RU2730115C1 - Method of testing for strength of a disc of a turbomachine, having concentrators of stresses in the form of holes, and a device for its implementation - Google Patents
Method of testing for strength of a disc of a turbomachine, having concentrators of stresses in the form of holes, and a device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2730115C1 RU2730115C1 RU2020111401A RU2020111401A RU2730115C1 RU 2730115 C1 RU2730115 C1 RU 2730115C1 RU 2020111401 A RU2020111401 A RU 2020111401A RU 2020111401 A RU2020111401 A RU 2020111401A RU 2730115 C1 RU2730115 C1 RU 2730115C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hole
- turbomachine
- disk
- model
- turbomachine disk
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M13/00—Testing of machine parts
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/32—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к турбомашиностроению, в частности, к способам испытания на прочность дисков турбомашин, имеющих концентраторы напряжений в виде отверстий, и устройствам для осуществления указанных способов. Предложенные способ и устройство позволяют воспроизводить в процессе лабораторных испытаний эксплуатационное напряженно-деформированное состояние (НДС), поврежденность в критических зонах ступицы дисков турбомашин и определять их долговечность.The invention relates to turbomachinery, in particular, to methods for testing the strength of turbomachine disks having stress concentrators in the form of holes, and devices for implementing these methods. The proposed method and device make it possible to reproduce in the process of laboratory tests the operational stress-strain state (SSS), damage in the critical zones of the hub of turbomachine disks and to determine their durability.
Известен способ определения долговечности дисков турбомашин (RU 2511214 С2, 10.04.2014) В данном способе 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.There is a known method for determining the durability of turbomachine disks (RU 2511214 C2, 10.04.2014) In this method, loading equipment is installed in the grips of the testing machine, which forms a tensile force, the disc rim element is fixed in the loading equipment, the load from the testing machine is distributed to the fastening elements of the disc rim, create contact stresses on the contact surfaces of the disc rim element, set a sequence of repeated cyclic tensile forces with a maximum value equal to the centrifugal force of the blades, observe the places of possible crack initiation within the disc rim element and record the number of loading cycles of the disc rim element before failure, characterized by that the sequence of repetitive cyclic tensile forces is set in the form of increasing stepped cycles that reproduce the graph of the turbomachine's rpm from cold start to stop, characterized by the fact that each stage is hot The fracture is accompanied by a certain load holding in time, while the place of occurrence and the trajectory of crack growth reproduce the damage in the critical zones of the turbomachine disks observed during operation.
Достоинством изобретения является возможность моделировать в процессе стендовых испытаний эксплуатационные условия нагружения и поврежденность в критических зонах дисков турбомашин.The advantage of the invention is the ability to simulate in the course of bench tests the operating conditions of loading and damage in the critical zones of the disks of turbomachines.
Недостатком этой системы является отсутствие возможности испытаний критических зон, расположенных в элементах ступицы диска.The disadvantage of this system is the inability to test the critical zones located in the disc hub elements.
Известен способ определения циклической долговечности вращающейся детали с изготовлением модельного образца (RU 2685438 С1, 18.04.2019). В данном способе 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, определяют диаметр модельного образца, причем частоту вращения модельного образца 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 модельного образца, 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.A known method for determining the cyclic durability of a rotating part with the manufacture of a model sample (RU 2685438 C1, 04/18/2019). In this method, calculations of the stress-strain state and cyclic durability are carried out for a typical cycle of operation of a rotating part, taking into account its design features that create stress concentration zones, the location of the stress concentration zone and the minimum cyclic durability in this zone are determined, a model sample is made in compliance with geometric similarity according to in relation to the rotating part, the diameter of the model sample is determined, and the rotational speed of the model sample is determined in accordance with the parameters of the test setup, and the thickness of the model sample is chosen to be identical to the thickness of the rotating part, the model sample is made taking into account the design features of the rotating part, then the model sample is installed in the test setup , specify the maximum rotational speed of the model sample, using the obtained calculation results, set the maximum rotational speed of the model sample, test the model sample, while creating conditions as in a typical cycle of a rotating part, and record the number of test cycles until a crack appears in the model sample.
Достоинством изобретения является возможность определения циклической долговечности вращающейся детали с учетом ее конструктивных особенностей, создающих зоны концентрации напряжений.The advantage of the invention is the ability to determine the cyclic durability of a rotating part, taking into account its design features that create stress concentration zones.
Недостатком этой системы является высокая металлоемкость изготовления модельного образца в случае необходимости исследования локального участка концентрации напряжений, например, сквозного отверстия под стяжной болт. Другим недостатком этой системы является то, что данный способ не позволяет проводить испытания модельного образца при высоких температурах, которым подвержены диски турбин при эксплуатации.The disadvantage of this system is the high metal consumption of manufacturing a model sample if it is necessary to study the local area of stress concentration, for example, a through hole for a tie bolt. Another disadvantage of this system is that this method does not allow testing a model sample at high temperatures, which are exposed to turbine discs during operation.
Известен способ испытания элементов диска турбомашины на малоцикловую усталость, заключающийся в том, что из зоны, охватывающей конструктивные сквозные отверстия в диске, вырезают образец, выполняют в нем разрез от контура отверстия до его наружной поверхности и циклически нагружают образец усилиями, нормальными к плоскости разреза до разрушения, по которому судят о малоцикловой усталостной долговечности диска, в котором с целью повышения точности путем обеспечения идентичности напряженного состояния в образце и диске, между центром тяжести поперечного сечения образца и точкой на поверхности образца с наибольшей интенсивностью напряжений, выполняют сквозное отверстие, ось которого параллельная оси конструктивного отверстия, а размер и месторасположение выбирают из условия равенства напряжений в образце и диске между отверстиями. [SU 1504548 А1, 30.08.1989].There is a known method of testing the elements of a turbomachine disk for low-cycle fatigue, which consists in the fact that a sample is cut out from the zone covering the structural through holes in the disk, a cut is made in it from the contour of the hole to its outer surface and the sample is cyclically loaded with forces normal to the plane of the cut to fracture, by which the low-cycle fatigue life of the disk is judged, in which, in order to improve accuracy by ensuring the identity of the stress state in the sample and the disk, between the center of gravity of the sample cross-section and the point on the sample surface with the highest stress intensity, a through hole is made, the axis of which is parallel the axes of the structural hole, and the size and location are selected from the condition of equality of stresses in the sample and the disk between the holes. [SU 1504548 A1, 30.08.1989].
Достоинством изобретения является обеспечение идентичности напряженного состояния в образце и диске.The advantage of the invention is to ensure the identity of the stress state in the sample and the disk.
Недостатком этой системы является отсутствие воспроизведения эксплуатационного распределения напряжений в плоскости от контура конструктивного сквозного отверстия в радиальном направлении, так как в этой плоскости, для реализуемого по данному способу напряженного состояния, характерно падение растягивающих напряжений с переходом в сжимающие напряжения, что не позволит, вводя дополнительный концентратор напряжений в виде сквозного отверстия, на достаточном для оценки малоцикловой усталости расстоянии от конструктивного сквозного отверстия, повысить растягивающие напряжения до требуемого уровня.The disadvantage of this system is the lack of reproduction of the operational stress distribution in the plane from the contour of the structural through hole in the radial direction, since in this plane, for the stress state realized according to this method, a drop in tensile stresses with a transition to compressive stresses is characteristic, which will not allow introducing an additional a stress concentrator in the form of a through hole, at a distance sufficient to assess low-cycle fatigue from the structural through hole, increase tensile stresses to the required level.
В качестве прототипа принят способ испытания материала дисков турбомашин на прочность, по которому в диске или, если он имеет большие размеры, то в вырезке образца в виде части диска вокруг конструктивного сквозного отверстия, выполняют радиальный сквозной надрез, который моделирует эксплуатационные условия работы материала диска, и нагружают диск по нормали к плоскости надреза, заключающийся в том, что, с целью обеспечения возможности испытания дисков, имеющих конструктивные сквозные отверстия, в условиях, моделирующих эксплуатационные, 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 [SU 1227974 А1, 30.04.1986].As a prototype, a method for testing the material of turbomachine disks for strength is adopted, according to which in the disk or, if it has large dimensions, then in the sample cut in the form of a part of the disk around the structural through hole, a radial through notch is made, which simulates the operating conditions of the disk material, and load the disk along the normal to the notch plane, which consists in the fact that, in order to ensure the possibility of testing disks with structural through holes, under conditions simulating operational, the notch is made from the contour of the hole in the disk towards its center, and from the diametrically opposite the sides of the hole perform a radial cut of the disc to its edge [SU 1227974 A1, 30.04.1986].
Достоинством изобретения является обеспечение возможности испытания дисков, имеющих конструктивные сквозные отверстия.An advantage of the invention is to provide the possibility of testing discs having structural through holes.
Недостатком этой системы является то, что в известном способе с использованием предложенной имитационной модели - диска турбомашины или вырезки образца в виде части диска вокруг конструктивного сквозного отверстия с выполненным радиальным сквозным надрезом от контура отверстия в диске по направлению к его центру и с радиальным разрезом диска (его части) до его кромки с диаметрально противоположной стороны отверстия, не учитывается, что при распространении трещины к центру диска происходит занижение скорости роста трещины по отношению к скорости роста трещины, наблюдаемой при эксплуатации диска турбомашины, что вызвано снижением напряжений по направлению к центру диска, при циклическом нагружении с постоянной по величине максимальной нагрузкой, а также не учитывается влияние температуры при проведении испытаний диска турбомашины на прочность, что не соответствует эксплуатационным условиям.The disadvantage of this system is that in the known method using the proposed simulation model - a turbomachine disk or cutting a sample in the form of a part of a disk around a structural through hole with a radial through notch made from the contour of the hole in the disk towards its center and with a radial cut of the disk ( its part) to its edge from the diametrically opposite side of the hole, it is not taken into account that when the crack propagates to the center of the disk, the rate of crack growth is underestimated in relation to the rate of crack growth observed during operation of the turbomachine disk, which is caused by a decrease in stresses towards the center of the disk, under cyclic loading with a constant maximum load, and the effect of temperature is not taken into account when testing the turbomachine disk on strength, which does not correspond to operating conditions.
Существенным недостатком изобретения является нанесение радиального сквозного надреза от контура отверстия по направлению к центру диска, задающего место образования трещины. По данному способу создается сквозная трещина и моделируется ее рост, что не соответствует реальным повреждениям, наблюдаемым в дисках турбомашин. Визуальный анализ раскрытых изломов дисков турбомашин по трещинам показал, что они зарождались на поверхности крепежного отверстия в ступице со стороны центрального отверстия и развивались в радиальном направлении к центральному отверстию. У поверхности отверстия под болт у каждого из разрушенных дисков имеется зона наиболее интенсивного окисления поверхности, свидетельствующая о том, что начальный этап разрушения связан с развитием в диске несквозной поверхностной трещины полуэллиптической формы (Стр. 543, Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. - Уфа: Монография, 2003. - 803 с., ил.).A significant disadvantage of the invention is the application of a radial through cut from the contour of the hole towards the center of the disk, which defines the location of the crack. This method creates a through crack and simulates its growth, which does not correspond to the real damage observed in the disks of turbomachines. A visual analysis of the disclosed fractures of the turbomachine disks along the cracks showed that they originated on the surface of the mounting hole in the hub from the side of the central hole and developed in the radial direction towards the central hole. At the surface of the bolt hole, each of the fractured discs has a zone of the most intense surface oxidation, which indicates that the initial stage of fracture is associated with the development of a blind surface crack of a semi-elliptical shape in the disc (p. 543, Shanyavsky A.A. Safe fatigue failure of aircraft structural elements Synergetics in engineering applications - Ufa: Monograph, 2003. - 803 p., Ill.).
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является увеличение приближенности к эксплуатационным условиям при проведении испытаний на прочность дисков турбомашин, имеющих концентраторы напряжений в виде отверстий, воспроизведение в процессе лабораторных испытаний эксплуатационного НДС, поврежденности в критических зонах ступицы дисков турбомашин и определение их долговечности.The technical problem to be solved by the invention is to increase the proximity to the operating conditions when testing the strength of turbomachine disks with stress concentrators in the form of holes, to reproduce in the process of laboratory tests the operational stress-strain rate, damage in the critical zones of the turbomachine disk hub and to determine their durability.
Задачей изобретения является создание нового, свободного от недостатков аналогов, способа испытания на прочность диска турбомашины, имеющего концентраторы напряжений в виде отверстий, и устройства для его осуществления, позволяющих определить характеристики долговечности диска турбомашины, имеющего концентраторы напряжений в виде отверстий, точное воспроизведение места возникновения, траектории и скорости роста трещины и расширяющего арсенал известных средств указанного назначения.The objective of the invention is to create a new, free from the disadvantages of analogues, a method for testing the strength of a turbomachine disk having stress concentrators in the form of holes, and a device for its implementation, allowing to determine the characteristics of the durability of a turbomachine disk having stress concentrators in the form of holes, accurate reproduction of the place of origin, trajectories and rates of crack growth and expanding the arsenal of known means for the specified purpose.
Техническим результатом изобретения является конструктивная особенность предлагаемого устройства - имитационной модели для испытания на прочность диска турбомашины, имеющего концентраторы напряжений в виде отверстий, выполненной с точным численным расчетом критической зоны поврежденности в критических зонах ступицы дисков турбомашин, а также в приложении к имитационной модели в процессе испытания с возможностью учета температурного влияния циклических растягивающих усилий в виде ступенчато возрастающих нагрузок, числовые величины и моменты дискретного изменения которых определены расчетным методом, что позволяет более точно смоделировать эксплуатационные условия работы диска турбомашины с учетом условия упругопластического деформирования, возникающего в зоне концентрации напряжений. Технический результат изобретения также состоит в расширении арсенала известных средств - способов и устройств испытания на прочность дисков турбомашин, имеющих концентраторы напряжений в виде отверстий.The technical result of the invention is a design feature of the proposed device - a simulation model for testing the strength of a turbomachine disk, having stress concentrators in the form of holes, made with an accurate numerical calculation of the critical damage zone in the critical zones of the hub of the turbomachine disks, as well as applied to the simulation model during testing with the possibility of taking into account the temperature effect of cyclic tensile forces in the form of stepwise increasing loads, the numerical values and moments of discrete change of which are determined by the calculation method, which makes it possible to more accurately simulate the operating conditions of the turbomachine disk, taking into account the conditions of elastoplastic deformation that occurs in the stress concentration zone. The technical result of the invention also consists in expanding the arsenal of known means - methods and devices for testing the strength of turbomachine disks having stress concentrators in the form of holes.
Задача решается, и технический результат достигается заявляемыми способом испытания на прочность диска турбомашины, имеющего концентраторы напряжений в виде отверстий, и устройством для его осуществления - имитационной моделью диска турбомашины, имеющего концентраторы напряжений в виде отверстий, в модели выполнено имитирующее сквозное отверстие под стяжной болт в полноразмерном диске турбомашины сквозное отверстие с выполненным исходным радиальным надрезом, моделирующим начальную поверхностную трещину, от контура сквозного отверстия имитационной модели диска турбомашины по направлению к его центру, и с выполненным с диаметрально противоположной надрезу стороны сквозного отверстия радиальным разрезом до кромки имитационной модели диска турбомашины, особенность заявляемой модели состоит в том, что исходный надрез от контура сквозного отверстия имитационной модели диска турбомашины по направлению к его центру выполнен несквозным и полуэллиптической формы.The problem is solved, and the technical result is achieved by the claimed method of testing the strength of a turbomachine disk having stress concentrators in the form of holes, and a device for its implementation - a simulation model of a turbomachine disk having stress concentrators in the form of holes, in the model there is a simulating through hole for a tightening bolt in a full-size turbomachine disk a through hole with an initial radial notch that simulates an initial surface crack, from the contour of a through hole of a simulation model of a turbomachine disk towards its center, and with a radial cut made from a side of the through hole diametrically opposite to the notch to the edge of a simulation model of a turbomachine disk, feature of the claimed model consists in the fact that the initial cut from the contour of the through hole of the simulation model of the turbomachine disk towards its center is made blind and semi-elliptical in shape.
В лучшем примере реализации изобретения предпочтительно, чтобы соотношение ширины исходного надреза на цилиндрической поверхности и его глубины по направлению к центру диска находилось в диапазоне от 2:1 до 7:1 для максимального соответствия начальным эксплуатационным повреждениям.In the best example of implementation of the invention, it is preferable that the ratio of the width of the initial notch on the cylindrical surface and its depth towards the center of the disk was in the range from 2: 1 to 7: 1 to best match the initial operational damage.
Для возможности установки имитационной модели в оснастку нагружения в захваты испытательной машины в ней выполнены крепежные отверстия.For the possibility of installing the simulation model into the loading tooling in the grips of the testing machine, fastening holes are made in it.
Задача также решается, и технический результат достигается заявляемым способом испытания на прочность диска турбомашины, имеющего концентраторы напряжений в виде отверстий, заключающимся в том, что в имитационной модели диска турбомашины, имеющей сквозное отверстие, имитирующее сквозное отверстие под стяжной болт в полноразмерном диске турбомашины, выполняют исходный радиальный надрез, моделирующий начальную поверхностную трещину, от контура сквозного отверстия имитационной модели диска турбомашины по направлению к его центру, с диаметрально противоположной надрезу стороны сквозного отверстия выполняют радиальный разрез имитационной модели диска турбомашины до его кромки, и нагружают по нормали к плоскости надреза, причем исходный надрез от контура сквозного отверстия имитационной модели диска турбомашины по направлению к его центру выполняют несквозным и полуэллиптической формы, а нагружение прикладывают в виде повторяющихся циклических растягивающих ступенчато возрастающих нагрузок, числовые величины которых и моменты перехода на следующую ступень нагрузки определяют заранее расчетным методом.The problem is also solved, and the technical result is achieved by the claimed method of testing the strength of a turbomachine disk having stress concentrators in the form of holes, which consists in the fact that in a simulation model of a turbomachine disk having a through hole simulating a through hole for a tie bolt in a full-size turbomachine disk is performed the initial radial notch modeling the initial surface crack, from the contour of the through hole of the imitation model of the turbomachine disk towards its center, from the side of the through hole diametrically opposite to the notch, a radial cut of the imitation model of the turbomachine disk is made to its edge, and loaded along the normal to the notch plane, and the initial notch from the contour of the through hole of the imitation model of the turbomachine disk towards its center is made blind and semi-elliptical, and the loading is applied in the form of repeated cyclic tensile stepwise increasing loads, the numerical values of which and the moments of transition to the next stage of the load are determined in advance by the calculation method.
Настоящее изобретение поясняется подробным описанием способа испытания на прочность диска турбомашины, имеющего концентраторы напряжений в виде отверстий, и устройства для его осуществления со ссылкой на иллюстрации, представленные на фигурах 1-4, где:The present invention is illustrated by a detailed description of a method for testing the strength of a turbomachine disk having stress concentrators in the form of holes and a device for its implementation with reference to the illustrations shown in Figures 1-4, where:
на фиг. 1 представлен график определения необходимой нагрузки для воспроизведения НДС в имитационной модели диска турбомашины в определенные моменты распространения фронта трещины;in fig. 1 shows a graph for determining the required load to reproduce SSS in a simulation model of a turbomachine disk at certain moments of crack front propagation;
на фиг. 2 - заявляемая имитационная модель диска турбомашины, имеющая концентратор напряжений в виде отверстия;in fig. 2 - the inventive simulation model of the turbomachine disk having a stress concentrator in the form of a hole;
на фиг. 3 имитационная модель диска турбомашины в процессе испытания в высокотемпературной печи;in fig. 3 simulation model of a turbomachine disk during testing in a high-temperature furnace;
на фиг. 4 - график зависимости длины трещины от количества циклов нагружения в эксперименте (в примере конкретной реализации изобретения).in fig. 4 is a graph of the dependence of the crack length on the number of loading cycles in the experiment (in an example of a specific implementation of the invention).
На фиг. 1-4 приняты следующие обозначения:FIG. 1-4 the following designations are adopted:
1 - кривая распределения эквивалентных напряжений в диске турбомашины, в плоскости распространения трещины х;1 - curve of distribution of equivalent stresses in the disk of the turbomachine, in the plane of crack propagation x;
2 - кривая распределения эквивалентных напряжений в имитационной модели диска турбомашины, в плоскости распространения трещины х, при начальной Р0 нагрузке;2 - the curve of the distribution of equivalent stresses in the simulation model of the turbomachine disk, in the plane of crack propagation x, at the initial P 0 load;
3 - кривая распределения эквивалентных напряжений в имитационной модели диска турбомашины, в плоскости распространения трещины х, при Pi нагрузке;3 - curve of the distribution of equivalent stresses in the simulation model of the turbomachine disk, in the plane of crack propagation x, at P i load;
4 - кривая распределения эквивалентных напряжений в имитационной модели диска турбомашины, в плоскости распространения трещины х, при Pn нагрузке;4 - the curve of the distribution of equivalent stresses in the simulation model of the turbomachine disk, in the plane of crack propagation x, at P n load;
5 - ступени увеличения нагрузки от Р0 до Pn;5 - steps of increasing the load from P 0 to P n ;
6 - имитационная модель диска турбомашины;6 - simulation model of the turbomachine disk;
7 - отверстие в имитационной модели, являющееся концентратором напряжений;7 - hole in the simulation model, which is a stress concentrator;
8 - исходный надрез, моделирующий начальную несквозную поверхностную трещину полуэллиптической формы;8 - initial cut, simulating an initial blind surface crack of a semi-elliptical shape;
9 - радиальный разрез;9 - radial section;
10 - кромка;10 - edge;
11, 12 - крепежные отверстия;11, 12 - mounting holes;
13 - оснастка нагружения;13 - loading equipment;
14 - высокотемпературная печь.14 - high temperature furnace.
Способ испытания на прочность диска турбомашины, имеющего концентраторы напряжений в виде отверстий, осуществляют следующим образом.The method for testing the strength of a turbomachine disk having stress concentrators in the form of holes is carried out as follows.
На первом этапе определяют НДС полноразмерного диска турбомашины с конструктивными концентраторами напряжений в виде отверстий. Данная задача имеет аналитическое решение только для упрощенной геометрии дисков турбомашин (Стр. 196, Конструирование и расчет на прочность турбомашин газотурбинных и комбинированных установок: Учеб. Пособие для студентов машиностроит. спец. вузов / Под ред. Н.Н. Малинина. - М.: Машиностроение, 1990. - 400 с.: ил.) и не позволяет учесть условия упругопластического деформирования, возникающие в зоне концентрации напряжений. Эти ограничения можно снять путем решения задачи численно, например, по методу конечных элементов (МКЭ). Результатом численного решения является определение уровня упругопластических напряжений и деформаций по всему диску, а также в зоне отверстий. При этом строят зависимость уровня напряжений от контура отверстия по направлению к центру диска (линия 1, направление x, фиг. 1).At the first stage, the stress-strain state of a full-size turbomachine disk with structural stress concentrators in the form of holes is determined. This problem has an analytical solution only for the simplified geometry of the disks of turbomachines (p. 196, Design and strength calculation of turbomachines of gas turbine and combined plants: Textbook. A manual for students of mechanical engineering special universities / Ed. By NN Malinin. - M. : Mashinostroenie, 1990. - 400 p .: ill.) And does not allow taking into account the conditions of elastoplastic deformation arising in the zone of stress concentration. These restrictions can be removed by solving the problem numerically, for example, using the finite element method (FEM). The result of the numerical solution is to determine the level of elastoplastic stresses and strains throughout the disk, as well as in the area of the holes. In this case, the dependence of the stress level on the contour of the hole is plotted towards the center of the disk (
Далее в МКЭ программном комплексе создается геометрия имитационной модели диска турбомашины, имеющей концентратор напряжений в виде отверстий (фиг. 2). В первом приближении она должна полностью повторить геометрию ступичной зоны диска турбомашины, в которой располагается отверстие. Целью данного этапа численных расчетов является определение начальной нагрузки Р0, которую необходимо приложить, чтобы максимальные напряжения в области отверстия имитационной модели диска турбомашины были идентичны с НДС полноразмерного диска турбомашины, определенным на первом этапе. Это итерационная задача, которая решается в несколько шагов. Допускается упрощение внешних обводов имитационной модели диска турбомашины при условии сохранения идентичности распределения НДС ступичной зоны диска турбомашины.Further, in the FEM software package, the geometry of the imitation model of the turbomachine disk is created, which has a stress concentrator in the form of holes (Fig. 2). As a first approximation, it should completely repeat the geometry of the hub zone of the turbomachine disk, in which the hole is located. The purpose of this stage of numerical calculations is to determine the initial load P 0 , which must be applied so that the maximum stresses in the region of the hole in the imitation model of the turbomachine disk are identical with the stress-strain state of the full-size turbomachine disk, determined at the first stage. This is an iterative task that takes several steps. It is allowed to simplify the external contours of the imitation model of the turbomachine disk, provided that the distribution of the SSS of the hub zone of the turbomachine disk is preserved.
НДС в зоне отверстия для имитационной модели диска турбомашины и отверстия полноразмерного диска турбомашины оценивают по обобщенным параметрам интенсивности упругопластических напряжений и деформаций по формулам:The stress-strain state in the area of the hole for the simulation model of the turbomachine disk and the hole of the full-size turbomachine disk is estimated by the generalized parameters of the intensity of elastoplastic stresses and strains by the formulas:
где σe - эквивалентные напряжения, εe - эквивалентные деформации, σxx, σyy, σzz - компоненты нормальных напряжений, σху, σyz, σzx - компоненты сдвиговых напряжений, εхх, εyy, εzz - компоненты нормальных деформаций, εxy, εyz, εzx - компоненты сдвиговых деформаций.where σ e are equivalent stresses, ε e are equivalent deformations, σ xx , σ yy , σ zz are normal stress components, σ xy , σ yz , σ zx are shear stress components, ε xx , ε yy , ε zz are normal deformations, ε xy , ε yz , ε zx are the components of shear deformations.
На фигуре 1 линией 2 представлена кривая распределения эквивалентных напряжений в имитационной модели диска турбомашины от контура отверстия по направлению к центру диска х при начальной Р0 нагрузке. Из рисунка видно, что распределения эквивалентных напряжений в имитационной модели диска турбомашины совпадают с распределениями эквивалентных напряжений полноразмерного диска турбомашины лишь до некоторого удаления от контура отверстия. Далее по направлению к центру диска х наблюдается значительное снижение уровня эквивалентных напряжений в имитационной модели диска турбомашины. Это связано с тем, что приложение к имитационной модели диска турбомашины нагрузки Р0 приводит к возникновению на некотором удалении от сквозного отверстия сжимающих напряжений, что не соответствует НДС ступицы дисков турбомашин в эксплуатации. Следовательно, для обеспечения соответствия НДС имитационной модели диска турбомашины и НДС ступичной зоны полноразмерного диска турбомашины, в которой располагается отверстие, необходимо прикладывать к имитационной модели диска турбомашины ступенчатые нагрузки Р0<Pi<Pn (линии 2, 3, 4, 5 на фиг. 1). При этом количество ступеней нагружения зависит от ширины ступичной зоны полноразмерного диска турбомашины, а моменты перехода на следующие ступени зависят от текущей длины трещины а в направлении х и определяются точками пересечения кривых 2, 3, 4 с кривой 1 (фиг. 1).In figure 1,
В том случае, когда габаритные размеры имитационной модели диска турбомашины не позволяют поместить ее в высокотемпературную печь или величины нагрузок Р0, Pi, Pn превышают максимальное усилие, которое позволяет задавать испытательная машина, испытания проводят при выполнении условий подобия механических испытаний. Габариты имитационной модели диска турбомашины уменьшают до величины, при которой номинальное усилие, задаваемое силонагружателем испытательной машины, позволяет реализовать НДС ступичной зоны полноразмерного диска турбомашины. В этом случае выполняются условия геометрического и механического подобия (стр. 21, B.C. Золотаревский. Механические свойства металлов. Изд-во Металлургия. Москва. - 1983 г. 352 с.). При этом комплекс численных расчетов по подбору нагрузок Р0, Pi, Pn повторяют.In the case when the overall dimensions of the simulation model of the turbomachine disk do not allow it to be placed in a high-temperature furnace or the values of the loads P 0 , P i , P n exceed the maximum force that the testing machine allows setting, the tests are carried out under the conditions of similarity of mechanical tests. The dimensions of the imitation model of the turbomachine disk are reduced to a value at which the nominal force set by the test machine force loader makes it possible to implement the stress-strain state of the hub zone of the full-size turbomachine disk. In this case, the conditions of geometric and mechanical similarity are met (p. 21, BC Zolotarevsky. Mechanical properties of metals. Publishing house Metallurgy. Moscow. - 1983 352 p.). In this case, a complex of numerical calculations for the selection of loads P 0 , P i , P n is repeated.
Имитационная модель 6 диска турбомашины (фиг. 2) вырезается из ступичной зоны полноразмерного диска турбомашины или же изготавливается из материала, соответствующего материалу полноразмерного диска турбомашины с соблюдением условий подобия габаритов и расположения концентратора напряжений в виде сквозного отверстия 7.The
С целью обеспечения идентичности начальной поврежденности имитационной модели 6 диска турбомашины и полноразмерного диска турбомашины в плоскости симметрии отверстия-концентратора напряжения выполняют несквозной надрез 8 полуэллиптической формы от контура отверстия по направлению к центру диска. С диаметрально противоположной надрезу 8 стороны отверстия 7 выполняют радиальный разрез 9 имитационной модели 6 диска турбомашины до его кромки 10.In order to ensure the identity of the initial damage of the
Из соображений соответствия начальной поврежденности имитационной модели 6 диска турбомашины поврежденности реального диска в условиях эксплуатации предпочтительно, чтобы соотношение ширины исходного надреза на цилиндрической поверхности и его глубины по направлению к центру диска находилось в диапазоне от 2:1 до 7:1, в противном случае распространение трещины в имитационной модели 6 диска турбомашины может отличаться от распространения трещины в диске турбомашины по скорости роста и направлению (Стр. 545, Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. - Уфа: Монография, 2003. - 803 с., ил.). Причем значение 2:1 рекомендуется для глубины трещины в радиальном направлении близкой к 3 мм, а значение 7:1 - для глубины трещины близкой к 1 мм. Согласно проведенным численным расчетам, при значительном увеличении заявляемого соотношения, например, 20:1, НДС в зоне торцевых поверхностей имитационной модели диска турбомашины значительно превышает НДС полноразмерного диска турбомашины в этой зоне, что приводит к более раннему переходу стадии роста трещины от несквозной до сквозной. Если выполнить надрез с соотношением ширины к глубине значительно меньше заявляемого, например, равным 0,5:1, то НДС вдоль фронта такой трещины не будут соответствовать НДС вдоль фронта трещины полуэллиптической формы.For reasons of correspondence of the initial damage of the
Далее имитационную модель 6 диска турбомашины, имеющую два крепежных отверстия 11 и 12, служащих для передачи усилий Р0, Pi, Pn, и сквозное отверстие 7, имитирующее сквозное отверстие под стяжной болт в полноразмерном диске турбомашины, устанавливают в оснастке 13 нагружения испытательной машины (не показана). К крепежным отверстиям 11 и 12 имитационной модели 6 диска турбомашины прикладывают растягивающие усилия Р. При необходимости проведения испытаний при повышенных температурах, имитационную модель 6 диска турбомашины устанавливают в высокотемпературную печь 14.Further, the
Растягивающее усилие Р прикладывают к имитационной модели 6 диска турбомашины в виде ступенчато возрастающих нагрузок Р0<Pi<Pn, при этом обеспечивается соответствие НДС имитационной модели диска турбомашины и НДС ступичной зоны полноразмерного диска турбомашины, в которой располагается отверстие. За счет этого скорость и траектория роста трещины воспроизводят поврежденность и долговечность в критических зонах ступицы дисков турбомашин, имеющих концентраторы напряжений в виде отверстий, наблюдаемую при эксплуатации.The tensile force P is applied to the
В результате в области сквозного отверстия 7 имитационной модели 6 диска турбомашины от периферии несквозного надреза 8 полуэллиптической формы начинает расти трещина. Во время испытаний осуществляют замер приращения длины трещины da (мм) за соответствующее приращение количества циклов нагружения dN и вычисляют скорость роста трещины da/dN. Испытания продолжают до полного разрушения имитационной модели 6 диска турбомашины и фиксируют количество циклов нагружения до разрушения.As a result, a crack begins to grow in the region of the through
Замер приращения длины трещины da осуществляется по методу разности потенциалов, алгоритм которого описан в работах [Туманов А.В. / Автоматизация определения характеристик циклической трещиностойкости при смешанных формах деформирования на основе метода разности потенциалов // Труды Академэнерго - 2014 - №4 - С. 64-71, Tumanov A.V., Shlyannikov V.N., Chandra Kishen J.M. An automatic algorithm for mixed mode crack growth rate based on drop potential method. Int J Fatigue 81 (2015) 227-237].Measurement of the crack length increment d a is carried out using the potential difference method, the algorithm of which is described in [Tumanov A.V. / Automation of determination of the characteristics of cyclic crack resistance at mixed forms of deformation based on the potential difference method // Proceedings of Academenergo - 2014 - №4 - P. 64-71, Tumanov AV, Shlyannikov VN, Chandra Kishen JM An automatic algorithm for mixed mode crack growth rate based on drop potential method. Int J Fatigue 81 (2015) 227-237].
Таким образом, при осуществлении заявляемого способа с применением заявляемого устройства для его осуществления, точно воспроизводится соответствие НДС имитационной модели диска турбомашины и НДС ступичной зоны полноразмерного диска турбомашины, в которой располагается отверстие, получаемое при приложении циклических растягивающих усилий в виде ступенчато возрастающих нагрузок. Выполнение исходного несквозного надреза полуэллиптической формы от контура отверстия по направлению к центру диска воспроизводит поврежденность в критических зонах ступицы дисков турбомашин, имеющих концентраторы напряжений в виде отверстий, наблюдаемую при эксплуатации. Исходя из количества циклов нагружения имитационной модели диска турбомашины до разрушения определяют долговечность критической зоны диска турбомашины, в которой располагается отверстие. Скорость роста трещины da/dN вычисляется как отношение приращения длины трещины da (мм) за соответствующее приращение количества циклов нагружения dN.Thus, when implementing the proposed method with the use of the claimed device for its implementation, the compliance of the SSS of the imitation model of the turbomachine disk and the SSS of the hub zone of the full-size disk of the turbomachine, in which the hole obtained by applying cyclic tensile forces in the form of stepwise increasing loads is located, is accurately reproduced. Execution of the initial blind notch of a semi-elliptical shape from the contour of the hole towards the center of the disk reproduces the damage in the critical zones of the hub of the disks of turbomachines having stress concentrators in the form of holes, observed during operation. Based on the number of loading cycles of the imitation model of the turbomachine disk before failure, the durability of the critical zone of the turbomachine disk, in which the hole is located, is determined. The crack growth rate d a / dN is calculated as the ratio of the crack length increment d a (mm) for the corresponding increment in the number of loading cycles dN.
Заявляемый способ испытания дисков турбомашин на прочность, имеющих концентраторы напряжений в виде отверстий, проиллюстрирован следующим примером реализации изобретения.The inventive method for testing the strength of turbomachine disks having stress concentrators in the form of holes is illustrated by the following example of the invention.
Известно, что концентратором напряжений и местом образования эксплуатационных повреждений в дисках турбин ГТД является локальная область цилиндрической поверхности сквозного отверстия в ступице. Согласно данным, описанным в [стр. 543, Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. - Уфа: Монография, 2003. - 803 с., ил.] несквозные поверхностные трещины полуэллиптической формы в дисках турбомашин зарождаются на цилиндрической поверхности отверстий в ступице и развиваются по направлению к центральному отверстию. В результате МКЭ расчета полноразмерного диска турбомашины было определено, что соседние сквозные отверстия не оказывают влияние на НДС рассматриваемого отверстия (Shlyannikov V., Ishtyryakov I., Tumanov A. Characterization of the nonlinear fracture resistance parameters for an aviation GTE turbine disc // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures (accepted)). Таким образом, в качестве имитационной модели диска турбомашины можно рассмотреть конструкцию с одним сквозным отверстием под стяжной болт.It is known that the stress concentrator and the place of formation of operational damage in the turbine disks of a gas turbine engine is the local area of the cylindrical surface of the through hole in the hub. According to the data described in [p. 543, Shanyavsky A.A. Safe fatigue failure of aircraft structural elements. Synergetics in engineering applications. - Ufa: Monograph, 2003. - 803 p., Ill.] Blind surface cracks of a semi-elliptical shape in the disks of turbomachines originate on the cylindrical surface of the holes in the hub and develop towards the central hole. As a result of the FEM calculation of the full-size turbine disc, it was determined that adjacent through holes do not affect the stress-strain state of the hole under consideration (Shlyannikov V., Ishtyryakov I., Tumanov A. Characterization of the nonlinear fracture resistance parameters for an aviation GTE turbine disc // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures (accepted)). Thus, as a simulation model of a turbomachine disk, we can consider a design with one through hole for a tightening bolt.
На основе описанных выше расчетов создают имитационную модель диска турбомашины диска 3-й ступени турбины ГТД НК-8-2У. Имитационная модель диска турбомашины с указанием схемы нагружения представлена на фигуре 2. Имитационную модель диска турбомашины проектируют на основе численного анализа методом конечных элементов (МКЭ), для этого проводят МКЭ анализ полноразмерного диска с лопатками с использованием программного комплекса ANSYS [ANSYS mechanical APDL theory reference release 14.5. ANSYS, Inc., Southpointe, 275 Technology Drive, CanonBurg, PA. 2012]. Входными данными для МКЭ анализа полноразмерного диска являются марка материала диска: жаропрочный сплав на никелевой основе ЭИ 698 и условия эксплуатации: угловая скорость вращения диска 590 рад/с, температура 650°С. Геометрия полноразмерного диска с лопатками повторяет чертежи натурной конструкции. МКЭ анализ полноразмерной модели диска с лопатками определяет НДС диска. При формировании расчетной схемы использовались 20-ти узловые трехмерные элементы объемного НДС SOLID 186. Перемещения радиальных сечений диска, соответствующие плоскостям XOY и XOZ были ограничены по нормали. При таком приложении граничных условий выполняются условия циклической симметрии, позволяющие перейти от полноразмерной модели к ее части в виде четверти диска. Ступичная часть диска была ограничена в перемещениях вдоль оси вращения.On the basis of the calculations described above, a simulation model of the turbomachine disk of the disk of the 3rd stage of the GTE NK-8-2U turbine is created. A simulation model of a turbomachine disk with an indication of the loading scheme is shown in Figure 2. A simulation model of a turbomachine disk is designed on the basis of a numerical analysis by the finite element method (FEM); for this, a FEM analysis of a full-size disk with blades is performed using the ANSYS software [ANSYS mechanical APDL theory reference release 14.5. ANSYS, Inc., Southpointe, 275 Technology Drive, CanonBurg, PA. 2012]. The input data for the FEM analysis of a full-size disc are the disc material grade: high-temperature nickel-based alloy EI 698 and operating conditions: the angular speed of the disc rotation 590 rad / s, temperature 650 ° C. The geometry of the full-size blade with blades replicates the full-scale design drawings. FEM analysis of a full-size vane disc model determines the SSS of the disc. When forming the design model, 20-node three-dimensional elements of the volumetric stress-strain state SOLID 186 were used. The displacements of the radial sections of the disk corresponding to the XOY and XOZ planes were limited along the normal. With this application of the boundary conditions, the conditions of cyclic symmetry are satisfied, which make it possible to pass from the full-size model to its part in the form of a quarter-disk. The hub part of the disc was limited in movement along the axis of rotation.
Из результатов МКЭ анализа следует, что одной из высоконагруженных зон диска является цилиндрическая поверхность сквозного отверстия в ступице диска, так как в этой области реализуются напряжения 793,3 МПа, близкие к пределу текучести материала 765 МПа, что в совокупности с переменным характером работы двигателя во время эксплуатации ведет к накоплению повреждений, приводящих к образованию и развитию микро- и макротрещин. Из результатов МКЭ анализа получают распределение напряжений и деформаций в контрольной зоне. Задача имитационной модели диска турбомашины - воспроизведение в процессе лабораторных испытаний эксплуатационного НДС, поврежденности в критических зонах ступицы дисков турбомашин и определение их долговечности.From the results of the FEM analysis, it follows that one of the highly loaded zones of the disk is the cylindrical surface of the through hole in the disk hub, since stresses of 793.3 MPa are realized in this area, which are close to the yield point of the material 765 MPa, which, together with the variable nature of the engine operation during operation time leads to the accumulation of damage, leading to the formation and development of micro- and macrocracks. From the results of the FEM analysis, the distribution of stresses and strains in the control zone is obtained. The task of the imitation model of a turbomachine disk is to reproduce in the process of laboratory tests the operational stress-strain rate, damage in the critical zones of the hub of turbomachine disks and to determine their durability.
Выбор геометрии имитационной модели диска турбомашины осуществляют на основе сравнительного анализа НДС зон концентрации напряжений в имитационной модели диска турбомашины и полноразмерного диска, с учетом влияния конструктивных элементов диска. Форма внешних обводов имитационной модели диска турбомашины выбрана с точки зрения технологичности ее изготовления. Взаимное расположение и геометрические параметры крепежных отверстий проектируют на основе прочностного и численного анализа имитационной модели диска турбомашины таким образом, чтобы не оказывать влияние на зону концентрации напряжений и исключить разрушение имитационной модели диска турбомашины в местах крепления. Габаритные размеры имитационной модели диска турбомашины, изготавливаемой в натуральном масштабе относительно диска турбомашины, не позволяют поместить имитационную модель в печь в процессе испытания. Поэтому имитационной модели диска турбомашины проектируют в масштабе, и уменьшают по отношению к диску в соответствии с условиями подобия механических испытаний [см. стр. 21, B.C. Золотаревский. Механические свойства металлов. Изд-во Металлургия. Москва. - 1983 г. - 352 с.]. Габаритные размеры имитационной модели диска турбомашины составили: высота - 69 мм, ширина - 56 мм, толщина - 27,6 мм, диаметр сквозного отверстия-концентратора напряжения - 9,6 мм.The choice of the geometry of the simulation model of the turbomachine disk is carried out on the basis of a comparative analysis of the stress-strain state of the stress concentration zones in the simulation model of the turbomachine disk and the full-size disk, taking into account the influence of the structural elements of the disk. The shape of the outer contours of the imitation model of the turbomachine disk is selected from the point of view of its manufacturability. The relative position and geometric parameters of the fastening holes are designed on the basis of the strength and numerical analysis of the simulation model of the turbomachine disk so as not to affect the stress concentration zone and to exclude the destruction of the simulation model of the turbomachine disk in the attachment points. The overall dimensions of the simulation model of the turbomachine disk, manufactured in natural scale relative to the turbomachine disk, do not allow the simulation model to be placed in the furnace during testing. Therefore, the simulation model of the turbomachine disk is designed to scale, and reduced in relation to the disk in accordance with the conditions of similarity of mechanical tests [see. p. 21, B.C. Zolotarevsky. Mechanical properties of metals. Publishing house Metallurgy. Moscow. - 1983 - 352 p.]. The overall dimensions of the imitation model of the turbomachine disk were: height - 69 mm, width - 56 mm, thickness - 27.6 mm, diameter of the through hole-stress concentrator - 9.6 mm.
Путем численных расчетов по МКЭ определяют нагрузки P0, P1, P2 при приложении которых НДС в области сквозного отверстия имитационной модели диска турбомашины будет соответствовать НДС полноразмерного диска турбины. Для данной геометрии имитационной модели диска турбомашины ступени нагружения составили: P0=10,2 кН, P1=13,58 кН, P2=16,23 кН, а момент перехода на следующие ступени определяется длинами трещин: а 0=1,9 мм, a 1=2,6 мм, a 2=3,2 мм.By numerical calculations by FEM, the loads P 0 , P 1 , P 2 are determined at the application of which the SSS in the region of the through hole of the imitation model of the turbomachine disk will correspond to the SSS of the full-size turbine disk. For the given geometry of the imitation model of the turbomachine disk, the loading steps were: P 0 = 10.2 kN, P 1 = 13.58 kN, P 2 = 16.23 kN, and the moment of transition to the next steps is determined by the crack lengths: a 0 = 1, 9 mm, a 1 = 2.6 mm, a 2 = 3.2 mm.
Следующим этапом работы является подготовка чертежей имитационной модели диска турбомашины и ее дальнейшее изготовление. Марка материала для изготовления имитационной модели диска турбомашины следующая: жаропрочный сплав на никелевой основе ХН73МБТЮ (ЭИ 698) (ГОСТ 2590-06).The next stage of work is the preparation of drawings of a simulation model of the turbomachine disk and its further manufacture. The grade of the material for the manufacture of the imitation model of the turbomachine disk is as follows: heat-resistant nickel-based alloy KhN73MBTYu (EI 698) (GOST 2590-06).
В имитационной модели 6 диска турбомашины по обе стороны от отверстия 7, являющегося концентратором напряжений, выполнены два отверстия 11 и 12 для приложения нагрузки Р. Количество, расположение и диаметр отверстий 11 и 12 спроектированы на основе прочностного и численного анализа имитационной модели 6 диска турбомашины таким образом, чтобы не оказывать влияние на зону концентрации напряжений и исключить разрушение имитационной модели 6 диска турбомашины в местах крепления [стр. 167, К.А. Басов. ANSYS в примерах и задачах, ООО «КомпьютерПресс». Москва - 2002 г. 224 с.]. С целью обеспечения идентичности начальной поврежденности имитационной модели диска турбомашины и полноразмерного диска турбомашины выполняют несквозной исходный надрез 8 полуэллиптической формы от контура отверстия по направлению к центру диска. В данном примере исходный надрез 8 выполнен электроэрозионным способом и располагается в серединной плоскости ступицы имитационной модели диска турбомашины (плоскости симметрии отверстия-концентратора напряжения) и имеет следующие размеры: общая ширина на цилиндрической поверхности отверстия равна 6 мм, глубина равна 1 мм по направлению к центру диска. С диаметрально противоположной надрезу 8 стороны отверстия выполняют радиальный разрез 9 имитационной модели 6 диска турбомашины до его кромки 10 шириной 1 мм. Ширина разреза, при условии, что она не превышает диаметр отверстия 7, не влияет на проведение испытаний.In the
Изготовленную имитационную модель диска турбомашины при помощи шпилек (не показаны) крепят посредством отверстий 11 и 12 в оснастку нагружения 13, располагаемую в захватах одноосной испытательной машины. В данной реализации способа изобретения была использована одноосная испытательная машина модель Bi-00-201 25kN, производитель фирма BISS, (Индия). Располагают имитационную модель диска турбомашины внутри высокотемпературной печи 14 (фиг. 3), смонтированной на испытательной машине, и производят нагрев до 650°С. В данной реализации изобретения была использована система температурных испытаний СТИ ТС 2/1200.The manufactured simulation model of the turbomachine disk using pins (not shown) is fastened by means of
Распределяют нагрузку от испытательной машины на крепежные элементы имитационной модели диска турбомашины. В плоскости исходного надреза 8 воспроизводят растягивающие напряжения путем приложения к имитационной модели диска турбомашины нагрузок P0, P1, P2, значения которых были получены ранее. Переход на каждую ступень нагружения определяется текущей длиной трещины а, измеряемой в процессе испытаний по методу разности потенциалов.Distribute the load from the testing machine to the fasteners of the simulation model of the turbomachine disk. In the plane of the
Определяют зависимость длины трещины от количества циклов нагружения имитационной модели. График зависимости длины трещины от количества циклов нагружения для данного испытания представлен на фигуре 4.Determine the dependence of the crack length on the number of loading cycles of the simulation model. The graph of the dependence of the crack length on the number of loading cycles for this test is presented in figure 4.
Согласно полученным данным, долговечность имитационной модели диска турбомашины составила 5350 циклов нагружения при максимальной длине трещины 6,9 мм. Скорость роста трещины варьировалась в диапазоне от 2,67Е-04 мм/цикл до 4,3Е-03 мм/цикл.According to the data obtained, the durability of the imitation model of the turbomachine disk was 5350 loading cycles with a maximum crack length of 6.9 mm. The crack growth rate varied from 2.67E-04 mm / cycle to 4.3E-03 mm / cycle.
Предложенный способ испытаний на прочность дисков турбомашин, имеющих концентраторы напряжений в виде отверстий, позволяет оценить эффективность тех или иных конструктивных мероприятий при проектировании дисков турбомашин по критериям долговечности и циклической трещиностойкости.The proposed method for testing the strength of turbomachine disks with stress concentrators in the form of holes makes it possible to evaluate the effectiveness of certain design measures in the design of turbomachine disks according to the criteria of durability and cyclic crack resistance.
Таким образом, предложен новый способ испытания на прочность диска турбомашины, имеющего концентраторы напряжений в виде отверстий, с применением заявляемой имитационной модели, при осуществлении которого точно воспроизводится соответствие НДС имитационной модели диска турбомашины и НДС ступичной зоны полноразмерного диска турбомашины, в которой располагается отверстие, получаемое при приложении циклических растягивающих усилий в виде ступенчато возрастающих нагрузок. Выполнение исходного несквозного надреза полуэллиптической формы от контура отверстия по направлению к центру диска воспроизводит поврежденность в критических зонах ступицы дисков турбомашин, имеющих концентраторы напряжений в виде отверстий, наблюдаемую при эксплуатации. Исходя из количества циклов нагружения имитационной модели диска турбомашины до разрушения, определяют долговечность критической зоны диска турбомашины, в которой располагается отверстие. Скорость роста трещины da/dN вычисляется как отношение приращения длины трещины da (мм) за соответствующее приращение количества циклов нагружения dN.Thus, a new method is proposed for testing the strength of a turbomachine disk having stress concentrators in the form of holes, using the claimed simulation model, in the implementation of which the compliance of the VAT of the simulation model of the turbomachine disk and the VAT of the hub zone of the full-size disk of the turbomachine, in which the hole obtained when cyclic tensile forces are applied in the form of stepwise increasing loads. Execution of the initial blind notch of a semi-elliptical shape from the contour of the hole towards the center of the disk reproduces the damage in the critical zones of the hub of the disks of turbomachines having stress concentrators in the form of holes, observed during operation. Based on the number of loading cycles of the simulation model of the turbomachine disk before failure, the durability of the critical zone of the turbomachine disk, in which the hole is located, is determined. The crack growth rate d a / dN is calculated as the ratio of the crack length increment d a (mm) for the corresponding increment in the number of loading cycles dN.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020111401A RU2730115C1 (en) | 2020-03-18 | 2020-03-18 | Method of testing for strength of a disc of a turbomachine, having concentrators of stresses in the form of holes, and a device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020111401A RU2730115C1 (en) | 2020-03-18 | 2020-03-18 | Method of testing for strength of a disc of a turbomachine, having concentrators of stresses in the form of holes, and a device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2730115C1 true RU2730115C1 (en) | 2020-08-17 |
Family
ID=72086392
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020111401A RU2730115C1 (en) | 2020-03-18 | 2020-03-18 | Method of testing for strength of a disc of a turbomachine, having concentrators of stresses in the form of holes, and a device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2730115C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2808692C1 (en) * | 2023-04-17 | 2023-12-01 | Публичное акционерное общество "ОДК - Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Method for determining fatigue crack growth rate in vacuum |
| FR3140118A1 (en) * | 2022-09-22 | 2024-03-29 | Safran Aircraft Engines | Turbomachine rotating disk test disk |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1227974A1 (en) * | 1984-10-16 | 1986-04-30 | Казанский Ордена Трудового Красного Знамени И Ордена Дружбы Народов Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева | Method of testing material of turbomachine disks for strength |
| SU1504548A1 (en) * | 1987-04-13 | 1989-08-30 | Казанский Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева | Method of testing components of turbomachine disk for low-cycle fatigue |
| DE602005004068T2 (en) * | 2004-06-05 | 2008-04-10 | Rolls-Royce Plc | Apparatus and method for testing fasteners for components |
| RU2511214C2 (en) * | 2012-06-25 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский научный центр Российской академии наук | Method for determining service life of turbomachine discs |
-
2020
- 2020-03-18 RU RU2020111401A patent/RU2730115C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1227974A1 (en) * | 1984-10-16 | 1986-04-30 | Казанский Ордена Трудового Красного Знамени И Ордена Дружбы Народов Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева | Method of testing material of turbomachine disks for strength |
| SU1504548A1 (en) * | 1987-04-13 | 1989-08-30 | Казанский Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева | Method of testing components of turbomachine disk for low-cycle fatigue |
| DE602005004068T2 (en) * | 2004-06-05 | 2008-04-10 | Rolls-Royce Plc | Apparatus and method for testing fasteners for components |
| RU2511214C2 (en) * | 2012-06-25 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский научный центр Российской академии наук | Method for determining service life of turbomachine discs |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3140118A1 (en) * | 2022-09-22 | 2024-03-29 | Safran Aircraft Engines | Turbomachine rotating disk test disk |
| RU2808692C1 (en) * | 2023-04-17 | 2023-12-01 | Публичное акционерное общество "ОДК - Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Method for determining fatigue crack growth rate in vacuum |
| RU2808692C9 (en) * | 2023-04-17 | 2023-12-29 | Публичное акционерное общество "ОДК - Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Method for determining fatigue crack growth rate in vacuum |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhu et al. | Computational-experimental approaches for fatigue reliability assessment of turbine bladed disks | |
| Shi et al. | An investigation of fretting fatigue in a circular arc dovetail assembly | |
| Mangardich et al. | A fracture mechanics based approach for the fretting fatigue of aircraft engine fan dovetail attachments | |
| JP6883121B2 (en) | Extending the life of power turbine disks that are corroded and damaged during operation | |
| Shlyannikov et al. | Mixed-mode crack growth simulation in aviation engine compressor disk | |
| CN114611370B (en) | Method for predicting rotor over-rotation rupture rotation speed and rupture mode and rotor configuration method | |
| RU2730115C1 (en) | Method of testing for strength of a disc of a turbomachine, having concentrators of stresses in the form of holes, and a device for its implementation | |
| CN109583147A (en) | A kind of centrifugal impeller Top spindle gradient-norm of prewhirling intends part design method | |
| Huang et al. | Experimental and analytical investigation for fatigue crack growth characteristics of an aero-engine fan disc | |
| Xiannian et al. | Fatigue crack propagation analysis in an aero-engine turbine disc using computational methods and spin test | |
| Zhang et al. | Review on thermo-mechanical fatigue behavior of nickel-base superalloys | |
| Witek | Crack growth simulation in the compressor blade subjected to vibration using boundary element method | |
| Puneeth et al. | Influence of bird mass and impact height on the fan-blade of an aero-engine | |
| Lin et al. | Reliability analysis of aero-engine blades considering nonlinear strength degeneration | |
| EP3161692A1 (en) | Method for analysis of 3d features using a 2d probabilistic analysis | |
| Nozhnitsky et al. | Numerical simulation of spin testing for turbo machine disks using energy-based fracture criteria | |
| Shlyannikov et al. | Failure analysis of an aircraft GTE compressor disk on the base of imitation modeling principles | |
| RU2724356C1 (en) | Turbo-machine disc locking assembly strength test device | |
| RU2726137C1 (en) | Turbomachine disc locking assembly strength test method | |
| Yarullin et al. | Stress intensity factors for mixed-mode crack growth in imitation models under biaxial loading | |
| Arkhipov et al. | Modeling of cyclic life for compressor rotor of gas turbine engine taking into account production deviations | |
| Li et al. | Experimental investigation on the creep and low cycle fatigue behaviors of a serviced turbine blade | |
| Spodniak et al. | Low cycle fatigue numerical estimation of a high pressure turbine disc for the AL-31F jet engine | |
| Servetnik | Energy-based method for gas turbine engine disk burst speed calculation | |
| Citarella et al. | Fatigue crack growth by FEM-DBEM approach in a steam turbine blade |