которых представляют собой сочетание хвостовика лопатки и торцевых пазов на ободе диска, в которых устанавливаются лопатки.

В [US 6250166 B1, 26.06.2001] предложены устройство - имитационная модель и способ испытания на прочность замкового соединения типа «ласточкин хвост». Модель состоит из лопатки и диска турбомашины, соединенных замковым соединением «ласточкин хвост», которые согласно способу подвергают циклическим нагрузкам, моделируют смещение лопатки относительно диска турбины при воздействии температуры. Описанные в данном источнике имитационная модель и способ направлены на определение долговечности лопатки, а не диска турбомашины, в связи с чем предложенные решения не могут быть использованы для оценки долговечности диска.

Известно [RU 153512 U1, 20.07.2015] устройство для испытания на прочность лопаточного диска турбомашины с вильчатым соединением, содержащее тяги, предназначенные для связи с захватами испытательной машины и с элементом обода диска посредством заклепок, предназначенных для размещения в крепежных отверстиях элемента обода диска, отличающееся тем, что устройство содержит четыре планки - верхнюю и нижнюю, расположенные горизонтально параллельно друг другу, правую и левую, расположенные вертикально параллельно друг другу и перпендикулярно верхней и нижней планкам, причем верхняя планка содержит пять отверстий равномерно отстоящих друг от друга, нижняя, правая и левая планки содержат по три отверстия, равномерно отстоящих друг от друга, при этом отверстия, расположенные справа и слева от центрального отверстия верхней планки, а также центральные отверстия нижней, правой и левой планок предназначены для соединения и передачи усилий от соответствующих захватов двухосной испытательной машины; центральная тяга, шарнирно соединенная с центральным отверстием верхней планки и другим концом с заклепкой, предназначенной для размещения в верхнем центральном крепежном отверстии элемента обода диска, расположена вертикально, перпендикулярно верхней планке - по оси симметрии устройства; верхняя и левая планки соединены между собой через первый трехзвенник, представляющий собой три тяги объединенные одним общим шарниром, первая тяга первого трехзвенника соединена с заклепкой, предназначенной для размещения в верхнем левом крепежном отверстии элемента обода диска, вторая тяга первого трехзвенника соединена с крайним левым отверстием верхней планки, третья тяга первого трехзвенника соединена с верхним отверстием левой планки, при этом первая тяга первого трехзвенника расположена под заданным углом α, отсчитываемым против часовой стрелки относительно вертикальной оси устройства, проходящей через центр общего шарнира первого трехзвенника, вторая тяга первого трехзвенника расположена под заданным углом α, отсчитываемым по часовой стрелке относительно указанной оси, третья тяга первого трехзвенника расположена под заданным углом α, отсчитываемым против часовой стрелки относительно горизонтальной оси устройства, проходящей через центр общего шарнира первого трехзвенника; нижняя и левая планки соединены между собой через второй трехзвенник, представляющий собой три тяги, объединенные одним общим шарниром, первая тяга второго трехзвенника соединена с заклепкой, предназначенной для размещения в нижнем левом крепежном отверстии элемента обода диска, вторая тяга второго трехзвенника соединена с крайним левым отверстием нижней планки, третья тяга второго трехзвенника соединена с нижним отверстием левой планки, при этом первая тяга второго трехзвенника расположена под заданным углом α, отсчитываемым по часовой стрелке относительно вертикальной оси, проходящей через центр общего шарнира второго трехзвенника, вторая тяга второго трехзвенника расположена под углом ψ, отсчитываемым против часовой стрелки относительно указанной оси, при этом угол ψ определяется по формуле:

третья тяга второго трехзвенника расположена под заданным углом α, отсчитываемым по часовой стрелке относительно горизонтальной оси, проходящей через центр общего шарнира второго трехзвенника; третий трехзвенник, представляющий собой три тяги, объединенные одним общим шарниром, и соединяющий верхнюю и правую планки, а также четвертый трехзвенник, представляющий собой три тяги, объединенные одним общим шарниром, и соединяющий нижнюю и правую планки, смонтированы симметрично первому и второму трехзвенникам соответственно относительно оси симметрии полезной модели, проходящей через центр центральных отверстий верхней и нижней планок.

Патентом [RU 2579170 C1, 10.04.2016] защищается устройство для испытания на прочность лопаточного диска турбомашин с вильчатым соединением. Устройство содержит тяги, предназначенные для связи с захватами испытательной машины и с элементом обода диска посредством заклепок, предназначенных для размещения в крепежных отверстиях элемента обода диска, четыре планки - верхнюю и нижнюю, расположенные горизонтально параллельно друг другу, правую и левую, расположенные вертикально параллельно друг другу и перпендикулярно верхней и нижней планкам, причем верхняя планка содержит пять отверстий, равномерно отстоящих друг от друга, нижняя, правая и левая планки содержат по три отверстия, равномерно отстоящих друг от друга, при этом отверстия, расположенные справа и слева от центрального отверстия верхней планки, а также центральные отверстия нижней, правой и левой планок предназначены для соединения и передачи усилий от соответствующих захватов двухосной испытательной машины.

Последние два предлагаемых устройства позволяют воспроизводить напряженно-деформированное состояние (НДС), соответствующее НДС вильчатого замкового соединения диска турбины при его работе в составе турбоагрегата, одновременно в области трех верхних крепежных отверстий элемента обода диска. Однако устройства не подходят для испытания на прочность других видов замковых соединений диска.

Наиболее близким к заявляемому устройству для испытания на прочность замкового соединения диска турбомашины является имитационная замкового соединения диска компрессора газотурбинного двигателя, описанная в статье [P.P. Яруллин, И.С. Иштыряков / Разработка и численное обоснование имитационной модели замкового соединения диска компрессора ГТД // Труды Академэнерго - 2018 - №4 - С. 89-99]. В статье описаны разработка и численное обоснование имитационной модели замкового соединения диска компрессора газотурбинного двигателя, предназначенной для выполнения натурных испытаний на серво-гидравлическом стенде. Оснастка стенда и имитационная модель спроектированы таким образом, чтобы обеспечить воспроизведение основных силовых факторов эксплуатационного нагружения при испытаниях. В качестве имитационной модели рассмотрена конструкция с одним пазом под лопатку типа «ласточкин хвост» с контрольной зоной в области радиусных сопряжений. Имитационная модель диска компрессора ГТД состоит из двух деталей - имитационной модели диска (имитатора диска) и имитатора хвостовика лопатки. Имитатор диска представляет из себя прямоугольный параллелепипед и выполнен из титанового сплава ВТ3-1. Геометрия имитатора хвостовика лопатки полностью воспроизводит геометрию паза под лопатку. Он должен быть изготовлен из высокопрочной стали с твердостью не менее 50 HRC. Обе детали имитационной модели имеют возможность шарнирного крепления к нагружающим элементам испытательной машины, что исключает влияние возможной несоосности линии нагружения на результаты испытаний. К основанию модели прикладывается жесткая заделка, а нагружение в виде одноосного растяжения происходит посредством имитатора хвостовика лопатки, геометрия которого полностью воспроизводит геометрию паза под лопатку. При проведении на серво-гидравлическом стенде испытания на прочность замкового соединения диска компрессора ГТД к имитационной модели прикладывают предварительно рассчитанную и соответствующую эксплуатационной величину нагружения в виде одноосного (вертикального) растяжения имитатора хвостовика лопатки имитационной модели до полного разрушения. Долговечность замкового соединения диска компрессора ГТД определяют, как количество циклов нагружения с начала испытаний до полного разрушения. Предложенная имитационная модель позволяет определить характеристики долговечности замкового соединения диска компрессора на стадиях образования трещин в условиях повышенных температур и переменного характера нагружения, связанного с изменением параметров двигателя в процессе типового полета.

Существенным недостатком этой модели и способа с ее использованием является то, что они не воспроизводят траекторию роста трещины, наблюдаемую при эксплуатации диска, и не позволяют реализовать изменяемую степень двухосности напряжений, связанную с варьированием режимов эксплуатации дисков турбомашин.

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является возможность более точного моделирования в процессе лабораторных испытаний эксплуатационных условий нагружения и поврежденности в замковых соединениях дисков турбомашин.

Задачей заявленного изобретения является создание нового устройства для испытания на прочность замкового соединения диска турбомашины - имитационной модели, позволяющей определить характеристики долговечности замкового соединения, точное воспроизведение места возникновения, траектории и скорости роста трещины, а также расширяющей арсенал средств указанного назначения.

Техническим результатом изобретения является точный численный расчет критической зоны образования трещины в замковом соединении дисков турбомашин, а также значений создаваемых двухосностных напряжений, - не только вертикальными, как в прототипе, но и горизонтальными растягивающими усилиями, которые затем прикладываются к имитационной модели замкового соединения при определении характеристик его долговечности, позволяя более адекватно смоделировать эксплуатационные условия работы диска турбомашины. Технический результат изобретения также состоит в расширении арсенала известных устройств для испытания на прочность замкового соединения диска турбомашины.

Задача решается, и технический результат достигается заявляемым устройством для испытания на прочность замкового соединения диска турбомашины, представляющим собой имитационную модель замкового соединения диска турбомашины, состоящую из имитатора обода диска с установленным в пазе имитатора обода диска имитатором хвостовика лопатки, выступающим за боковые поверхности имитатора обода диска, в каждом из которых выполнено не менее одного отверстия для приложения растягивающих усилий в вертикальном направлении, расположенных на своих осях симметрии, причем в имитаторе хвостовика лопатки указанное отверстие расположено выше паза имитатора обода диска, характеризующимся тем, что в имитаторе обода диска выполнены не менее пары отверстий для приложения растягивающих усилий в горизонтальном направлении, расположенных соосно и зеркально по обе стороны от паза имитатора обода диска.

В имитаторе обода диска может быть выполнено технологическое отверстие, которое имитирует компенсационное отверстие в полотне диска компрессора. Технологическое отверстие в заявленном устройстве выполняют при его наличии в диске турбомашины, для более точного воспроизведения конструкции рассматриваемого диска.

Заявляемое устройство может быть использовано для определения прочностных характеристик замкового соединения дисков турбомашин, которые представляют собой сочетание хвостовика лопатки и торцевых пазов на ободе диска, в которые устанавливаются лопатки.

Предлагаемое устройство - имитационная модель замкового соединения типа «ласточкин хвост» с указанием схемы нагружения представлена на фигуре 1. Имитационная модель представляет собой имитатор обода диска 1 с имитатором хвостовика лопатки 2, установленным в пазе 3 имитатора обода диска 1. Имитатор хвостовика лопатки 2 выступает за боковые поверхности имитатора обода диска 1. Это сделано с точки зрения прочности хвостовика. В имитаторе обода диска 1 выполнены не менее пары отверстий 4 для приложения растягивающих усилий в горизонтальном направлении, расположенных соосно и зеркально по обе стороны от паза 3 имитатора обода диска 1 (на фигуре 1 показана модель с двумя парами отверстий для приложения горизонтальной нагрузки). В имитаторе хвостовика лопатки 2 выше паза 3 имитатора обода диска 1 для приложения к имитационной модели вертикальной нагрузки выполнено не менее одного отверстия 5. Соосно с ним на оси симметрии имитатора обода диска 1 выполнено отверстие 5 для приложения вертикальной нагрузки. Количество, расположение и диаметр отверстий 4 и 5 спроектированы на основе прочностного и численного анализа имитационной модели обода диска 1 таким образом, чтобы не оказывать влияние на зону концентрации напряжений и исключить разрушение имитационной модели обода диска 1 в местах крепления [стр. 167, К.А. Басов. ANSYS в примерах и задачах, ООО «КомпьютерПресс». Москва - 2002 г. 224 с.]. Технологическое отверстие 6 в имитационной модели обода диска 1 выполняют при его наличии в конструкции рассматриваемого диска турбомашины, диаметр и расположение которого спроектированы в соответствии с условиями подобия механических испытаний [см. стр. 21, B.C. Золотаревский. Механические свойства металлов. Изд-во Металлургия. Москва. - 1983 г. - 352 с.].

Для изготовления элементов заявленного устройства используют материалы, из которых выполнены элементы конструкции натурного диска турбомашины.

Заявленную имитационную модель проектируют на основе численного анализа методом конечных элементов (МКЭ), для этого проводят МКЭ анализ полноразмерного диска с лопатками.

Отличием от прототипа заявленной имитационной модели является то, что при ее проектировании учитывают не только вертикальную, но горизонтальную нагрузку, вводя дополнительную характеристику, что обеспечивает максимальное подобие напряженно-деформированного состояния (НДС) в контрольных зонах имитационной модели при проведении испытаний и при эксплуатации реальной конструкции, а также в связанных с этим конструкционных особенностях заявляемого устройства - наличия парных отверстий 4 в имитаторе обода диска 1 для приложения растягивающих усилий в горизонтальном направлении. При этом при испытаниях на прочность замкового соединения диска турбомашины с использованием предлагаемой имитационной модели реализуется недостигаемая в прототипе изменяемая степень двухосности напряжений, связанная с варьированием режимов эксплуатации дисков турбомашин.

Реализация предложенного технического решения осуществляется следующим образом.

Создают оригинальную имитационную модель замкового соединения диска турбомашины, которая точно воспроизводит геометрию замкового соединения и включает в себя имитатор обода диска и имитатор хвостовика лопатки.

По аналогии с прототипом расчетным методом определяют критическую зону образования трещины в замковом соединении и значения растягивающих усилий. Численные расчеты при этом можно поделить на два этапа.

Первый этап необходим для определения зон концентрации напряжений во всем диске компрессора газотурбинного двигателя (ГТД). Именно в зонах концентрации напряжений со временем происходит накопление и рост повреждений в виде трещин. Рассчитывают максимальные действующие напряжения в этой зоне.

Напряженно-деформированное состояние в критической зоне имитационной модели оценивают по обобщенным параметрам интенсивности упругопластических напряжений и деформаций по формулам:

где σ_е - эквивалентные напряжения, ε_е - эквивалентные деформации, σ_хх, σ_yy, σ_zz - компоненты нормальных напряжений, σ_ху, σ_yz, σ_zx - компоненты сдвиговых напряжений, ε_хх, ε_yy, ε_zz - компоненты нормальных дефомаций, ε_ху, ε_yz, ε_zx - компоненты сдвиговых деформаций.

Для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) полноразмерной модели диска с лопатками проводят численный расчет методом конечных элементов (МКЭ) [Yarullin R.R., Zakharov А.P., Ishtyryakov I.S., Nonlinear fracture resistance parameters for cracked aircraft GTE compressor disk. Procedia Structural Integity 2018, 13, 902-907].

Второй этап численных расчетов связан с моделированием имитационной модели замкового соединения и определением вертикальной Р₁ и горизонтальной Р₂ нагрузок, которые необходимо приложить к ней для того, чтобы напряжения в зоне концентрации имитационной модели замкового соединения были эквивалентны напряжениям, действующим в зоне концентрации напряжений диска компрессора ГТД, исходя из условий работы исследуемой конструкции.

Полученные значения нагрузок Р₁ и Р₂ прикладывают в виде последовательно повторяющихся циклов, которые моделирует эксплуатационные условия работы диска турбомашины.

Для этого устанавливают оснастку нагружения в захваты двухосной испытательной машины, которая формирует двухосное растягивающее усилие, закрепляют в оснастке нагружения заявляемую имитационную модель замкового соединения диска турбомашины, распределяют нагрузку от испытательной машины на крепежные элементы имитатора обода диска и имитатора хвостовика лопатки, создают контактные напряжения, расчетные значения которых определены ранее, на контактных поверхностях имитатора обода диска и имитатора хвостовика лопатки, задают последовательность повторяющихся циклических растягивающих горизонтальных и вертикальных нагрузок, отношение которых равно величине центробежной силы лопатки и обода диска. В результате в критической зоне имитационной модели замкового соединения диска турбомашины образуется трещина, наблюдают за местом ее возникновения и траекторией, а также фиксируют количество циклов нагружения элемента обода диска до разрушения.

Таким образом, при использовании заявляемой имитационной модели точно воспроизводится место возникновения и траектория роста трещины, получаемые при приложении циклических растягивающих горизонтальных и вертикальных нагрузок, отношение которых равно величине центробежной силы лопатки и обода диска, наблюдаемые при эксплуатации замковых соединений, которые представляют собой сочетание хвостовика лопатки и торцевых пазов на ободе диска, в которые устанавливаются лопатки. Исходя из количества циклов нагружения имитатора обода диска до разрушения определяют долговечность замкового соединения диска турбомашины. Скорость роста трещины da/dN вычисляется как отношение приращения длины трещины da (мм) за соответствующее приращение количества циклов нагружения dN.

Заявляемое устройство для испытания на прочность замковых соединений дисков турбомашин проиллюстрировано следующим примером реализации технического решения.

Известно, что концентратором напряжений и местом образования эксплуатационных повреждений в диске компрессора ГТД является локальная область радиусных сопряжений паза под лопатку. Согласно данным, описанным в [Омельченко, В.В. Моделирование повреждаемости и исследование долговечности дисков ГТД / В.В. Омельченко, Н.В. Степанов, В.Н. Шлянников, Ф.С. Судницин // Надежность и долговечность машин и сооружений. 1988, 13, 42-48] трещины в диске компрессора могут с равной вероятностью развиваться с любого паза. Анализ, проведенный в работе [Yarullin R.R., Zakharov А.Р., Ishtyriakov I.S. Nonlinear fracture resistance parameters for cracked aircraft GTE compressor disk / Procedia Structural Integrity 2018, 13, 902-907], показал, что основным нагружающим фактором диска компрессора является центробежная нагрузка, как от вращения самого диска, так и нагрузка от вращения пакета лопаток, передаваемая через замковые соединения. Таким образом, в качестве имитационной модели замкового соединения можно рассмотреть конструкцию с одним пазом под лопатку типа «ласточкин хвост» с контрольной зоной в области радиусных сопряжений.

На основе описанных выше расчетов создают имитационную модель замкового соединения типа «ласточкин хвост» диска компрессора высокого давления (КВД) ГТД Д-36. Имитационную модель обода диска проектируют на основе численного анализа методом конечных элементов (МКЭ), для этого проводят МКЭ анализ полноразмерного диска с лопатками с использованием программного комплекса ANSYS [ANSYS mechanical APDL theory reference release 14.5. ANSYS, Inc., Southpointe, 275 Technology Drive, CanonBurg, PA. 2012]. Входными данными для МКЭ анализа полноразмерного диска являются марка материала диска и лопаток: титановый сплав ВТ3-1 для диска и сталь 40Х для лопаток; и условия эксплуатации: частота вращения диска 1000 с^-1, температура 23°С. Геометрия полноразмерного диска с лопатками повторяет чертежи натурной конструкции. МКЭ анализ полноразмерной модели диска с лопатками определяет НДС диска. При формировании расчетной схемы использовались 20-ти узловые квадратичные объемные элементы SOLID 95. Перемещения радиальных сечений диска, соответствующие плоскостям YOZ и XOZ были ограничены по нормали. При таком приложении граничных условий выполняются условия циклической симметрии, позволяющие перейти от полноразмерной модели к ее части в виде четверти диска. Ступичная часть диска была ограничена в перемещениях вдоль оси вращения.

Из результатов МКЭ анализа следует, что самой высоконагруженной зоной диска является радиусное сопряжение в замковом соединении диска и лопатки, так как в этой области реализуются напряжения, превышающие предел текучести материала. Таким образом, в данном радиусном сопряжении стенки и донышка паза возникают зоны пластических деформаций, что в совокупности с переменным характером работы двигателя во время эксплуатации ведет к накоплению повреждений, приводящих к образованию и развитию микро- и макротрещин. Задача имитационной модели - воспроизвести данную зону концентрации напряжений.

Выбор геометрии имитационной модели осуществляют на основе сравнительного анализа НДС зон концентрации напряжений в имитационной модели обода диска и полноразмерного диска, с учетом влияния конструктивных элементов диска. Габаритные размеры и форма внешних обводов имитационной модели выбрана с точки зрения технологичности ее изготовления. Взаимное расположение и геометрические параметры крепежных отверстий проектируют на основе прочностного и численного анализа имитационной модели обода диска таким образом, чтобы не оказывать влияние на зону концентрации напряжений и исключить разрушение имитационной модели обода диска в местах крепления. Ширина имитатора хвостовика лопатки подбирается на основании прочностного расчета, так чтобы номинальные напряжения, действующие в хвостовике, были существенно ниже предела текучести материала. Имитатор хвостовика изготовлен из стали марки 40Х, предел текучести которой составляет 1006 МПа. Максимальная интенсивность напряжений в имитаторе хвостовика лопатки 368,8 МПа.

Величина усилий для испытания имитационной модели с толщиной, равной толщине натурного обода диска, превышает максимальное усилие, которое позволяет задавать двухосная испытательная машина. Поэтому толщина имитационной модели обода диска уменьшена в соответствии с условиями подобия механических испытаний [см. стр. 21, B.C. Золотаревский. Механические свойства металлов. Изд-во Металлургия. Москва. - 1983 г. - 352 с.].

Следующим этапом работы является проектирование имитационной модели замкового соединения и подготовка рабочих чертежей для ее дальнейшего изготовления. Изготавливают две детали: имитатор обода диска и имитатор хвостовика. Марки материалов для изготовления имитационной модели обода диска и имитатора хвостовика следующие: титановый сплав ВТ3-1 (ГОСТ 26492-85) и сталь 40Х (ГОСТ 7417-75), соответственно.

Изготовленную имитационную модель при помощи шпилек крепят посредством отверстий 4 и 5 в оснастку горизонтального и вертикального нагружения, располагаемую в захваты двухосной испытательной машины. В данной реализации изобретения была использована двухосная испытательная машина модель BI-00-502 50kN Biaxial test system, производитель фирма BiSS, (Индия).

Распределяют нагрузку от испытательной машины на крепежные элементы имитатора обода диска и имитатора хвостовика лопатки.

На внутренней поверхности паза 3 воспроизводят контактные растягивающие напряжения путем приложения к имитационной модели замкового соединения нагрузок P₁ и Р₂, значения которых были получены заранее - через отверстия 4 передается горизонтальная нагрузка Р₂, а через отверстия 5 вертикальная нагрузка Р₁, отношение которых равно величине центробежной силы лопатки и обода диска, при этом оси нагружения испытательной машины должны пересекаться в основании паза 3. Полученные расчетным методом для данного примера значения контактных растягивающих нагрузок P₁ и Р₂, которые необходимо приложить к имитационной модели, чтобы достигнуть искомого значения интенсивности эквивалентных напряжений σ_е=1100 МПа в контрольной зоне, составили 23 кН и 46 кН соответственно.

Горизонтальное нагружение осуществляют посредством тяг с отверстиями, а нагружение в виде вертикального растяжения происходит посредством имитатора хвостовика лопатки, геометрия которого полностью воспроизводит геометрию паза под лопатку. Обязательным условием является сохранение смещения направляющей паза относительно оси вращения диска компрессора. Согласно рабочим чертежам завода-изготовителя оно составляет 23°.

Предлагаемое устройство позволяет воспроизводить в зоне радиусного сопряжения паза 3 имитатора обода диска 1 радиальные и окружные напряжения, крутящий момент и контактные напряжения, соответствующие эксплуатационным. Воспроизведение крутящего момента вызвано смещением оси паза 3 в окружном направлении относительно центра вращения имитатора обода диска 1. Приложение нагрузки к контактной поверхности паза 3 через отверстия 5 в имитаторе обода диска 1 и имитаторе хвостовика лопатки 2 по вертикальной оси позволяет воспроизводить радиальную составляющую центробежной силы имитатора хвостовика лопатки 2 и имитатора обода диска 1, приложение нагрузки к отверстиям 4 по горизонтальной оси позволяет воспроизводить окружную составляющую центробежной силы в имитаторе обода диска 1, место возникновения и траекторию роста трещины в пределах радиусного закругления паза, наблюдаемые при эксплуатации.

Задают последовательность повторяющихся циклических растягивающих нагрузок и наблюдают за местами возможного возникновения трещины в пределах имитатора обода диска.

Трещина возникает в критической зоне замкового соединения на внутренней контактной поверхности в радиусном сопряжении стенки и донышка паза 3. При визуальном обнаружении трещины замеряют ее размеры и, наблюдая за местом возникновения трещины, продолжают испытания на прочность имитационной модели замкового соединения до полного разрушения. Фотографическое изображение имитационной модели замкового соединения после проведения испытаний приведено на фигуре 2.

Определяют зависимость длины трещины от количества циклов нагружения имитационной модели. График зависимости для данного испытания представлен на фигуре 3.

Согласно полученным данным, долговечность имитационной модели замкового соединения диска турбомашины составила 125295 циклов нагружения при максимальной длине трещины 15,25 мм. Скорость роста трещины варьировалась в диапазоне от 4,37Е-05 мм/цикл до 5,085Е-04 мм/цикл.

Заявленное устройство испытаний на прочность замковых соединений дисков турбомашин позволяет исследовать широкий набор условий нагружения дисков ГТД, а также оценить эффективность тех или иных конструктивных мероприятий по критериям долговечности и циклической трещиностойкости при сложном напряженном состоянии.

При испытаниях с использованием предлагаемой имитационной модели воспроизводится место возникновения и траектория роста трещины, наблюдаемые при эксплуатации диска компрессора, что проиллюстрировано на фигуре 4, слева изображение имитационной модели с образовавшейся трещиной, справа - изображение разрушения диска компрессора двигателя Д-36 в эксплуатации. Также идентичны характер излома и поверхность разрушения, что демонстрирует фигура 5.

Таким образом заявленное устройство для испытания на прочность замкового соединения дисков турбомашин позволяет реализовать изменяемую степень двухосности напряжений, связанную с варьированием режимов эксплуатации дисков турбомашин, и определить характеристики долговечности замкового соединения, точное воспроизведение места возникновения, траектории и скорости роста трещины, а также расширяет арсенал средств указанного назначения.

Claims (2)

1. Устройство для испытания на прочность замкового соединения диска турбомашины, представляющее собой имитационную модель замкового соединения диска турбомашины, состоящую из имитатора обода диска с установленным в пазе имитатора обода диска имитатором хвостовика лопатки, выступающим за боковые поверхности имитатора обода диска, в каждом из которых выполнено не менее одного отверстия для приложения растягивающих усилий в вертикальном направлении, расположенных на своих осях симметрии, причем в имитаторе хвостовика лопатки указанное отверстие расположено выше паза имитатора обода диска, отличающееся тем, что в имитаторе обода диска выполнены не менее пары отверстий для приложения растягивающих усилий в горизонтальном направлении, расположенных соосно и зеркально по обе стороны от паза имитатора обода диска.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в имитаторе обода диска может быть выполнено технологическое отверстие при его наличии в конструкции рассматриваемого диска турбомашины.

Images