CC BY
33
УДК 539.4
А.Р. Лепешкин, С.А. Лепешкин Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Россия
ФОРМИРОВАНИЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ ЦИКЛОВ ДИСКОВ ГТД ПРИ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ НА РАЗГОННОМ СТЕНДЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
Аннотация: Рассматриваются проблемы термомеханического нагружения дисков ГТД при разгонных термоциклических испытаниях. Разработаны способы формирования испытательных циклов дисков ГТД с учетом полетных режимов при термоциклических испытаниях на разгонном стенде с использованием индукционного нагрева. Применение интенсивного охлаждения дисков позволяет сократить сроки проведения термоциклических испытаний. Приведены результаты расчета термонапряженного состояния диска при моделировании разных испытательных режимов.
Способы термоциклических испытаний, диски ГТД, разгонный стенд, интенсивное воздушное охлаждение, частота вращения, температура, индукционный нагрев
1 Формулирование проблемы
1.1 Постановка проблемы и ее связь с научно-практическими задачами
Воспроизведение термомеханического нагружения при испытаниях на реальном двигателе связано с большими материальными затратами. В связи с этим, термоциклические испытания дисков на разгонном стенде [1-7] более целесообразны при условии, что нестационарное термонапряженное состояние при стендовых испытаниях будет соответствовать реальным условиям работы дисков.
Адекватность этих условий обусловливает необходимость решения следующих задач: моделирование термических и механических, возникающих в деталях диска, согласование временных программ скорости вращения диска и скоростного режима нагрева при моделировании заданного распределения температуры по радиусу диска.
В условиях вакуумирования повышается точность моделирования теплового и термонапряженного состояния, так как снижаются аэродинамические потери, затрудняющие процесс воспроизведения температуры по радиусу диска. Кроме того, при снижении аэродинамических потерь уменьшается требуемая мощность электропривода.
На существующих разгонных стендах в авиационной отрасли широко применяются источники питания индукционного нагрева, работающие на частоте 2400^2500 Гц.
Для обеспечения неравномерного нагрева дис-
© А.Р. Лепешкин, С.А. Лепешкин 2006 г.
ка переменной толщины, имеющего конкретные механические, теплофизические и электрические свойства, по его радиусу размещаются индукторы с разными зазорами. При необходимости вблизи поверхности дисков устанавливаются трубки охлаждения (сопла), через которые подается воздух для обеспечения дополнительного регулирования температурного состояния дисков.
Объектами термоциклических испытаний являются диски, рабочие колеса, а также роторы авиационных ГТД.
1.2 Обзор публикаций и постановка задачи данного исследования
Известны способы термоциклических и разгонных испытаний дисков турбомашин, описанные в [8, 9].
Недостатками указанных способов являются недостаточное использование возможностей индукционного нагрева, ограниченное охлаждение диска только через сопла, расположенные с одной стороны диска [8], что приводит к медленному охлаждению и увеличению сроков испытаний и энергозатрат на проведение испытаний.
В данной работе решается задача повышения точности моделирования эксплуатационных тепловых режимов и ускорения испытаний диска с использованием способов индукционного нагрева и охлаждения. Модернизированы системы индукционного нагрева и подачи регулируемого потока воздуха, обеспечивающего интенсивное охлаждение дисков на разгонном стенде.
Поставленная цель достигается тем, что в данном способе термоциклических и разгонных испытаний дисков турбомашин при моделировании полетных циклов используются различные режимы индукционного нагрева [1]. Каждый термоцикл включает три этапа испытаний, на первом из которых увеличивают частоту вращения и температуру диска в пределах заданного испытательного цикла, на втором этапе выдерживают максимальные заданные значения этих величин с регулировкой температуры диска вспомогательным охлаждающим воздухом через сопла с обеих сторон диска, на третьем - снижают частоту вращения диска и его температуру до минимальных заданных значений с помощью основного регулируемого потока охлаждающего воздуха, направленного через управляемую задвижку, расположенную в центральном отверстии крышки разгонной камеры [1], на поверхность диска с одной его стороны, а затем через его центральное отверстие и отверстия в цапфе на поверхность диска с другой стороны. Реализация такого интенсивного охлаждения с обоих сторон диска приближает соответствие теплового режима диска в термоцикле заданному.
2 Результаты исследований
Для проведения испытаний объект помещается на специальную установку (подшипниковую опору), которая монтируется в разгонной камере на демпферную опору. На рабочем колесе ГТД для дополнительного снижения аэродинамических потерь и получения стабильного температурного поля устанавливаются имитаторы лопаток.
Для контроля температурного поля диска используются термопары или вблизи поверхности диска устанавливаются бесконтактные датчики температуры. Для контроля виброускорений узлы машинной линии и токосьемник снабжаются вибродатчиками.
При термоциклических испытаниях на разгонном стенде с помощью систем индукционного нагрева и программного управления осуществляется автоматическое синхронное изменение с последующей выдержкой максимальной частоты вращения и температуры диска, а с помощью системы охлаждения снижается температура испытуемого диска под воздействием направленного на него потока охлаждающего воздуха [1].
По программе термоциклических испытаний с применением индукционного нагрева был испытан диск I ступени турбины ГТД. На рис. 1 показаны диск и система индукторов, установленные в разгонной камере.
Рис. 1 - Диск и система индукторов, установленных в разгонной бронекамере
На примере этого диска показаны способы проведения испытаний [1] с индукционным нагревом, а также возможности стендовой системы нагрева и испытательного оборудования разгонного стенда при моделировании различных эксплуатацион-
ных режимов.
Рис. 2 - Экспериментальные распределения температур диска I ступени турбины ГТД при термоциклических испытаниях с имитацией полетных циклов.
Программа термоциклических испытаний диска состояла из трех испытательных режимов с соответствующими распределениями температур (рис. 2): режим 1 - испытательный цикл с «глубо-
V 2 з
3 \
140 180 220 260 30*1 ким охлаждением» при лтах(кривая 1) и птт (кривая 1'); режим 2 - испытательный цикл (имитация условий полетного цикла) при птах (кривая 2) и пт1п (кривая 2'); режим 3 - испытательный цикл (имитация предполетной подготовки) при птах (кривая 3) и Пт!п (кривая 3').
На формирование программы испытаний влияют методики расчета развития трещин и фрактог-рафических исследований.
На рис. 2 представлены экспериментальные ос-редненные распределения температур по радиусу диска в режимах 1 ^3 на максимальной и минимальной частоте вращения.
Циклограммы испытательных режимов с использованием индукционного нагрева представлены на рис. 3^5.
а)
б)
в)
г)
Рис. 3 - Термоциклическое и механическое нагружение диска по режиму 1: а) - циклограмма нагружения диска по частоте вращения; б) - циклическое изменение
температуры обода (1) и ступицы (2) диска: в) - циклические режимы работы генераторов ВЧ (3 и 4); г) - циклическое изменение давления охлаждаю-
щего воздуха
в)
а)
б)
601»
555(1
10 12 14 К. Т......
а)
б)
в)
Рис. 5 - Термоциклическое и механическое нагружение
диска по режиму 3: а) - циклограмма нагружения диска по частоте вращения; б) - циклическое изменение температуры обода (1) и ступицы (2) диска; в) - постоянный
режим работы генераторов ВЧ
Рис. 4 - Термоциклическое и механическое нагружение диска по режиму 2: а) - циклограмма нагружения диска по частоте вращения; б) - циклическое изменение температуры обода (1) и ступицы (2) диска; в) - циклические режимы работы генераторов ВЧ
Там же приведены изменения температуры обода и ступицы, мощности от генераторов повышенной частоты, давления потока основного охлаждающего воздуха (режим 1) при термоциклических испытаниях. В режимах 1, 2 и 3 совместно с индукторами использовались сопла подачи вспомогательного охлаждающего воздуха для дополнительного регулирования температуры диска. В режимах 2 и 3 интенсивное охлаждение не использовалось. Во всех режимах учитывался дополнительный нагрев диска при трении диска об остаточный воздух.
Результаты расчета термонапряженного состо-
яния диска представлены на рис. 6 с учетом тепловых состояний диска в разных испытательных режимах 1^3 (рис. 2).
Рис. 6 - Распределения окружных термонапряжений диска при термоциклических испытаниях: 1 и 1' - напряжения при птах и пт|П (режим 1); 2 и 2 ' - напряжения при птах и пт|П (режим 2); 3 и 3 ' - напряжения при птах (режим 3)
О^МИя 1000-' -100-200 --300 -400 - -
1-М» N0 220 260 МЮ 340
Выводы и перспективы дальнейших исследований
Рассмотрены проблемы термомеханического нагружения дисков ГТД при разгонных термоциклических испытаниях. Разработаны и использованы способы формирования испытательных циклов дисков ГТД на разгонном стенде с использованием различных режимов индукционного нагрева и охлаждения. Применение интенсивного охлаждения дисков позволяет сократить сроки проведения термоциклических испытаний. В дальнейшем планируется совершенствование техники и методики термоциклических испытаний дисков и рабочих колес ГТД на разгонных стендах с учетом физики роста трещин как при термоциклической, так и постоянной нагрузке [10, 11].
Литература
1. Пат. № 2235982 Россия. Способ термоциклических и разгонных испытаний дисков турбомашин / Лепешкин А.Р., Скибин В .А. 2004. Бюл. № 25.
2. Лепешкин А.Р., Безносенкова В.Н. Циклические испытания дисков ГТД на разгонном стенде с использованием индукционного нагрева // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. научных трудов. Вып.19. Тепловые двигатели и энергоустановки. - Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т "ХАИ", 2000. - С. 456-460.
3. Лепешкин А.Р., Безносенкова В.Н. Моделирование нестационарного теплового и термонапряженного состояния дисков и рабочих колес ГТД на разгонном стенде с использованием индукционного нагрева при неизотермических циклических испы -таниях // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. научных трудов. - Харьков: Национальный аэрокосмический ун-т "ХАИ", 2001. -Вып.23. Двигатели и энергоустановки. - С. 144-146.
4. Лепешкин А.Р. Индукторы для нагрева дисков
ГТД при испытаниях на разгонных стендах. // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. научных трудов. - Харьков: Национальный аэрокосмический ун-т "ХАИ", 2002. - Вып. 334. Двигатели и энергоустановки. - С. 163-165.
5. Лепешкин А.Р. Методика статического тензо-метрирования дисков ГТД на разгонных стендах с учетом неравномерного нагрева // Авиационно-космическая техника и технология. Вып. 41/6. Харьков: Национальный аэрокосмический ун-т "ХАИ". 2003. - С. 154-159.
6. Лепешкин А.Р., Бычков Н.Г. Метод термоуправ-ляемого обрыва лопаток рабочих колес ГТД при испытаниях конструкций и корпусов на непробиваемость // Авиационно-космическая техника и технология. Вып. 4/20. Харьков: Национальный аэрокосмический ун-т "ХАИ". 2005. - C. 77-82.
7. Лепешкин А.Р. Методика эксплуатационного термомеханического нагружения дисков турбомашин при ресурсных испытаниях на разгонном стенде // Доклады научно-технического семинара " Прочность и надежность нефтегазового оборудования". 19-20 сентября 2000. ЦНИИАТОМИНФОРМ. М. -2001. - С. 112-114.
8. Данилушкин А.И., Еленевский Д.С., Котенев В.И. и др. АСУ процессами многофакторных испытаний на специализированном стенде для прочностной доводки элементов конструкций // Проблемы прочности. - 1990. - № 5. - С. 116-119.
9. Демьянушко И.В., Суржин В.С. Проблемы автоматизированных циклических испытаний дисков и роторов на разгонных стендах // Проблемы прочности. - 1981. - № 7. - С. 110-115.
10. Фишгойт А.В., Демидов А.Г. Рост трещин при постоянной нагрузке под влиянием ползучести в металлических материалах // Конверсия в машиностроении. 2005, №4-5, - С. 116-117.
11. Kachanov E.B., Golubovskiy E.R., Khvatski K.K. Greep Crack Propagation Kinetic in Nickel-Base Superalloys of Gas Turbine Engines // Proceeding of the V-th International Symposium on Greep and Coupled Processes (Bialystok/ Bialowieza, 1995), Publishing of Bialystok Technical University, Bialystok, Poland, 1995, P. 53.
Поступила в редакцию 25.07.2006 г.
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Фишгойт А.В. Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Москва.
Анотаця: Розглядаються проблеми термомехан1чного навантаження диске ГТД при розг1нних термоцикл1чних випробуваннях. Розроблен1 способи формування досл1дних цикл1в диске ГТД ¡з урахуванням польотних режим1в при термоцикл1чних випробуваннях на розг-¡нному стенд1 з використанням ¡ндущйного нагр'вання. Застосування ¡нтенсивного охо-лодження диск1в дозволяе скоротити строки проведення термоцикл1чних випробувань. Наведено результати розрахунку термонапруженого стану диска при моделюванн1 р1зних досл ¡дних режим1в.
Аbstract: The problems of thermomechanical loading of GTE disks are considered at accelerated thermocyclic tests. The methods of simulation of test cycles of GTE disks have been developed in view of flight modes at thermocyclic tests on accelerated stand with use of induction heating. Application of intensive cooling of disks allows to reduce terms of carrying out of thermocyclic tests. The results of calculation thermostress state of a disk are presented at modeling of different test modes.
