Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ЛОПАТОЧНОГО ДИСКА ТУРБОМАШИНЫ С ВИЛЬЧАТЫМ СОЕДИНЕНИЕМ

Изобретение относится к турбомашиностроению, в частности к устройствам для испытания на прочность лопаточных дисков турбомашин с вильчатым соединением. Предложенное устройство позволяет моделировать в процессе стендовых испытаний эксплуатационные условия.

Известно устройство для испытания лопаточных дисков турбомашин на прочность, содержащее имитаторы хвостовиков лопаток, размещенные в пазах элемента обода диска с межпазовыми выступами и захваты; устройство снабжено связанной с одним из захватов траверсой, шарнирно соединенными с ней и элементом обода диска тягами, связанным с другим захватом коромыслом и соединенными с ним и имитаторами хвостовиков шарнирными стержнями, причем шарнирные соединения тяг и элемента обода диска расположены на равных расстояниях от середины межпазового выступа [см. авторское свидетельство SU №1114916 А, МПК G01N 3/08, G01M 13/00, опубликованное 23.09.1984].

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

Однако такое устройство не воспроизводит место возникновения и траекторию роста трещины, наблюдаемую при эксплуатации диска, и не позволяет проводить испытания дисков с вильчатым соединением.

В качестве прототипа устройства принято устройство, описанное в известном способе определения долговечности дисков турбомашин, содержащее тяги, предназначенные для шарнирной связи с захватами испытательной машины и с элементом обода диска посредством заклепок, размещенных в крепежных отверстиях элемента обода диска [см. патент RU №2511214 С2, МПК G01M 13/00, G01N 3/32, опубликованный 06.02.2014].

Достоинством известного устройства является возможность воспроизведения в зоне верхнего крепежного отверстия элемента обода диска напряженно-деформированного состояния (НДС), соответствующее НДС вильчатого замкового соединения диска турбины при его работе в составе турбоагрегата.

Недостатком известного устройства является то, что оно позволяет воспроизводить эксплуатационные условия нагружения только в одном крепежном отверстии элемента обода диска.

Решаемая техническая задача предлагаемого устройства заключается в создании эксплуатационных условий нагружения одновременно в трех верхних крепежных отверстиях элемента обода диска.

Решаемая техническая задача в устройстве для испытания на прочность лопаточного диска турбомашины с вильчатым соединением, содержащем тяги, предназначенные для связи с захватами испытательной машины и с элементом обода диска посредством заклепок, предназначенных для размещения в крепежных отверстиях элемента обода диска, достигается 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 устройства, проходящей через центра центральных отверстий верхней и нижней планок.

На чертеже представлена кинематическая схема устройства для осуществления испытания на прочность лопаточных дисков турбомашин с вильчатым соединением (смонтированного совместно с элементом обода диска).

Устройство для осуществления испытания на прочность лопаточных дисков турбомашин с вильчатым соединением, представленное на чертеже, содержит четыре планки - верхнюю 1 и нижнюю 2, расположенные горизонтально параллельно друг другу, правую 3 и левую 4, 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 5, 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 6, представляющий собой три тяги, объединенные одним общим шарниром 7, 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 8, представляющий собой три тяги, объединенные одним общим шарниром 9, 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 10, представляющий собой три тяги, объединенные одним общим шарниром 11, и соединяющий верхнюю и правую планки, а также четвертый трехзвенник 12, представляющий собой три тяги, объединенные одним общим шарниром 13, и соединяющий нижнюю и правую планки, смонтированы симметрично первому и второму трехзвенникам соответственно относительно оси симметрии устройства, проходящей через центра центральных отверстий верхней и нижней планок.

Устройство для испытания на прочность лопаточного диска турбомашины с вильчатым соединением может быть изготовлено из высокопрочной стали, например 30ХГСА.

Рассмотрим работу устройства для испытания на прочность лопаточного диска турбомашины с вильчатым соединением.

Собирают конструкцию устройства для испытания на прочность лопаточного диска турбомашины с вильчатым соединением совместно с элементом обода диска в соответствии с указанными на чертеже углами α и ψ. Угол α является геометрической характеристикой испытываемого диска и равен углу между центрами двух соседних верхних крепежных отверстий относительно оси вращения диска, а также равен углу между векторами сил от центробежной силы лопаток, действующих в двух соседних верхних крепежных отверстиях элемента обода диска. Угол ψ определяется по формуле (стр. 4). Например, для диска 20-й ступени ротора паровой турбины Т-185-20 угол α составляет 11 градусов. Угол ψ в этом случае будет равен 4 градусам.

Элемент обода диска турбомашины 16, имеющий три верхних и два нижних крепежных отверстия, согласно чертежу устанавливают в устройство для испытания на прочность лопаточного диска турбомашины с вильчатым соединением с помощью заклепок 14, размещаемых в верхних крепежных отверстиях элемента обода диска 16, и заклепок 15, размещаемых в нижних крепежных отверстиях элемента обода диска 16. Испытанию подвергают три верхних крепежных отверстия элемента обода диска 16. Два нижних крепежных отверстия элемента обода диска 16 закрепляют для выполнения условия равновесия. Для усиления двух нижних крепежных отверстий элемента обода диска 16 на них наваривают специальные накладки.

Устройство для испытания на прочность лопаточного диска турбомашины с вильчатым соединением, смонтированное совместно с элементом обода диска, закрепляют в стандартных вильчатых захватах двухосной испытательной машины через крепежные отверстия верхней 1, нижней 3, правой 4 и левой 2 планок, как показано на чертеже. При этом для соединения захвата двухосной испытательной машины с двумя крепежными отверстиями верхней планки 1 используются дополнительные тяги 16 и 17.

С помощью вертикальных и горизонтальных силонагружателей двухосной испытательной машины к устройству для испытания на прочность лопаточного диска турбомашины с вильчатым соединением одновременно прикладывают вертикальную силу F_B и горизонтальную силу F_Г, которые определяют по формулам:

F_Г=2tg2α·cosα·S;

где S - сила, действующая в верхнем крепежном отверстии обода диска от центробежной силы лопаток.

Сила S определяется расчетными аналитическими или численными методами, исходя из геометрических размеров и условий работы исследуемой конструкции (стр. 167, К.А. Басов ANSYS в примерах и задачах, ООО «КомпьютерПресс». Москва - 2002 г. 224 с.).

В результате три верхних крепежных отверстия нагружают усилием S соответствующим по величине и направлению действия центробежной силе от лопаток. Формулы для вычисления усилий F_г и F_в, а также угла ψ получены способами и методами статической теоретической механики (стр. 21; А.А. Яблонский, В.М. Никифорова. Курс теоретической механики. Часть 1. Статика, кинематика. Изд-во Высшая школа. Москва. - 1966 г. 439 с.).

В случае, когда величина вертикальной силы F_B превышает максимальное усилие, которое позволяет задавать двухосная испытательная машина, испытания проводят при выполнении условий подобия механических испытаний (стр. 21, В.С. Золотаревский. Механические свойства металлов. Изд-во Металлургия. Москва. - 1983 г. 352 с.).

Толщину элемента обода диска уменьшают до величины, при которой номинальное усилие, задаваемое силонагружателем двухосной испытательной машины, позволяет реализовать в трех верхних крепежных отверстиях элемента обода диска напряжения идентичные напряжениям, действующим в соответствующих крепежных отверстиях диска при рабочем нагружении. В этом случае выполняются условия геометрического и механического подобия (стр. 21, В.С. Золотаревский. Механические свойства металлов. Изд-во Металлургия. Москва. - 1983 г. 352 с.).

Предлагаемое устройство позволяет 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.

Испытание проводится по программе длительных статических или циклических испытаний, соответствующей условиям эксплуатации турбоагрегата, а также программе, воспроизводящей график набора оборотов турбомашины от пуска из холодного состояния до ее остановки, когда усилия прикладываются в виде последовательности повторяющихся нарастающих ступенчатых циклов [см. патент на изобретение RU №2511214 С2, МПК G01M 13/00, G01N 3/32, опубликованный 06.02.2014].

В ходе испытания ведется постоянный контроль за местами возможного возникновения трещины. При обнаружении трещины замеряют ее размеры и испытание продолжают с периодическим определением ее прироста до полного разрушения элемента обода диска.