RU2511214C2

RU2511214C2 - Method for determining service life of turbomachine discs

Info

Publication number: RU2511214C2
Application number: RU2012126431/28A
Authority: RU
Inventors: Валерий Николаевич Шлянников; Борис Владимирович Ильченко; Рустам Раисович Яруллин; Александр Павлович Захаров
Original assignee: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский научный центр Российской академии наук
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2014-04-10
Also published as: RU2012126431A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to turbomachine building, in particular to methods for determining service life of turbomachines discs by modelling during bench tests of working conditions of loading and damage in critical zones of turbomachine discs. Essence of the invention consists in the following: contact strains are generated in upper attachment hole of wheel rim element. Wheel rim element is loaded with recurrent cyclic tensional strains. Sequence of recurrent cyclic tensional strains is preset as increasing stepped cycles simulating diagram of turbomachine spinup from cold start to its stop. Each loading step is followed by specific loading time adjustment. Place of crack appearance and its growth path in critical zones of turbomachines discs observed during operation are simulated. Number of loading cycles till fracture of wheel rim element is recorded.

EFFECT: possibility of simulation during bench tests of working conditions of loading and damage in critical zones of turbomachine discs.

1 dwg

Description

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.The invention relates to turbomachinery, in particular to methods for determining the durability of turbomachine discs. The proposed method allows to simulate in the process of bench testing the operational loading conditions and damage in the critical areas of the turbomachine disks.

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].A known method of testing the material of disks of turbomachines for strength, according to which a radial through cut is made in the disk and the disk is loaded normal to the plane of the cut, which consists in the fact that, in order to enable testing of disks having structural through holes, the cut is made from the hole contour in the disk towards its center, and from the diametrically opposite side of the hole, radially cut the disk to its edge [see patent SU 1227974 A1, IPC G01N 3/00].

Достоинством изобретения является обеспечение возможности испытания дисков, имеющих конструктивные сквозные отверстия.An advantage of the invention is the possibility of testing discs having structural through holes.

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.The disadvantage of this system is that the known method forcibly sets the location of the defect and its growth path. Performing the initial notch reduces the overall durability of the disk element in advance and does not allow to correctly determine the durability of the structure to failure.

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].As a prototype, a well-known method for testing the strength of blade blades of turbomachines by applying forces to an element of a rim of a disk having grooves for accommodating blades and inter-grooved protrusions, which consists in applying force to adjacent grooves with a value equal to the centrifugal force of two blades and inter-groove protrusion, has been adopted , and to the ends of the rim element at an angle to the axis of the inter-groove protrusion [see SU patent No. 1114916 A, IPC 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.An advantage of the invention is the ability to reproduce in the disk the required value of the ratio of radial and circumferential stresses, as well as contact stresses acting on the contact surfaces of the groove.

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.The disadvantage of this system is that the known method does not reproduce the place of occurrence and the crack growth path observed during operation, and the nature of the loading of the disk element does not take into account the load changing modes during operation of the turbomachine.

Задачей изобретения является моделирование в процессе стендовых испытаний эксплуатационных условий нагружения и поврежденности в критических зонах дисков турбомашин.The objective of the invention is the simulation in the process of bench testing of operational conditions of loading and damage in critical areas of the disks of turbomachines.

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.This is achieved by the fact that according to the method for determining the durability of the turbomachine disks, a loading snap is installed in the grips of the test machine, which generates a tensile force, the disk rim element is fixed in the loading tool, the load from the test machine is distributed to the fastening elements of the disk rim, and contact stresses are created on the contact surfaces of the element the rim of the disk, set the sequence of repeated cyclic tensile forces with a maximum value equal to the centrifugal force of the blades attacks, observe the places of possible occurrence of cracks within the disk rim element and record the number of loading cycles of the disk rim element to failure, while the sequence of repeated cyclic tensile forces is set in the form of incremental step cycles that reproduce the graph of the set of revolutions of the turbomachine from starting from cold to its stops characterized by the fact that each stage of loading is accompanied by a certain exposure of the load in time. Due to this, the place of occurrence and the crack growth path reproduce the damage in the critical zones of the turbomachine disks observed during operation.

Способ определения долговечности дисков турбомашин осуществляется следующим образом.The method for determining the durability of the disks of turbomachines is as follows.

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.The element of the rim of the disk of the turbomachine 1, having one upper 2 and two lower mounting holes 3, is installed in a snap loading test machine (not shown). A tensile force P is applied to the upper mounting hole of the disc rim element. The two lower mounting holes 3 are fixed to satisfy the equilibrium condition of the disc rim element.

На внутренних контактных поверхностях крепежного отверстия 2 воспроизводят контактные напряжения, имеющие место в эксплуатации в элементах вильчатого замкового соединения лопатки с диском (фиг.1).On the internal contact surfaces of the mounting holes 2 reproduce contact stresses that occur in operation in the elements of the forked castle connection of the blade with the disk (figure 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.The tensile force P is applied in the form of a sequence of repeating incremental step cycles that reproduce the graph of the set of revolutions of the turbomachine from starting from a cold state to its stop. These cycles are characterized by the fact that each stage of loading is accompanied by a certain exposure of the load in time. The number of such steps when the turbine reaches its rated operating mode can reach five.

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.The proposed method allows to reproduce in the area of the upper mounting hole of the element of the rim of the disk stress-strain state (VAT), the corresponding VAT of the forked lock connection of the turbine disk when it is part of a turbine unit. The application of force to the upper mounting hole 2 along the vertical axis allows reproducing the magnitude of the maximum stresses, the place of occurrence and the crack growth path in this zone, observed during operation. A crack occurs on the inner contact surface of the mounting hole 2.

При проведении испытаний осуществляется контроль места возникновения трещины, а при обнаружении трещины замеряют ее размеры.During testing, the place of occurrence of the crack is controlled, and when a crack is detected, its dimensions are measured.

Испытания продолжают до полного разрушения образца с фиксацией количества циклов нагружения.Tests continue until the sample is completely destroyed with a fixation of the number of loading cycles.

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.Thus, the reproduction of contact stresses in the element of the rim of the disk, the actual step loading, which reproduces the graph of the set of revolutions of the turbomachine from starting from a cold state to its stop and, as a result, the appearance and development of cracks from the inner surface of the mounting hole during testing, simulates operational operating conditions of a turbomachine disk.

Claims

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. A method for determining the durability of turbomachine disks, which consists in the following: installing a loading snap into the grips of a testing machine that generates a tensile force, securing a disk rim element in a loading snap, distributing the load from the testing machine to the mounting elements of the disk rim, creating contact stresses on the contact surfaces element of the rim of the disk, set the sequence of repeated cyclic tensile forces with a maximum value equal to the centrifugal force of the blades, nab the cracks within the disk rim element are monitored and the number of loading cycles of the disk rim element to failure is recorded, characterized in that the sequence of repeated cyclic tensile forces is set in the form of incremental step cycles that reproduce the graph of the set of revolutions of the turbomachine from starting from cold to stops characterized by the fact that each stage of loading is accompanied by a certain exposure of the load in time, while the place of occurrence the trajectory of crack growth reproduces the damage in critical areas of turbomachinery disc, observed during the operation.