CC BY
19
УДК 539.4
Н.Г. Бычков, А.Р. Лепешкин, Б.А. Балуев Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Россия
РАСЧЕТНО - ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ОБРЫВОМ МОДЕЛЕЙ ЛОПАТОК ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОВЕРКИ КОРПУСОВ НА НЕПРОБИВАЕМОСТЬ
Разработана расчетно-эксперименталъная методика с управляемым дополнительным нагружением от термочувствительных элементов. Приводится обзор и анализ существующих способов обрыва лопаток. Для верификации предложенной методики управления проведены испытания моделей рабочих лопаток ГТД с реализацией их обрыва на экспериментальных установках. Приведены рекомендации по подрезке ослабленного сечения лопаток и учету реальных механических свойств их материала для обеспечения разработанной методики. Разработанная методика может применяться для обеспечения проверки корпусов на непробиваемость.
Методика обрыва, лопатки, модели, испытания, непробиваемость, установка, ослабленное сечение, расчет.
1. Формулирование проблемы
1.1. Постановка проблемы и ее связь с научно-практическими задачами
Поскольку при обрыве рабочих лопаток авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) разлетающиеся элементы обладают огромной кинетической энергией и при попадании в планер самолета способны нанести ему серьезные повреждения, то при проектировании современных двигателей выдвигается условие непробиваемости его корпуса. Испытания корпусов лопаточных машин на непробиваемость являются одними из важнейших направлений исследований на прочность.
Однако проведение испытаний корпуса на непробиваемость имеет ряд технических сложностей. Рабочую лопатку необходимо оборвать на заданных оборотах в сечении с минимальным запасом прочности. Лопатка находится на быстро вращающемся роторе внутри корпуса, что затрудняет доступ к ней. Испытания корпуса на непробиваемость проводят, как правило, в разгонных камерах, так как нелокализованный обрыв лопаток ведет к разлету обломков на большое расстояние.
Практика показала, что расчетами на непробиваемость трудно предусмотреть все опасные состояния положения оборвавшейся лопатки в момент удара о корпус и ее взаимодействие в этот момент с вращающимся ротором. Более надежное заключение по непробиваемости корпусов можно получить при проведении испытаний [1-5]. При этом должны быть выполнены сертификационные требования (обрыва лопатки на требуемом режиме по пазу замка или по профильной части лопатки).
1.2. Обзор публикаций и выделение нерешенных задач
Проведение испытаний корпуса на непробиваемость имеет ряд технических сложностей. Известен способ испытаний корпуса на непробиваемость, заключающийся в подрыве корневого сечения лопатки с помощью взрыва [6]. Данный способ имеет ряд существенных недостатков. Главным недостатком является то, что при подрыве лопатки с помощью взрыва сообщается дополнительная энергия, которой не обладает лопатка, оборвавшаяся при обычном разрушении. Это существенно снижает достоверность результатов испытаний и объективной оценки непробивае-
© Н.Г. Бычков, А.Р. Лепешкин, Б.А. Балуев , 2008
- 124 -
мости корпуса дать невозможно. Ударная волна, образовавшаяся при данном разрушении, нарушает ориентацию лопатки, ее траектория становится неопределенной и лопатка попадает в корпус в несоответствующем реальным условиям положении. Кроме того, может произойти разрушение лопатки на отдельные фрагменты. Подготовка испытаний требует особых организационных мер и мер безопасности, учитывающих использование взрывчатых веществ, а также наличия специально подготовленного персонала.
Известен способ испытаний корпуса на непробиваемость, при котором после выхода ротора на заданную частоту вращения производят подрезку пера в заданном сечении с помощью электродов, размещенных в зоне пера лопатки [7]. Практически реализовать этот метод весьма затруднительно.
По методу [2] заданное сечение ослаблялось до запаса прочности, который меньше единицы, после чего усиливалось накладками из термочувствительного материала с повышением запаса прочности до значения, большего единицы. После достижения заданной частоты вращения (максимальной центробежной нагрузки) производился нагрев лопатки до допустимой температуры. Усиливающие ослабленное сечение лопатки накладки из материала с большим коэффициентом линейного расширения, чем у материала лопатки, с разогревом сбрасывают с себя нагрузку. Запас прочности в опасном сечении лопатки становится меньше единицы и происходит разрушение. Недостатком данного метода является дополнительная масса оборванных частей накладок, которая суммируется с основной массой лопатки. Кроме того, каждая накладка нагревается и удлиняется по разному. Вследствие этого, обрыв каждой накладки может происходить в разные моменты времени и может повлиять на траекторию полета лопатки и взаимодействие с корпусом.
В настоящей работе исследовалась возможность управления термонагружением ослабленного сечения лопатки на заданных для разрушения оборотах с помощью встроенных термочувствительных элементов.
1.3. Цель исследований
Целью данных исследований являлась разработка расчетно-экспериментальной методики с управляемым дополнительным нагружением от термочувствительных элементов.
2. Результаты исследований
При подготовке лопатки к реализации предлагаемого метода управления обрывом заданное сечение пера лопатки ослабляют поперечной подрезкой. Подрезку осуществляют тонкой проволокой 0 0,15...0,25 мм для обеспечения мини-
мального удлинения ослабленного сечения лопатки при разрушении. Удлинение лопатки в момент разрушения не должно превышать зазора между лопаткой и корпусом на заданных оборотах [3].
В теле пера лопатки вырезают окна, оставляя перемычки, высотой Н. В окна вставляют термочувствительные нагружающие элементы. Эти элементы изготавливают из материала, коэффициент линейного расширения которого выше, чем у материала лопатки. Термочувствительные нагружающие элементы устанавливают в лопатке так, чтобы между его торцевыми частями и контактирующими поверхностями окна лопатки не было зазора.
Для того чтобы нагружающий элемент не потерял устойчивости, он фиксируется от перемещения в боковом направлении (боковые стороны развальцованы).
Для полной имитации удара лопатки о корпус необходимо, чтобы вес обрывающейся части доработанной лопатки соответствовал бы весу обрывающейся реальной лопатки.
После выхода ротора на заданные обороты включается разогрев. При разогреве произойдет термическое удлинение как основного материала лопатки, так и материала термочувствительных нагружающих вставок. За счет того, что термочувствительные вставки имеют больший коэффициент линейного расширения, они удлинятся на большую величину, чем основной материал лопатки. Атак как нагружающие элементы вставлены в тело пера лопатки без зазора, они будут давить в торец установочного окна лопатки с определенной силой, чем создают дополнительную нагрузку на ослабленном сечении лопатки.
Таким образом, ослабленная в заданном сечении лопатка, под действием дополнительных нагрузок от термочувствительных нагружающих элементов, которые суммируются с нагрузками от центробежных сил, обрывается.
При вращении ротора действующие центробежные нагрузки вызывают удлинение лопатки и в то же время — укорачивание термочувствительных вставок. Это приводит к появлению зазора между торцевой поверхностью окна в пере лопатки и торцем его укоротившейся вставки, что недопустимо, так как часть термической деформации в процессе разогрева будет израсходована не на дополнительное нагружение лопатки, а на выборку образовавшегося зазора. Ввиду этого обстоятельства термочувствительные элементы должны быть установлены при сборке с натягом. Величина натяга должна быть не меньше суммарной деформации лопатки и вставок от действия центробежных сил.
В процессе нагружения лопаток до разрушения в месте подреза происходит упругопласти-
ческое деформирование. Пластическая деформация материала лопатки может быть довольно большой. В то же время необходимо выполнить условие, чтобы предельное удлинение лопатки Д1лоп не превышало имеющегося зазора «С» между лопаткой и корпусом ротора. Это необходимо для того, чтобы в момент разрушения лопатки происходил удар.
Удлинение ослабленных перемычек лопатки зависит не только от пластичности материала, но и от базы деформирования, т.е. диаметра проволоки, которой эту лопатку подрезали.
Не принимая во внимание термических деформаций перемычки лопатки в момент разрушения с учетом базы деформирования и механических свойств материала удлинение (ДИ) будет складываться из следующих составляющих:
ДЪ = 8- Ъ + ^ Ъ Е
8 = 1п-
1 -у
(1)
(2)
1
--Ъ + —
1 - у Е
С >ДЪ = 1п—— Ъ + -Ъ + Д1пер (3)
*пер
Ъ <■
С - Д1
пер
1
1п-+ —
Е
(4)
1 - у
В случае разогрева температурное удлинение перемычки Н увеличится на величину НДТал. С учетом температурного удлинения перемычек
и деформаций сжатия есж вставок от действия центробежных сил на заданных для разрушения оборотах производится расчет необходимой длины вставок по формуле
Н = -
Ъ( + Е 1
о в бс
(аВст -ал)-ДТ —-В
Е Б
-ес
, (5)
пер
где аВ
где Ъ — базовая высота ослабленного сечения (диаметр проволоки при подрезке), Е — модуль упругости материала,
оВ — предел прочности,
у — поперечное сужение,
Д1пер — удлинение перемычки лопатки под действием центробежной силы,
ДЪ — удлинение ослабленного сечения лопатки.
С — зазор между лопаткой и корпусом. Для управляемого обрыва необходимо, чтобы температурное удлинение нагружающих вставок было выше, чем удлинение перемычек лопатки с ослабленным сечением в момент обрыва. Поэтому очень важно правильно рассчитать длину нагружающих элементов и выбрать материал для их изготовления.
По заданным температурным условиям Ттах < 250 °С. Принятое нами ДТ = Ттах — Тк = 200 °С.
— коэффициент линейного расширения материала вставки;
ал — коэффициент линейного расширения материала лопатки;
ДТ — температурный перепад во время испытаний.
В модели должны быть воспроизведены условия нагружения контрольного сечения лопатки ротора во время испытаний на непробиваемость.
Имитация центробежной нагрузки действующей в контрольном сечении лопатки вращающегося ротора обеспечивалась во время испытаний моделей приложением к ней растягивающей силы через захваты испытательной машины УМЭ -10ТМ.
Для дополнительного нагружения модели (вплоть до разрушения) во время управляемого разогрева в ней вырезались окна определенного размера, в которые устанавливался термоэлемент (рис. 1).
Модели лопаток компрессора ГТД для реализации разработанной методики управления обрывом были изготовлены из сплава ВТ6 с термочувствительными нагружающими элементами — вставками из дюралюминия Д16.
Модели испытывались на разрывной машине, поэтому при расчете «Н» деформации сжатия вставок от центробежной силы «есж» = 0.
Для уменьшения затрат на проведение исследований и повышение их надежности прочностные свойства материала моделей, изготовленных из сплава ВТ-6, проверялись на образцах, вырезанных из самих моделей после их разрушения. Поскольку подрезанное проволокой сечение по площади значительно меньше основного, то напряжение, в последнем, во время разрушения по слабому месту не достигают предела упругости и материал сохраняет исходные свойства, т.е. перемычки могут быть использованы для проверки механических свойств материала.
1
Рис. 1. Эскиз модели лопатки с термочувствительными элементами
При проверке механических свойств необходимо бышо решить две задачи:
1. Определить пределы прочности материала конкретного образца ов для оценки эффективности предложенной методики создания дополнительной нагрузки продольными вставками.
2. Определить максимальное удлинение модели лопатки в момент обрыва при различных радиусах скругления ослабляющей подрезки.
Конструкция двух вариантов образцов для решения этих задач показана на рис. 2.
Остальные модели имели встроенные термочувствительные элементы, которые с разогревом должны снизить предельную растягивающую нагрузку в месте разрушения. Скорость нагруже-ния выбиралась из условия достижения максимальной нагрузки приблизительно за 5...7 минут. Это время необходимо для разогрева до 200 °С лопаток в реальных условиях на рабочем колесе.
Для измерения остаточного удлинения перемычек модельных образцов над каждой из них наносились метки с лицевой и обратной стороны. Аналогичные метки наносились и на малогабаритных образцах, использованных для определения прочностных характеристик.
Нагружение модели без вставки производилось после достижения Т = 20 °С, а испытания моделей с термочувствительными элементами производилась при одновременном термосиловом на-гружении. Поскольку при усталостной трещине обрыв лопаток в эксплуатации не сопровождается значительным удлинением, то и при стендовых испытаниях надо имитировать условия квазихрупкого разрушения. Удлинение лопатки будет зависеть от базы пластического деформирования. В связи с этим малогабаритные образцы изготавливались с шириной прорези 2 мм и 0,3 мм.
Диаграмма деформирования модели (без вставки) из сплава ВТ-6 при Т=20 °С приведена на рис. 3. Максимальная нагрузка Р составила 2900 кгс. При площади ослабленного сечения в перемычке = 22,7 мм2 максимальное напряжение при разрушении составило ов = 132 кг/мм2. Увеличение длины модели под нагрузкой превысило 0,6 мм. Остаточное удлинение модели после разрушения составило 0,3 мм.
Р. кгс 3000
Рис. 2. Эскиз плоских образцов, вырезанных из моделей лопаток для проверки механических свойств материала моделей
Испытания моделей проводились на установке УМЭ10Т, оснащенной диаграммным аппаратом и печью. В процессе нагружения записывалась диаграмма деформирования в координатах (сила — удлинение).
Для моделей, имеющих суммарную площадь примерно 23 мм2 в ослабленном сечении, разрушающая нагрузка для сплава ВТ-6 ожидается около трех тонн.
Испытания моделей лопаток проводились при температуре 20 °С. В одной из моделей термочувствительные вставки не устанавливались. Определялась разрушающая нагрузка без дополнительного нагружения от заключенных в рамку нагружающих термоэлементов.
2000
1000
IV. ¡-2900 шт > у / / ✓
/ / / / /
/ /Г г / /
0.2 0,3 0.4
0.6
д I.
Рис. 3. Диаграмма деформирования модели (без вставки)
Модели лопаток со вставками имели подрезку радиусом 0,15 мм (рис. 5) и 2 мм (рис. 4).
Механическое нагружение растягивающей силой с установленными в окнах модели термочувствительными нагружающими элементами начиналось при 20 °С и сопровождалось одновременным нагреванием в печи.
Рис. 4. Диаграмма деформирования модели со вставками (К = 2 мм)
Диаграмма деформирования этой модели представлена на рис. 4. На диаграмме можно видеть, что участки в пределах упругого деформирования модели, искривлены из-за изменения модуля упругости в процессе нагрева и дополнительного нагружения перемычек в этих условиях термочувствительными нагружающими элементами.
Разрушение модели произошло при Т=190 °С и нагрузке Р = 1840 кгс, показанной силоизме-рительным устройством установки.
Снижение максимальной нагрузки по сравнению с моделью (без вставки) составило 2900 - 1840 = 1060 кгс, т.е. фактически термочувствительный нагружающий элемент создал дополнительную нагрузку примерно 1060 кгс.
Полное удлинение модели со вставками в момент достижения максимальной нагрузки 1тах = 0,44 мм. Остаточное удлинение разрушенной модели составило 0,25 мм. Напряжение сжатия в термочувствительном нагружающем элементе с общей площадью >36 мм2 составило в среднем 29,4 кг/мм2.
Диаграммы деформирования малогабаритных образцов при Т=200 °С, изготовленных из разрушенных моделей (со вставками), приведены на рисунках 6.1 и 6.2.
, кгс 500 400
300 200 100 0
Раи-508 кгс
КГ'ММ* / / / /
/ / / /
у / ■ / / =0, 55ым
/
/ / / /
/ ' ' / Г
0.5
Л/.мм
Рис. 6.1. Диаграмма деформирования образцов, вырезанных из модели (со вставками) при К = 2 мм
Р. КГС 600
500 400 300 200 100 0
1
Р~=£=557КГС /
/. КГ'ММ* / / / /
/ /' / / / /
/ ' / * г г
/ / / / / /
Л' С7=0,11мм Л/лш
0,5
10 А/,мм
Рис. 5. Диаграмма деформирования модели со вставками (К = 0,15 мм)
Для уточнения механических свойств материала моделей были проведены прочностные исследования материала моделей на образцах, вырезанных из их перемычек, на участках напряжение на которых во время испытания моделей не превышало предела упругости.
Рис. 6.2. Диаграмма деформирования образцов, вырезанных из модели (со вставками) при К = 0,15 мм
Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности производить подрезку ослабленного сечения радиусом 0,15 мм. При этом остаточная пластическая деформация уменьшается примерно в 3 - 4 раза. В связи с этим на трех моделях со вставками подрезку ослабленного сечения производили электроэрозией проволокой 0 0,15 мм. Испытания этих моделей проводились при разогреве с получением диаграмм деформирования.
Предел прочности составил в среднем ов= 133,5 кг/мм2. Остаточное удлинение Л1 модели с радиусом подрезки Я = 2 мм составило 0,45 мм, а для Я = 0,15 мм - Л1 = 0,1 мм.
Разрушение моделей происходило при разогреве до Ттах =180 °С. Максимальные нагрузки
при этом составили 1588 кгс, 1760 кгс и 1920 кгс соответственно. Остаточное удлинение моделей с радиусом подрезки ослабленного сечения 0,15 мм составило 0,15 мм, 0,2 мм и 0,19 мм.
Степень фактического снижения разрушающей нагрузи! для модели при разогреве со встроенными нагружающими термочувствительными элементами определяется после получения реальных прочностных свойств материала моделей. Эти свойства были получены при испытаниях малогабаритных плоских образцов, изготовленных из разрушенных моделей.
Выводы и перспективы дальнейших исследований
Проведенный анализ существующих методов обрыва лопаток при испытаниях корпусов на непробиваемость выявил существенные недостатки, затрудняющие реализацию указанных методов.
Разработана расчетно-экспериментальная методика с управляемым дополнительным нагру-жением от встроенных термочувствительных элементов. Проведены испытания моделей лопаток с экспериментальным подтверждением эффективности разработанной методики управления обрывом.
Приведены рекомендации по подрезке ослабленного сечения лопаток и учету реальных механических свойств их материала для обеспечения разработанной методики и проведения дальнейших исследований.
Литература
1. Лепешкин А.Р., Бычков Н.Г. Метод термо-управляемого обрыва лопаток рабочих колес ГТД при испытаниях конструкций и корпусов на непробиваемость // Авиационно-космическая тех-
ника и технология. — Харьков: ХАИ, 2005. Вып. 4/20. - C. 7782.
2. Патент № 2176389 Россия. Способ испытания корпуса на непробиваемость и устройство для его реализации / А.РЛепешкин, Н.Г. Бычков 2001. Бюл. № 33.
3. Патент № 2267760 Россия. Способ испытания корпуса роторных машин на непробиваемость и устройство для его реализации / А.Р. Лепешкин, Н.Г. Бычков, Б.А. Балуев // 2006. Бюл. № 1.
4. Патент № 2301979 Россия. Способ испытания корпуса роторных машин на непробиваемость и устройство для его реализации / А.Р. Лепешкин, Н.Г. Бычков, Б.А. Балуев //2007. Бюл. № 18.
5. Патент № 2301979 Россия. Способ испытаний корпуса ротора лопаточных машин на непробиваемость и устройство для его осуществления / Н.Г. Бычков, Ю.А. Ножницкий, А.В. Пер-шин // 2006. Бюл. №27.
6. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. Машиностроение, — М. 1993. -С. 115-116.
7. Баженов В.Г., Тростенюк Ю.И., Захаров В.К. Универсальный разгонный стенд для повторно-статических испытаний крупногабаритных элементов роторов // Проблемы прочности. - №9. 1988,-С. 114-116.
8. Патент № 2250451 Россия. Установка для испытаний лопаток турбомашин на термомеханическую усталость / Н.Г. Бычков, А.Р. Лепешкин, А.В. Першин 2005. Бюл. № 11.
Поступила в редакцию 01.06.08
Рецензент: д-р техн. наук, проф. ФишгойтА.В. Центральный институт авиационного моторостроения им. П. И. Баранова, г. Москва.
Розроблено розрахунково-експерименталъну методику з керованим додатковим наван-таженням eid термочутливих елементгв. Приводитъся огляд i аналгз iснуючих способгв обриву лопаток. Для верифкацП запропоновано'г' методики керування проведет випробу-вання моделей робочих лопаток ГТД iз реалiзацieю гхнъого обриву на експерименталъних установках. Наведено рекомендацП з пiдрiзування ослабленого перерiзу лопаток i ураху-вання реалъних мехашчних властивостей гхнъого матерiалу для забезпечення розробленог методики. Розроблена методика може застосовуватися для забезпечення перевiрки кор-пуав на непробивтстъ.
The calculated experimental method with operated additional loading from thermosensitive elements is developed. The review and the analysis of existing methods of breakage of blades is presented. For verification of the offered control method the tests of models of GTE blades with realization of their breakage on experimental installations have been carried out. Recommendations on cutting the weakened section of blades and to the account of real mechanical properties of their material for maintenance of the developed metod are resulted. The developed method can be applied to maintenance of check of cases on unpunching.
