|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] 1. Способ контроля лопаток газотурбинного двигателя, включающий измерение геометрических параметров совокупности точек, расположенных вблизи основания, в середине и вблизи вершины лопатки на расстоянии 10, 50 и 90% от высоты лопатки соответственно, проверку отклонения величины параметра от диапазона пригодности и признание лопатки годной, если величина параметра находится внутри диапазона пригодности, или отбраковку лопатки, если величина параметра не находится внутри диапазона пригодности, отличающийся тем, что на базовом участке 1 ×1 мкм (1000 ×1000 нм) замеряется средняя высота неровностей субшероховатости H и при H ≤14 нм и шероховатости R a ≈0,1-0,5 мкм лопатка считается пригодной для дальнейшей эксплуатации.
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
1. Способ контроля лопаток газотурбинного двигателя, включающий измерение геометрических параметров совокупности точек, расположенных вблизи основания, в середине и вблизи вершины лопатки на расстоянии 10, 50 и 90% от высоты лопатки соответственно, проверку отклонения величины параметра от диапазона пригодности и признание лопатки годной, если величина параметра находится внутри диапазона пригодности, или отбраковку лопатки, если величина параметра не находится внутри диапазона пригодности, отличающийся тем, что на базовом участке 1 ×1 мкм (1000 ×1000 нм) замеряется средняя высота неровностей субшероховатости H и при H ≤14 нм и шероховатости R a ≈0,1-0,5 мкм лопатка считается пригодной для дальнейшей эксплуатации.
(19)
Евразийское
патентное
ведомство
032992
(13) B1
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2019.08.30
(21) Номер заявки 201700153
(22) Дата подачи заявки 2016.12.21
(51) Int. Cl.
G01B11/30 (2006.01) F01D 5/14 (2006.01) G01Q 60/24 (2010.01)
(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТИ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
(56) RU-C2-2360224 US-B2-8691104 RU-C1-2498883
(43) 2018.06.29
(96) 2016/035 (AZ) 2016.12.21
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ АВИАЦИИ (AZ)
(72) Изобретатель:
Пашаев Ариф Мир Джалал оглы, Джанахмедов Ахад Ханахмед оглы, Самедов Адалят Солтан оглы, Алиев Акпер Алиназар оглы (AZ)
(74) Представитель:
Нифталиев Г.В. (AZ)
(57) Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для контроля поверхностей лопаток газотурбинных двигателей (ГТД). В процессе эксплуатации в результате высокотемпературного и эрозионного воздействия исходная шероховатость (высота неровностей) поверхности лопаток ГТД увеличивается в широких пределах, что приводит к увеличению удельного расхода топлива и снижению КПД ГТД. Во избежание этого при эксплуатации необходимо периодически осуществлять контроль состояния поверхности лопаток. Для оценки эксплуатационных свойств поверхностей лопаток ГТД используется усреднённая характеристика их шероховатости Ra. Однако одним и тем же средним значениям шероховатости могут соответствовать поверхности с кардинально различными свойствами, что говорит о недостаточности использования параметра Ra в качестве единственного критерия отбраковки. Задачей изобретения является контроль процесса изнашивания лопатки ГТД не только по шероховатости, но и по величине субшероховатости её поверхностного слоя. Поставленная задача решается тем, что в способе контроля лопаток газотурбинного двигателя, включающем измерение геометрических параметров совокупности точек, расположенных вблизи основания, в середине и вблизи вершины лопатки на расстоянии 10, 50 и 90% от высоты лопатки соответственно, проверку отклонения величины параметра от диапазона пригодности и признание лопатки годной, если величина параметра находится внутри диапазона пригодности, или отбраковку лопатки, если величина параметра не находится внутри диапазона пригодности, согласно изобретению замеряется средняя высота неровностей субшероховатости H на базовом участке 1> <1 мкм (1000^1000 нм) и при H <14 нм и шероховатости Ra=0,1-0,5 мкм лопатка считается пригодной для дальнейшей эксплуатации.
Изобретение относится к измерению геометрических характеристик твёрдых тел с целью оценки их шероховатости и может быть использовано для контроля топографии поверхностей и решения научно-исследовательских задач.
Техническая область
Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к методам контроля поверхностей лопаток газотурбинных двигателей (ГТД).
Предшествующий уровень техники
В процессе эксплуатации поверхности лопаток ГТД контактируют с горячими газами, движущимися со скоростями обтекания свыше 30 м/с [1]. В результате высокотемпературного и эрозионного воздействия исходная шероховатость (высота неровностей) поверхности лопаток увеличивается в широких пределах, что приводит к увеличению удельного расхода топлива и снижению КПД ГТД.
Внезапное разрушение лопатки при работе двигателя может привести к катастрофическим последствиям. Во избежание этого при эксплуатации необходимо периодически осуществлять контроль состояния поверхности лопаток.
Известен способ контроля лопаток ГТД [2], включающий измерение среднего арифметического из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины, которое должно лежать в диапазоне значений Ra"0,1-0,5 мкм (100-500 нм). Лопатки, не отвечающие данному требованию, отбраковываются.
Недостатком данного способа является отсутствие данных о том, на каких именно участках следует проводить замеры шероховатости поверхности. Эрозионное изнашивание лопатки имеет неравномерный характер, и в разных локальных областях шероховатость может иметь кардинально разнящиеся величины, в т.ч. и не соответствующие допустимым значениям. Это затрудняет принятие решения о кондиционности данной лопатки.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ контроля лопаток ГТД, включающий [3] измерение геометрических параметров совокупности точек, расположенных вблизи основания, в середине и вблизи вершины лопатки на расстоянии 10, 50 и 90% от высоты лопатки соответственно, проверку отклонения величины параметра от диапазона пригодности и признание лопатки годной, если величина параметра находится внутри диапазона пригодности, или отбраковку лопатки, если величина параметра не находится внутри диапазона пригодности.
Недостатком данного способа является отсутствие данных по величине пригодной шероховатости, что требует затрат времени на принятие решения о кондиционности данной лопатки. Сущность изобретения
На практике требуется эффективный способ контроля лопаток ГТД, позволяющий наиболее точно описать состояние их поверхности и исключить из дальнейшей эксплуатации некондиционные изделия.
Наряду с шероховатостью, состояние поверхности характеризуется в т.ч. и субшероховатостью -неровностями нанометрового масштаба (до 100 нм по высоте и до 1000 нм по шагу), измеряемыми с помощью прецизионных средств исследования (атомно-силовой микроскоп и т.п.).
Отличительной особенностью наномасштабных систем является большая площадь поверхностного слоя, где свойства материала имеют существенные отличия от макроразмерного состояния и также определяют ряд эксплуатационных свойств, среди которых износостойкость, прочность и т.п.
Анализ экспериментальных данных показал, что при повышении температуры лопатки до определённого значения начинаются морфологические преобразования поверхности, сопровождающиеся коа-лесценцией (слиянием) малых (со средним размером -10 нм) кластеров в более крупные образования. Фактическая площадь поверхности (площадь контакта) при этом уменьшается в разы.
Очевидно, чем сильнее развита поверхность (степень измельчения вещества), тем более активная теплоотдача происходит между нею и внешней средой. Согласно закону куба - квадрата, линейное увеличение размера вызывает увеличение площади и снижение эффективности теплообмена, пропорциональное квадрату этой величины. Резкое падение теплоотвода ведёт к локальному перегреву тонкого поверхностного слоя, температурному градиенту, росту термических напряжений и возникновению очагов микротрещин. При слиянии горячих микротрещин, растущих от поверхности внутрь лопатки, образуется макроскопическая трещина, и начинается стадия глобального разрушения.
Вероятно, пренебрежение указанными факторами является причиной непредвиденного выхода из строя кондиционных лопаток с допустимой величиной шероховатости.
Анализируя профиль субшероховатости в рамках мультифрактального анализа, можно предположить, что он обладает свойством скейлинга (масштабной инвариантности), когда один и тот же минимальный элемент повторяется во всё более крупном масштабе [4].
Примем, что исследуемая поверхность обладает регулярной субшероховатостью, и её неровности до эксплуатации представляли собой совокупность из круговых конусов высотой h, а после коалесцен-ции - совокупность из меньшего числа подобных круговых конусов высотой H.
Степень ужатия поверхности:
S0 - номинальная боковая площадь поверхности до эксплуатации; S - номинальная боковая площадь поверхности после эксплуатации.
Принимаем, что приемлемый теплообмен возможен при ужатии номинальной площади не более чем в 2 раза (i <2).
Согласно закону куба - квадрата увеличение площади в 2 раза означает увеличение линейных размеров в л/2 раза. Приняв исходную среднюю высоту микронеровностей как h=10 нм, получим, что предельно допустимая средняя высота равна H=hV2"14 нм.
Указанный параметр субшероховатости замеряется на базовой длине 1000 нм (1 мк) для трёх сечений спинки лопатки, расположенных на расстоянии 10, 50 и 90% высоты лопатки.
При средней высоте неровностей субшероховатости H <14 нм и величине шероховатости Ra"0,1-0,5 мкм для всех трёх сечений лопатка считается пригодной для дальнейшей эксплуатации.
Техническая проблема
Для оценки эксплуатационных свойств поверхностей лопаток ГТД используется усреднённая характеристика их шероховатости Ra. Однако одним и тем же средним значениям шероховатости могут соответствовать поверхности с кардинально различными свойствами. Вследствие этого не удаётся получить чёткой зависимости между средними характеристиками шероховатости и эксплуатационными свойствами поверхностей [4].
На практике известны случаи непредвиденного разрушения лопаток, обладающих при этом допустимой величиной шероховатости Ra"0,1-0,5 мкм, что говорит о недостаточности использования параметра Ra в качестве единственного критерия отбраковки.
Решение задачи
Процесс изнашивания лопатки ГТД может контролироваться не только по шероховатости, но и по величине субшероховатости её поверхностного слоя.
Поставленная задача решается тем, что в способе контроля лопаток газотурбинного двигателя, включающем измерение геометрических параметров совокупности точек, расположенных вблизи основания, в середине и вблизи вершины лопатки на расстоянии 10, 50 и 90% от высоты лопатки соответственно, проверку отклонения величины параметра от диапазона пригодности и признание лопатки годной, если величина параметра находится внутри диапазона пригодности, или отбраковку лопатки, если величина параметра не находится внутри диапазона пригодности, согласно изобретению замеряется средняя высота неровностей субшероховатости H на базовом участке 1x1 мкм (1000x1000 нм) и при H <14 нм и шероховатости Ra"0,1-0,5 мкм лопатка считается пригодной для дальнейшей эксплуатации.
Новизна предложенного решения заключается, в том, что состояние фрактальной поверхности определяется более детально с учётом изменения её субшероховатости.
Преимущества изобретения
Использование данного способа позволит более качественно оценить и выбраковывать лопатки ГТД, на топографии поверхности которых начались недопустимые изменения субшероховатости, не выявляемые обычными способами контроля шероховатости.
Краткое описание чертежей
На чертеже представлены контролируемые участки поверхности спинки лопатки ГТД
Осуществление изобретения
Для контроля лопаток газотурбинного двигателя проводятся измерения шероховатости и субшероховатости (средняя высота неровностей) до и после эксплуатации. Указанные параметры определяются с помощью методов атомно-силовой микроскопии для трёх участков спинки лопатки размером 1 x1 мкм (1000x1000 нм), расположенных на расстоянии 10, 50 и 90% высоты лопатки. Величина шероховатости должна составлять Ra"0,1-0,5 мкм. Для лопаток, отвечающих данному требованию по шероховатости, на том же участке проводится измерение средней высоты неровностей H субшероховатости. Лопатка считается пригодной для дальнейшей эксплуатации, если H <14 нм на всех трёх участках.
Лопатка, указанные сечения которой на расстоянии 10, 50 и 90% её высоты отвечают критериям согласно изобретению, достаточно часто имеет требуемые значения параметров по всей своей высоте. Напротив, лопатка, одно из трёх сечений которой не отвечает вышеописанным критериям, достаточно часто имеет некондиционные значения параметров по всей своей высоте.
Примеры
Пример 1.
Проведём контроль лопатки ГТД до и после наработки. До эксплуатации с помощью атомно-силового микроскопа для трёх участков спинки лопатки размером 1 x1 мкм (1000x1000 нм), расположенных на расстоянии 10, 50 и 90% высоты лопатки, измерим шероховатость Ra и среднюю высоту неровностей субшероховатости H. Аналогичные измерения проведём после наработки. Полученные значения запишем в виде таблицы.
До наработки
Участок
Ra, мкм
Н, нм
Заключение
10% высоты лопатки
0,2
Участок кондиционен
50% высоты лопатки
0,2
Участок кондиционен
90% высоты лопатки
0,2
Участок кондиционен
Общее заключение
Лопатка кондиционна
После наработки
Участок
Ra, МКМ
Н, нм
Заключение
10% высоты лопатки
0,3
Участок кондиционен
50% высоты лопатки
0,3
Участок кондиционен
90% высоты лопатки
0,3
Участок кондиционен
Общее заключение
Лопатка кондиционна
Как следует из таблицы, после наработки на всех участках лопатки состояние поверхности по шероховатости и субшероховатости соответствовало требованиям Ra=0,1-0,5 мкм, H <14 нм (i=S0/S <2), и лопатка считается пригодной для дальнейшей эксплуатации.
Пример 2.
Проведём контроль лопатки газотурбинного двигателя до и после наработки. До указанной наработки с помощью атомно-силового микроскопа для трёх участков спинки лопатки размером 1x1 мкм (1000x1000 нм), расположенных на расстоянии 10, 50 и 90% высоты лопатки, измерим шероховатость Ra и среднюю высоту неровностей субшероховатости H. Аналогичные измерения проведём после наработки. Полученные значения запишем в виде таблицы.
До наработки
Участок
Rg, мкм
Н, нм
Заключение
10% высоты лопатки
0,2
Участок кондиционен
50% высоты лопатки
0,2
Участок кондиционен
90% высоты лопатки
0,2
Участок кондиционен
Общее заключение
Лопатка кондиционна
После наработки
Участок
Rg, мкм
Н, нм
Заключение
10% высоты лопатки
0,6
Участок не кондиционен
50% высоты лопатки
0,7
Участок не кондиционен
90% высоты лопатки
0,4
Участок кондиционен
Общее заключение
Лопатка не кондиционна
Как следует из таблицы, после наработки на некоторых участках лопатки состояние поверхности по шероховатости и субшероховатости не соответствовало требованиям Ra"0,1-0,5 мкм, H <14 нм (i=S0/S <2). Лопатка считается непригодной для дальнейшей эксплуатации.
Промышленная применимость
Заявленное техническое решение соответствует критерию промышленная применимость при оценке и контроле свойств шероховатости поверхностей деталей прецизионной механики, так как использует общедоступные технические средства, чем обеспечивается возможность широкого промышленного применения на любом двигателестроительном и эксплуатирующем предприятии.
Использованная литература:
1) Морозов Н.Ф., Смирнов В.И., Петров Ю.В. Об эрозионном разрушении твёрдых тел. в кн. Айзи-кович С. М. и др. Механика контактных взаимодействий. М., Физматлит, 2001 г., с. 640
2) Барышников Н.В., Денисов Д.Г., Животовский И.В., Менделеев В.Я. Экспериментальный анализ погрешности измерения триангуляционного метода в задачах технологического контроля профиля поверхности сложной формы. Инженерный журнал: Наука и инновации, 2013, вып. 9.
3) Патент RU 2360224. Способ контроля лопаток газотурбинного двигателя и устройство для его осуществления
4) Пашаев А.М., Джанахмедов А-X. Фрактальные подходы в механике разрушения. Баку, Апост-рофф, 2015 г., 440 с, с. 234-235
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ контроля лопаток газотурбинного двигателя, включающий измерение геометрических параметров совокупности точек, расположенных вблизи основания, в середине и вблизи вершины лопатки на расстоянии 10, 50 и 90% от высоты лопатки соответственно, проверку отклонения величины параметра от диапазона пригодности и признание лопатки годной, если величина параметра находится внутри диапазона пригодности, или отбраковку лопатки, если величина параметра не находится внутри диапазона пригодности, отличающийся тем, что на базовом участке 1x1 мкм (1000x1000 нм) замеряется средняя высота неровностей субшероховатости H и при H <14 нм и шероховатости Ra"0,1-0,5 мкм лопатка считается пригодной для дальнейшей эксплуатации.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
032992
- 1 -
032992
- 1 -
032992
- 1 -
032992
- 1 -
032992
- 4 -
032992
- 4 -
|
