×
20.04.2019
219.017.35e7

Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения циклической долговечности вращающейся детали

Вид РИД

Изобретение

№ охранного документа
0002685438
Дата охранного документа
18.04.2019
Аннотация: Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам определения ресурса вращающихся деталей. Сущность: проводят расчеты напряженно-деформированного состояния и циклической долговечности при типовом цикле работы вращающейся детали с учетом ее конструктивных особенностей, создающих зоны концентрации напряжений. Определяют местоположение зоны концентрации напряжений и минимальную циклическую долговечность в этой зоне. Изготавливают модельный образец с соблюдением геометрического подобия по отношению к вращающейся детали и определенным диаметром. Ориентировочное значение частоты вращения модельного образца определяют в соответствии с параметрами испытательной установки. Толщину модельного образца выбирают идентичной толщине вращающейся детали, при этом модельный образец выполняют с учетом конструктивных особенностей вращающейся детали. Затем модельный образец устанавливают в испытательную установку и уточняют его максимальную частоту вращения по определенному соотношению. Используя полученные результаты расчета, задают максимальную частоту вращения модельного образца, проводят испытание модельного образца, создавая при этом условия как при типовом цикле работы вращающейся детали, и фиксируют количество испытательных циклов до момента появления трещины в модельном образце. Технический результат: возможность определять циклическую долговечность вращающихся деталей с учетом их различных конструктивных особенностей, создающих зоны концентрации напряжений. 7 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам определения ресурса вращающихся деталей.

Существует класс деталей, например, диски турбомашин, разрушение которых в процессе работы может приводить к опасным последствиям, связанным с повреждением изделия, например двигателя, и созданием угрозы для жизни людей. Основным повреждающим фактором для этих деталей является малоцикловая усталость под действием повторно-статической нагрузки, которая проявляется в зонах концентрации высоких напряжений (отверстия, галтели, пазы и др.) в виде трещин. С целью предотвращения опасных последствий перед введением в эксплуатацию изделия проводятся циклические испытания натурных деталей в составе турбомашины либо на разгонных установках, по результатам которых определяется их циклическая долговечность. Основные проблемы при проведении циклических испытаний заключаются в их большой продолжительности и сложности, а также в обеспечении необходимым оборудованием, которое требует больших энергозатрат. Поэтому актуальной задачей является упрощение объекта испытаний, сокращение времени проведения испытаний при сохранении необходимых параметров и ресурсов.

Известен способ циклических испытаний замковых соединений элемента ротора турбомашины (US 7204153, 2007), где для испытаний используют вырезанные фрагменты выступа диска и натурные рабочие лопатки. Испытания проводят на испытательной машине, за счет чего достигается сокращение времени испытаний. Недостатком способа является отсутствие возможности циклических испытаний в других зонах концентрации напряжений диска.

Известно техническое решение (RU 155239, 2015), где описан способ исследования контактных напряжений в замковых соединениях, в котором воспроизводят напряженно-деформированное состояние замковых соединений керамических лопаток в соответствии с реальными условиями работы двигателя на модельном образце. Техническое решение позволяет снизить материалоемкость и временя испытаний за счет использования малогабаритной детали в виде модельного образца. Недостатком является возможность исследования только контактных зон замкового соединения керамических лопаток.

Известен способ экспериментального исследования двухосного напряженно-деформированного состояния (US 8601881, 2013), где формируют модельный вращающийся диск с наружным диаметром от 50 до 100 мм и толщиной от 6 до 10 мм. Испытание модельного вращающегося диска выполняется на разгонном стенде с помощью его крепления через переходник к шпинделю привода. За счет использования высокооборотного привода с максимальной частотой вращения в модельном вращающемся диске возможно воспроизвести уровень напряжений, реализуемый в дисках натурной величины. Однако при реализации данного технического решения невозможно достоверно определить циклическую долговечность диска из-за отсутствия зон концентрации напряжений в модельном диске.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения долговечности дисков турбомашин (RU 2511214, 2014). В данном способе создают контактные напряжения в крепежном отверстии элемента обода диска, нагружают элемент обода диска повторяющимися циклическими растягивающимися усилиями, воспроизводят место возникновения и траекторию роста трещины в критических зонах дисков турбомашин, фиксируют количество циклов нагружения до разрушения элемента обода диска. Данное техническое решение позволяет сократить время испытательного цикла. Недостатком способа является отсутствие возможности испытаний критических зон расположенных в элементах ступицы и полотна диска.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в устранении указанного выше недостатка и в расширении арсенала технических средств, а именно в создании способа определения циклической долговечности вращающейся детали.

Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании способа определения циклической долговечности вращающейся детали с учетом ее конструктивных особенностей, создающих зоны концентрации напряжений.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа определения циклической долговечности вращающейся детали проводят расчеты напряженно-деформированного состояния и циклической долговечности при типовом цикле работы вращающейся детали с учетом ее конструктивных особенностей, создающих зоны концентрации напряжений, определяют местоположение зоны концентрации напряжений и минимальную циклическую долговечность в этой зоне, изготавливают модельный образец с соблюдением геометрического подобия по отношению к вращающейся детали, диаметр модельного образца определяют из соотношения:

где

DДа - диаметр модельного образца, мм;

DД1 - диаметр вращающейся детали, мм;

ωД1 - максимальная частота вращения вращающейся детали, об/мин;

ωД2 - ориентировочное значение частоты вращения модельного образца, об/мин,

причем ωДа определяют в соответствии с параметрами испытательной установки, а толщину модельного образца выбирают идентичной толщине вращающейся детали, модельный образец выполняют с учетом конструктивных особенностей вращающейся детали, затем модельный образец устанавливают в испытательную установку, уточняют максимальную частоту вращения ωД2_МАКС модельного образца из соотношения:

где

NД2_МИН - минимальная расчетная циклическая долговечность модельного образца при испытательном цикле работы, цикл;

NД1_МИН - минимальная расчетная циклическая долговечность вращающейся детали при типовом цикле работы, цикл,

используя полученные результаты расчета, задают максимальную частоту вращения модельного образца, проводят испытание модельного образца, создавая при этом условия как при типовом цикле работы вращающейся детали, и фиксируют количество испытательных циклов до момента появления трещины в модельном образце.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как только совокупность существенных признаков, характеризующих изобретение, позволяет создать способ определения циклической долговечности вращающейся детали с учетом ее конструктивных особенностей, создающих зоны концентрации напряжений.

Настоящее изобретение поясняется подробным описанием способа определения циклической долговечности вращающейся детали со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1-7, где

на фиг. 1 изображена вращающаяся деталь с конструктивными особенностями в виде отверстий;

на фиг. 2 - вращающаяся деталь с конструктивной особенностью в виде галтели;

на фиг. 3 - вращающаяся деталь с конструктивными особенностями в виде пазов;

на фиг. 4 - модельный образец с конструктивными особенностями в виде отверстий;

на фиг. 5 - модельный образец с конструктивной особенностью в виде галтели;

на фиг. 6 - модельный образец с конструктивными особенностями в виде пазов;

на фиг. 7 представлен график определения максимальной частоты вращения модельного образца с конструктивной особенностью в виде галтели.

На фиг. 1-6 приняты следующие обозначения:

1 - отверстие во вращающейся детали;

2 - галтель во вращающейся детали;

3 - паз во вращающейся детали;

4 - отверстие в модельном образце;

5 - галтель в модельном образце;

6 - паз в модельном образце;

7 - перемычка между пазами 3 во вращающейся детали;

8 - перемычка между пазами 6 в модельном образце;

9 - зона крепления в испытательной установке;

10 - стенка модельного образца;

11 - фланец модельного образца.

Способ определения циклической долговечности вращающейся детали реализуется следующим образом. Проводят расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС) и циклической долговечности при типовом цикле работы вращающейся детали с учетом ее конструктивных особенностей, создающих зоны концентрации напряжений. Конструктивные особенности вращающейся детали могут быть выполнены в виде отверстий 1, галтели 2 и пазов 3 (см. фиг. 1-3). Расчеты НДС и циклической долговечности проводят по известному из уровня техники способу (Газотурбинные двигатели, А.А. Иноземцев, В.Л. Сандрацкий. ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь, 2006 г. стр. 1013-1014). Причем циклическую долговечность до появления трещины определяют по эмпирической зависимости:

где

f - эмпирическая зависимость;

NД1 - расчетная циклическая долговечность вращающейся детали, цикл;

Т- температура детали, °С;

Δε - размах деформаций в детали, %;

σm - среднее напряжение детали, МПа.

Далее определяют местоположение зоны концентрации напряжений и минимальную циклическую долговечность NД1_МИН в этой зоне. Как правило, зоны с минимальной циклической долговечностью располагаются в отверстиях 1, пазах 2 и галтелях 3 вращающейся детали, создающих концентрацию напряжений. После чего изготавливают модельный образец вращающейся детали с соблюдением по отношению к ней геометрического подобия. Модельный образец изготавливают из того же материала, что и вращающуюся деталь. Диаметр модельного образца определяют из соотношения:

где

DД2 - диаметр модельного образца, мм;

DД1 - диаметр вращающейся детали, мм;

ωД1 - максимальная частота вращения вращающейся детали, об/мин;

ωД2 - ориентировочное значение частоты вращения модельного образца, об/мин.

Ориентировочное значение частоты вращения ωД2 модельного образца определяют в соответствии с параметрами испытательной установки, а толщину s модельного образца выбирают идентичной толщине вращающейся детали. Причем модельный образец выполняют с учетом конструктивных особенностей (отверстий, галтелей, пазов) вращающейся детали, создающих зоны концентрации напряжений.

Изготовленный с учетом конструктивных особенностей вращающейся детали модельный образец устанавливают в испытательную установку. Модельный образец имеет зону 9 крепления в испытательной установке. Для закрепления образца может быть применена посадка с натягом, резьбовое соединение или иной способ закрепления. Типовые модельные образцы показаны на фиг. 4-6.

Проводят серию расчетов минимальной циклической долговечности NД2_МИН в критической зоне модельного образца при различных значениях частоты вращения в испытательном цикле нагружения.

Далее уточняют максимальную частоту вращения ωД2_МАКС модельного образца из соотношения:

Используя полученные результаты расчета, на испытательной установке задают максимальную частоту вращения для модельного образца. При проведении испытания, создают условия вращения модельного образца такие же, как при типовом цикле работы вращающейся детали. Затем фиксируют количество испытательных циклов до момента появления трещины в модельном образце.

Выполнение конструктивных особенностей (отверстий, галтелей, пазов) вращающейся детали на модельном образце осуществляется в зависимости от их типа следующим образом.

Конструктивная особенность вращающейся детали в виде отверстий 1 выполняется на модельном образце в виде отверстий 4 с сохранением диаметра d отверстий 1 (фиг. 1, 4). Местоположение отверстий 4 выбирается из соотношения:

где

DK - диаметр фланца 11 модельного образца, мм;

RK - радиус перехода от фланца 11 к стенке 10 модельного образца, мм;

Do2 - диаметр расположения отверстия 4, мм;

DД2 - диаметр модельного образца, мм.

На модельной образце величина радиуса RK перехода выбирается таким образом, чтобы напряжения, действующие в концентраторе напряжений в виде отверстия были выше, чем напряжения в зоне этого радиуса перехода.

Количество отверстий 4 в модельном образце выбирается из соотношения:

2≤n2≤n1,

где

n1 - количество отверстий 1 во вращающейся детали;

n2 - количество отверстий 4 в модельном образце.

Конструктивная особенность вращающейся детали в виде галтели 2 выполняется на модельном образце в виде галтели 5 с сохранением радиуса галтели 2 и размещается в месте перехода от фланца 11 к стенке 10 модельного образца (фиг. 2, 5).

Конструктивная особенность вращающейся детали в виде пазов 3 выполняется на модельном образце в виде пазов 6 с сохранением их конфигурации (фиг. 3, 6).

Количество пазов 6 в модельном образце, совпадающее с количеством перемычек 8 между пазами, выбирается из соотношения:

2≤n4≤n3,

где

n3 - количество перемычек 7 между пазами 3 во вращающейся детали;

n4 - количество перемычек 8 между пазами 6 в модельном образце.

При этом должно выполняться условие:

sп3≤sп4

где

sп3 - толщина перемычки 7 между пазами вращающейся детали, мм;

sп4 - толщина перемычки 8 между пазами модельного образца, мм.

В случае если паз предназначен для крепления лопаток, то модельный образец испытывают совместно с лопатками или их имитаторами.

В качестве примера реализации способа был изготовлен модельный образец с конструктивной особенностью в виде галтели с радиусом 1 мм (фиг. 5). Диаметр модельного образца в соответствии с формулой составил:

где

диаметр DД1 вращающейся детали равен 600 мм;

максимальная частота вращения ωД1 вращающейся детали составляет 15000 об/мин;

ориентировочное значение частоты вращения ωД2 модельного образца составляет 90000 об/мин и определяется в соответствии с имеющимися техническими возможностями испытательной установки.

Максимальная частота вращения ωД2_МАКС определялась по пересечению зависимости минимальной расчетной циклической долговечности NД2_МИН мин модельного образца с минимальной расчетной циклической долговечностью NД1_МИН вращающейся детали (фиг. 7).

Предложенный способ обеспечивает возможность определения циклической долговечности вращающихся деталей с учетом их различных конструктивных особенностей, создающих зоны концентрации напряжений, в том числе расположенных в элементах ступицы и полотна вращающихся деталей, выполненных в виде дисков, позволяет снизить энергозатраты, продолжительность испытаний за счет уменьшения момента инерции объекта испытаний, а также материалоемкость.


Способ определения циклической долговечности вращающейся детали
Способ определения циклической долговечности вращающейся детали
Способ определения циклической долговечности вращающейся детали
Способ определения циклической долговечности вращающейся детали
Способ определения циклической долговечности вращающейся детали
Способ определения циклической долговечности вращающейся детали
Способ определения циклической долговечности вращающейся детали
Способ определения циклической долговечности вращающейся детали
Способ определения циклической долговечности вращающейся детали
Способ определения циклической долговечности вращающейся детали
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 204.
10.02.2013
№216.012.23f8

Система регулирования осевых сил на радиально-упорном подшипнике ротора турбомашины

Изобретение относится к системе регулирования осевых сил на радиально-упорном подшипнике ротора турбомашины и позволяет уменьшить воздействие осевой силы на радиально-упорный подшипник передней части составного ротора турбомашины путем перераспределения по заданному закону избыточной силы на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474710
Дата охранного документа: 10.02.2013
10.02.2013
№216.012.2458

Способ мультиантенной электростатической диагностики газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы

Изобретение относится к области диагностики технического состояния газотурбинных двигателей. Технический результат - повышение эффективности и оперативности диагностики технического состояния газотурбинных двигателей в процессе их производства, испытаний и эксплуатации. Технический результат...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474806
Дата охранного документа: 10.02.2013
27.02.2013
№216.012.2baa

Пульсирующий детонационный прямоточный воздушно-реактивный двигатель и способ функционирования двигателя

Пульсирующий детонационный прямоточный воздушно-реактивный двигатель содержит сверхзвуковой воздухозаборник, сверхзвуковую камеру смешения, сверхзвуковую камеру сгорания, выходное сверхзвуковое сопло, воспламенитель топливовоздушной смеси и систему подачи топлива. Система подачи топлива...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002476705
Дата охранного документа: 27.02.2013
27.02.2013
№216.012.2c7c

Способ диагностики турбореактивного двухконтурного двигателя со смешением потоков

Изобретение относится к области авиационной техники. По замерам полетной информации определяют величину R идеальной тяги двигателя как R=R- GV, где R - условная тяга реактивного сопла, соответствующая полному расширению в нем выхлопной струи до атмосферного давления, G - расход воздуха на входе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002476915
Дата охранного документа: 27.02.2013
10.04.2013
№216.012.33c5

Способ изготовления интегрального блиска с охлаждаемыми рабочими лопатками, интегральный блиск и охлаждаемая лопатка для газотурбинного двигателя

Отдельные охлаждаемые лопатки из монокристаллического сплава соединяют с дисковой частью из гранулируемого сплава в единую деталь горячим изостатическим прессованием (ГИП) в зоне, где длительные прочности этих сплавов одинаковы при одной и той же температуре в длительном рабочем режиме...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478796
Дата охранного документа: 10.04.2013
10.05.2013
№216.012.3e2d

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель содержит топливную форсунку, размещенную в носовой части двигателя перед воздухозаборником, и расположенные за ним камеру сгорания и сопло, а также устройство возбуждения молекул кислорода резонансным лазерным излучением в камере сгорания....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002481484
Дата охранного документа: 10.05.2013
20.06.2013
№216.012.4d6c

Газодинамический воспламенитель

Изобретение может быть использовано в авиационных и ракетных двигателях и стендовых газоструйных устройствах. Газодинамический воспламенитель содержит полый корпус, стержневой газоструйный излучатель со сверхзвуковым кольцевым соплом, резонатор с цилиндрической полостью, соединительную камеру с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485402
Дата охранного документа: 20.06.2013
10.07.2013
№216.012.5497

Газогенератор гтд

Газогенератор газотурбинного двигателя содержит двухступенчатый центробежный компрессор, камеру сгорания и, по меньшей мере, одну осевую ступень турбины, связанную с компрессором по оси в единый ротор, установленный в статоре на подшипниках качения. Рабочие колеса ступеней компрессора и турбины...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002487258
Дата охранного документа: 10.07.2013
10.08.2013
№216.012.5d9f

Экологически чистая газотурбинная установка регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания и способ управления ее работой

Экологически чистая газотурбинная установка регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания содержит осевой компрессор, турбину, теплообменник-рекуператор, каталитическую камеру сгорания, соединяющий их газовоздушный канал, топливную систему с форсункой, систему автоматического...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489588
Дата охранного документа: 10.08.2013
27.08.2013
№216.012.6526

Способ определения коэффициента сухого трения фрикционных пар при быстро осциллирующих перемещениях

Изобретение относится к области исследований и физических измерений. Сущность: одну неподвижную деталь фрикционной пары, выполняющую функцию демпфера, прижимают с варьируемым регулируемым усилием к другой подвижной детали этой пары, совершающей на резонансной частоте быстро осцилирующее...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002491531
Дата охранного документа: 27.08.2013
Показаны записи 1-1 из 1.
21.04.2023
№223.018.5081

Нагревательное устройство для высокотемпературных испытаний образцов на растяжение

Изобретение относится к области технической физики, а именно к устройствам для высокотемпературных испытаний образцов на растяжение, и может быть использовано для испытаний образцов из различных материалов. Сущность изобретения состоит в том, что устройство выполнено в виде половин полого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002794074
Дата охранного документа: 11.04.2023
+ добавить свой РИД