Способ определения долговечности дисков турбомашин

Изобретение относится к турбомашиностроению, в частности к способам определения долговечности дисков турбомашин путем моделирования в процессе стендовых испытаний эксплуатационных условий нагружения и поврежденности в критических зонах дисков турбомашин. Сущность: 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. Технический результат: возможность моделирования в процессе стендовых испытаний эксплуатационных условий нагружения и поврежденности в критических зонах дисков турбомашин. 1 ил.

 

Изобретение относится к турбомашиностроению, в частности к способам определения долговечности дисков турбомашин. Предложенный способ позволяет моделировать в процессе стендовых испытаний эксплуатационные условия нагружения и поврежденность в критических зонах дисков турбомашин.

Известен способ испытания материала дисков турбомашин на прочность, по которому в диске выполняют радиальный сквозной надрез и нагружают диск по нормали к плоскости надреза, заключающийся в том, что, с целью обеспечения возможности испытания дисков, имеющих конструктивные сквозные отверстия, надрез выполняют от контура отверстия в диске по направлению к его центру, а с диаметрально противоположной стороны отверстия выполняют радиальный разрез диска до его кромки [см. патент SU 1227974 А1, МПК G01N 3/00].

Достоинством изобретения является обеспечение возможности испытания дисков, имеющих конструктивные сквозные отверстия.

Недостатком этой системы является то, что по известному способу принудительно задается место образования дефекта и траектория его роста. Выполнение исходного надреза заранее уменьшает общую долговечность элемента диска и не позволяет корректно определить долговечность конструкции до разрушения.

В качестве прототипа принят известный способ испытания лопаточных дисков турбомашин на прочность путем приложения усилий к элементу обода диска, имеющему пазы для размещения лопаток и межпазовые выступы, заключающийся в том, что прикладывают усилия к соседним пазам с величиной, равной центробежной силе двух лопаток и межпазового выступа, и к торцам элемента обода под углом к оси межпазового выступа [см. патент SU №1114916 А, МПК G01N 3/08, G01M 13/00].

Достоинством изобретения является возможность воспроизведения в диске необходимой величины соотношения радиальных и окружных напряжений, а также контактных напряжений, действующих на контактные поверхности паза.

Недостатком этой системы является то, что известный способ не воспроизводит место возникновения и траекторию роста трещины, наблюдаемую при эксплуатации, и характер нагружения элемента диска не учитывает режимы изменения нагрузки при работе турбомашины.

Задачей изобретения является моделирование в процессе стендовых испытаний эксплуатационных условий нагружения и поврежденности в критических зонах дисков турбомашин.

Это достигается тем, что согласно способу определения долговечности дисков турбомашин устанавливают оснастку нагружения в захваты испытательной машины, которая формирует растягивающее усилие, закрепляют элемент обода диска в оснастке нагружения, распределяют нагрузку от испытательной машины на крепежные элементы обода диска, создают контактные напряжения на контактных поверхностях элемента обода диска, задают последовательность повторяющихся циклических растягивающих усилий с максимальной величиной, равной центробежной силе лопаток, наблюдают за местами возможного возникновения трещины в пределах элемента обода диска и фиксируют количество циклов нагружения элемента обода диска до разрушения, при этом последовательность повторяющихся циклических растягивающих усилий задают в виде нарастающих ступенчатых циклов, воспроизводящих график набора оборотов турбомашины от пуска из холодного состояния до ее остановки, характеризующихся тем, что каждая ступень нагружения сопровождается определенной выдержкой нагрузки по времени. За счет этого место возникновения и траектория роста трещины воспроизводят поврежденность в критических зонах дисков турбомашин, наблюдаемую при эксплуатации.

Способ определения долговечности дисков турбомашин осуществляется следующим образом.

Элемент обода диска турбомашины 1, имеющий одно верхнее 2 и два нижних крепежных отверстия 3, устанавливают в оснастке нагружения испытательной машины (не показаны). К верхнему крепежному отверстию элемента обода диска прикладывают растягивающее усилие Р. Два нижних крепежных отверстия 3 закрепляют для выполнения условия равновесия элемента обода диска.

На внутренних контактных поверхностях крепежного отверстия 2 воспроизводят контактные напряжения, имеющие место в эксплуатации в элементах вильчатого замкового соединения лопатки с диском (фиг.1).

Растягивающее усилие Р прикладывают в виде последовательности повторяющихся нарастающих ступенчатых циклов, воспроизводящих график набора оборотов турбомашины от пуска из холодного состояния до ее остановки. Данные циклы характеризуются тем, что каждая ступень нагружения сопровождается определенной выдержкой нагрузки по времени. Количество таких ступеней при выходе турбины на номинальный режим работы может достигать пяти.

Предлагаемый способ позволяет воспроизводить в зоне верхнего крепежного отверстия элемента обода диска напряженно-деформированное состояние (НДС), соответствующее НДС вильчатого замкового соединения диска турбины при работе его в составе турбоагрегата. Приложение усилия к верхнему крепежному отверстию 2 по вертикальной оси позволяет воспроизводить величину максимальных напряжений, место возникновения и траекторию роста трещины в этой зоне, наблюдаемые при эксплуатации. Трещина возникает на внутренней контактной поверхности крепежного отверстия 2.

При проведении испытаний осуществляется контроль места возникновения трещины, а при обнаружении трещины замеряют ее размеры.

Испытания продолжают до полного разрушения образца с фиксацией количества циклов нагружения.

Таким образом, воспроизведение в крепежных отверстиях элемента обода диска контактных напряжений, собственно ступенчатое нагружение, воспроизводящее график набора оборотов турбомашины от пуска из холодного состояния до ее остановки и, как следствие, появление и развитие трещин из внутренней поверхности крепежного отверстия при проведении испытаний, моделирует эксплуатационные условия работы диска турбомашины.

Способ определения долговечности дисков турбомашин, заключающийся в том, что: устанавливают оснастку нагружения в захваты испытательной машины, которая формирует растягивающее усилие, закрепляют элемент обода диска в оснастке нагружения, распределяют нагрузку от испытательной машины на крепежные элементы обода диска, создают контактные напряжения на контактных поверхностях элемента обода диска, задают последовательность повторяющихся циклических растягивающих усилий с максимальной величиной, равной центробежной силе лопаток, наблюдают за местами возможного возникновения трещины в пределах элемента обода диска и фиксируют количество циклов нагружения элемента обода диска до разрушения, отличающийся тем, что последовательность повторяющихся циклических растягивающих усилий задают в виде нарастающих ступенчатых циклов, воспроизводящих график набора оборотов турбомашины от пуска из холодного состояния до ее остановки, характеризующихся тем, что каждая ступень нагружения сопровождается определенной выдержкой нагрузки по времени, при этом место возникновения и траектория роста трещины воспроизводят поврежденность в критических зонах дисков турбомашин, наблюдаемую при эксплуатации.