Способ испытания корпуса на непробиваемость и устройство для его реализации

Способ предназначен для проведения прочностных и сертификационных испытаний корпусов вентиляторов, компрессоров, турбин газотурбинных двигателей и других турбомашин в машиностроении, в том числе сертификационных испытаний авиадвигателя на соответствие требованиям по локализации повреждений при обрыве рабочей лопатки вентилятора авиадвигателя. Перед проведением испытания в одной из лопаток ротора ослабляют заданное сечение, по которому должен произойти отрыв лопатки. Ослабление выполняют в виде отверстия вдоль этого сечения, с сохранением при этом запаса прочности в ослабленном сечении по пределу текучести больше единицы. В отверстие перед началом испытания устанавливают детонирующие удлиненные кумулятивные заряды и электродетонатор. В момент выхода ротора на заданную частоту вращения подают сигнал на срабатывание электродетонатора. Способ позволяет осуществлять практически мгновенный отрыв лопатки вентилятора, имитирующий попадание в вентилятор постороннего предмета. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области испытаний деталей машин на прочность и исследований ударных воздействий на непробиваемость корпусов и может быть использовано для проведения прочностных и сертификационных испытаний корпусов вентиляторов, компрессоров, турбин газотурбинных двигателей и других турбомашин в машиностроении, в том числе сертификационных испытаний натурного авиадвигателя на соответствие АП-33 по локализации повреждений при обрыве рабочей лопатки вентилятора авиадвигателя.

Известен способ испытания корпуса на непробиваемость (патент РФ №2176389 от 11.10.1999), который заключается в том, что ротор размещают внутри корпуса, осуществляют выход ротора на заданную частоту вращения, при которой происходит отрыв одной из лопаток. По следам удара лопатки о корпус оценивают его непробиваемость. Перед проведением испытания ослабляют заданное сечение одной из лопаток, усиливают его конструктивными элементами из термочувствительных материалов, дополнительно производят нагрев лопаток во время испытания.

Устройство для испытания содержит последовательно соединенные ротор с лопатками, привод, систему управления частотой вращения. Одна из лопаток выполнена с ослабленным сечением и снабжена крепежными элементами из термочувствительных материалов, сопрягаемыми с поверхностью лопатки и расположенными в месте ослабленного сечения. Устройство дополнительно снабжено нагревателем, блоком управления нагревом, устройством ввода информации, датчиками температур, сигнализатором обрыва лопатки, системой управления частотой вращения.

При реализации указанного способа обрыв лопатки происходит под действием сил растяжения (центробежной силы) при вращении ротора, а также потому, что подкрепляющие элементы под действием нагрева постепенно теряют свою прочность.

Таким образом, процесс обрыва лопатки является протяженным во времени (нагрев мгновенным не бывает) и происходит аналогично разрыву образца материала при испытаниях на растяжение: сначала лопатка удлиняется (при достижении напряжений, превышающих предел текучести материала), а потом, при достижении предела прочности, обрывается.

Учитывая, что зазор между лопатками ротора и корпусом обычно выполняется минимальным, недостатком указанного способа и устройства для его реализации является невозможность обрыва лопатки в кратчайшее время, в результате чего лопатка под действием нагрузок, действующих на нее, удлиняется, начинает цепляться своим пером за корпус и обламывается. Это не соответствует, например, требованиям сертификации авиадвигателей, по которым при испытаниях должен осуществляться практически мгновенный обрыв лопатки вентилятора (ротора), имитирующий попадание в вентилятор постороннего предмета.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка.

Технический результат достигается тем, что в известном способе испытания корпуса на непробиваемость, включающем ослабление перед проведением испытания заданного сечения в одной из лопаток ротора, по которому должен произойти отрыв лопатки, и доведение частоты вращения ротора до заданного значения, ослабление выполняют в виде отверстия вдоль этого сечения, с сохранением при этом запаса прочности в ослабленном сечении по пределу текучести больше единицы, в отверстие перед началом испытания устанавливают детонирующие удлиненные кумулятивные заряды и инициатор детонации (электродетонатор), а в момент выхода ротора на заданную частоту вращения подают сигнал на срабатывание инициатора детонации (электродетонатора), который подрывает детонирующие удлиненные кумулятивные заряды, обеспечивающие отрыв лопатки в нужном сечении.

(Пояснение к использованному термину: детонирующий удлиненный кумулятивный заряд - шнур из детонирующего взрывчатого вещества, в котором вдоль всей длины выполнена U-образная канавка с металлической облицовкой на ее внутренней поверхности. Фактическое исполнение детонирующего удлиненного кумулятивного заряда обычно представляет из себя профилированную с U-образной канавкой металлическую трубку, снаряженную взрывчатым веществом. При срабатывании детонирующего удлиненного кумулятивного заряда в канавке формируется струя из жидкого металла, которая прорезает преграду, расположенную перед кумулятивной канавкой.)

Устройство для реализации заявляемого способа испытания корпуса на непробиваемость содержит последовательно соединенные ротор с лопатками, одна из которых выполнена с ослабленным заданным сечением, привод, систему управления частотой вращения, и отличается тем, что ослабление выполнено в виде отверстия вдоль заданного сечения лопатки таким образом, что запас прочности в ослабленном сечении по пределу текучести больше единицы, в отверстии установлена обойма (кассета), в которой закреплены детонирующие удлиненные кумулятивные заряды, при этом их кумулятивные канавки обращены в противоположные стороны друг относительно друга и расположены в одной плоскости, совпадающей с плоскостью ослабленного сечения, в непосредственной близости к детонирующим удлиненным кумулятивным зарядам с торца или к их боковой поверхности закреплен инициатор детонации (электродетонатор), а сама обойма выполнена из материала, демпфирующего энергию взрыва, например пенопласта.

При проведении указанных испытаний элементы предлагаемого устройства могут иметь различное исполнение. В качестве привода может использоваться электропривод, воздушная турбина, газотурбинный двигатель и т.д. Также испытания могут проводиться на натурном авиационном двигателе (например, при сертификационных испытаниях по локализации повреждений при обрыве рабочей лопатки вентилятора авиадвигателя на соответствие требованиям АП-33), который включает в себя корпус, ротор, привод и систему управления частотой вращения.

На фиг.1 показано устройство для испытаний корпуса на непробиваемость, которое содержит испытываемый корпус 1, внутри которого расположен ротор 2 с лопатками 3, соединенный с приводом 4. Ко входу привода 4 подключен выход системы управления частотой вращения 5, другой выход которой соединен с блоком управления 6 инициатором детонации 7. На фиг.2 показан участок ротора с колесом крепления лопаток 8 и лопатками 3, одна из которых 9 выполнена с ослабленным (в данном случае, корневым) сечением. На фиг.3, 4 показана лопатка с ослабленным сечением 9, в которой размещены детонирующие удлиненные кумулятивные заряды 10, закрепленные в кассете 11. Ослабление выполнено в виде отверстия 12 вдоль корневого сечения, по которому должен произойти отрыв лопатки, а кассета с детонирующими удлиненными кумулятивными зарядами размещена внутри этого отверстия. Кумулятивные канавки 13 детонирующих удлиненных кумулятивных зарядов направлены в противоположные стороны - в сторону перерезаемых сечений 14 обрываемой лопатки. С целью сглаживания пика ударной волны при срабатывании зарядов сама кассета 11 выполнена из материала, демпфирующего энергию взрыва, например пенопласта. С торца детонирующих удлиненных кумулятивных зарядов 10 закреплен инициатор детонации 7. Инициатор детонации 7 закрепляется в непосредственной близости (на расстоянии не более 3 мм) к торцу, как в описываемой конструкции, или к боковой поверхности детонирующих удлиненных кумулятивных зарядов.

Способ осуществляют следующим образом. В лопатке 9, в заданном сечении, сверлится продольное отверстие 12 (вдоль сечения обрыва) таким образом, чтобы напряжения в оставшемся сечении 14 лопатки при работе ротора не превышали предела текучести материала лопатки. Подготовленную лопатку устанавливают на ротор 2, а ротор собирают с испытываемым корпусом 1 и приводом 4. К приводу подключают систему управления частотой вращения 5, соединенную с блоком управления 6 инициатором детонации 7. Непосредственно перед проведением испытаний в отверстие 12 подготовленной лопатки 9 вставляют кассету 11 с закрепленными в ней детонирующими удлиненными кумулятивными зарядами 10, присоединяют к ним инициатор детонации 7 и подключают его к блоку управления 6. Данная последовательность сборки расписана с учетом стандартных требований безопасности при работах со взрывчатыми веществами (изделия с боевыми взрывчатыми веществами устанавливаются в последнюю очередь), но по условиям компоновки испытываемого агрегата может быть изменена с соответствующим обеспечением безопасности работ.

Далее ротор 2 с одной из лопаток 9, в которой установлена кассета 11 с закрепленными в ней детонирующими удлиненными кумулятивными зарядами 10 и присоединенным к ним инициатором детонации 7, раскручивают с помощью привода 4 и системы управления частотой вращения 5 до заданных оборотов. После этого система управления частотой вращения обеспечивает поддержание заданных оборотов и передает сигнал в блок управления 6 инициатором детонации 7. По сигналу блока управления инициатор детонации подрывает детонирующие удлиненные кумулятивные заряды 10, которые перерезают ослабленное сечение 14 лопатки 9, которая обрывается по заданному сечению и ударяется в корпус 1.

Учитывая, что скорость детонации, применяемых в детонирующих удлиненных кумулятивных зарядах взрывчатых веществ, составляет 4...7 км/сек, обрыв лопатки, например, вентилятора авиационного двигателя ПС-90А (длина вдоль корневой части составляет ≈200 мм) происходит за 0,3...0,·10^-4 сек, то есть практически мгновенно. Результаты испытаний оценивают комплексно по непробиваемости корпуса, его прочности, исследованиям общего состояния и результатам скоростной киносъемки, которая обычно проводится при таких испытаниях.

1. Способ испытания корпуса на непробиваемость, при котором перед проведением испытания в одной из лопаток ротора ослабляют заданное сечение, по которому должен произойти обрыв лопатки, ротор размещают внутри корпуса, осуществляют выход ротора на заданную частоту вращения, при которой происходит отрыв одной из лопаток, и по следам удара лопатки о корпус оценивают его непробиваемость, отличающийся тем, что ослабление выполняют в виде отверстия вдоль сечения, по которому должен произойти отрыв лопатки, с сохранением при этом запаса прочности в ослабленном сечении по пределу текучести больше единицы, в отверстие перед началом испытания устанавливают детонирующие удлиненные кумулятивные заряды и инициатор детонации (электродетонатор), а в момент выхода ротора на заданную частоту вращения подают сигнал на срабатывание инициатора детонации (электродетонатора), который подрывает детонирующие удлиненные кумулятивные заряды, обеспечивающие отрыв лопатки в нужном сечении.

2. Устройство для испытания корпуса на непробиваемость, содержащее последовательно соединенные ротор с лопатками, одна из которых выполнена с ослабленным заданным сечением, по которому должен пройти обрыв лопатки, привод, систему управления частотой вращения, отличающееся тем, что ослабление выполнено в виде отверстия вдоль заданного сечения лопатки таким образом, что запас прочности в ослабленном сечении по пределу текучести больше единицы, в отверстии установлена обойма (кассета), в которой закреплены детонирующие удлиненные кумулятивные заряды, при этом их кумулятивные канавки обращены в противоположные стороны относительно друг друга и направлены в сторону перерезаемых стенок ослабленного сечения обрываемой лопатки, с торца детонирующих удлиненных кумулятивных зарядов закреплен инициатор детонации (электродетонатор), а сама обойма выполнена из материала, демпфирующего энергию взрыва, например пенопласта.