Установка для вибрационных испытаний быстровращающихся роторов
Владельцы патента RU 2757974:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ" (САМГУПС) (RU)
Изобретение относится к испытательной технике. Предлагается установка для вибрационных испытаний быстровращающихся роторов, включающая станину, электродвигатель, опорные узлы, в которых установлен испытуемый вал с нагрузочным диском радиальной вибрации, датчики измерения вибрации, аналого-цифровой преобразователь с выводом информации на ЭВМ, отличающаяся тем, что в установку дополнительно введены приводной ротор с диском, в котором выполнены окна, сильфонная муфта, установленная на валу приводного ротора, взаимодействующая с приводным электродвигателем, сопловые аппараты, установленные на статоре приводного ротора и связанные с внешним источником сжатого воздуха, внешний источник сжатого воздуха выполнен с возможностью создания бегущей волны, воздействующей на лопатки нагрузочного диска испытуемого вала через сопловые аппараты и вращающиеся окна приводного ротора, испытуемый вал выполнен с возможностью вращения и нагружения его продольной и крутильной вибрационной нагрузкой, параметры которой определяются углом сдвига окон диска , где m - число окон в диске; n - порядковый номер окна, а число сопловых аппаратов равно числу окон, скоростью вращения приводного ротора, параметрами струи сжатого воздуха и геометрическими характеристиками лопаток нагрузочного диска испытуемого вала, сигналы от датчиков осевой, крутильной и радиальной вибрации ротора поступают в аналого-цифровой преобразователь, связанный с ЭВМ, с помощью которой анализируют взаимное влияние вибраций различных типов с выводом результатов анализа на печать. Технический результат - создание возможности возбуждения и измерения радиальной, продольной и крутильной вибраций ротора в различных сочетаниях, а также определения взаимного влияния вибраций различных типов. 1 ил.
Изобретение относится к испытательной технике, а именно к методам и средствам вибрационных испытаний, и может быть использовано для вибрационных испытаний быстровращающихся изделий, например роторов.
Известен стенд для вибрационной диагностики роторных систем, содержащий возбудитель механических колебаний и приемник колебаний, установленные на общее основание и соединенные между собой, и измерительную систему, состоящую из датчиков измерения вибрации, установленных на опорах подшипников качения и фотоэлектрического датчика, измеряющего число оборотов роторной системы, а также содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и ЭВМ на базе персонального компьютера, содержащего программные блоки обработки сигналов, отличающийся тем, что приемник колебаний выполнен в виде вала с двумя дисками, один из датчиков измерения вибрации виброизмерительного комплекса соединен через фильтр с двухканальным анализатором сигналов и измерительным магнитофоном, соединенным через аналого-цифровой преобразователь с блоком управления ЭВМ, а второй датчик измерения вибрации соединен двухканальным анализатором сигналов, виброметром, фазометром и магнитофоном, также соединенным через АЦП с блоком управления ЭВМ, а фотоэлектрический датчик через частотомер и фазометр связан с АЦП и ЭВМ [Патент РФ №2340882 МПК G01M 13/00. Стенд для вибрационной диагностики роторных систем. Захезин Альберт Михайлович, Малышева Татьяна Васильевна. Опубл. 10.12.2008 г.].
Недостатками указанной конструкции является отсутствие средств возбуждения и измерения продольной и крутильной вибрации ротора в различных сочетаниях, в том числе и с радиальной вибрацией ротора, а также возможности изучения взаимного влияния вибрации различных типов (радиальной, продольной и крутильной) на персональном компьютере с использованием специальных программных средств.
Известна экспериментальная установка, состоящая из станины, электродвигателя и двух опорных узлов, в которых установлен исследуемый вал с нагрузочным диском, отличающаяся тем, что позволяет изменять жесткость вала путем изменения межопорного расстояния за счет перемещения одного из опорных узлов и установок вала другой длины, позволяет использовать компоновочную схему роторно-опорного узла с консольным расположением нагрузочного диска, позволяет использовать в качестве опорных узлов гидродинамические подшипники скольжения с масляной смазкой или подшипники качения различных типоразмеров, позволяет автоматизировано осуществлять сбор и обработку результатов измерения путем съема информации с первичных преобразователей через аналогово-цифровой преобразователь с выводом результатов на персональный компьютер [Патент на полезную модель №96685 МПК G09B. Экспериментальная установка «роторно-опорные узлы». Савин Леонид Алексеевич. Опубл. 10.08.2010 г.].
Недостатками экспериментальной установки является отсутствие средств возбуждения и измерения продольной и крутильной вибрации ротора в различных сочетаниях, а также возможности изучения взаимного влияния вибрации различных типов.
Подтверждением важности изучения взаимного влияния вибрации подтверждают, например, данные, приведенные в работе: [Ерофеев В.И. Изгибно-крутильные, продольно изгибные и продольно-крутильные волны в стержнях. - Вестник научно-технического развития №5(57). - Нижегородский филиал Института машиноведения РАН, Нижний Новгород, 2012 г., С. 3-17].
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом является создание возможности возбуждения и измерения радиальной, продольной и крутильной вибрации ротора в различных сочетаниях, а также определения взаимного влияния вибрации различных типов.
Технический результат достигается тем, что установка для вибрационных испытаний быстровращающихся роторов, состоящая из станины, электродвигателя, опорных узлов, в которых установлен испытуемый вал с нагрузочным диском радиальной вибрации, датчиков измерения вибрации, аналого-цифрового преобразователя с выводом информации на ЭВМ, отличается тем, что в установку дополнительно введены приводной ротор с диском, в котором выполнены окна, сильфонная муфта, установленная на валу приводного ротора, взаимодействующая с приводным электродвигателем, сопловые аппараты, установленные на статоре приводного ротора и связанные с внешним источником сжатого воздуха, внешний источник сжатого воздуха выполнен с возможностью создания бегущей волны, воздействующей на лопатки нагрузочного диска испытуемого вала через сопловые аппараты и вращающиеся окна приводного ротора, испытуемый вал выполнен с возможностью вращения и нагружения его продольной и крутильной вибрационной нагрузкой, параметры которой определяются углом сдвига окон диска где m - число окон в диске; n - порядковый номер окна, а число сопловых аппаратов равно числу окон, скоростью вращения приводного ротора, параметрами струи сжатого воздуха и геометрическими характеристиками лопаток нагрузочного диска испытуемого вала, сигналы от датчиков осевой, крутильной и радиальной вибрации ротора поступают в аналого-цифровой преобразователь, связанный с ЭВМ, с помощью которой анализируют взаимное влияние вибраций различных типов с выводом результатов анализа на печать.
На фиг. 1 показана принципиальная схема установки. Установка включает испытуемый ротор 1, опоры 2, диск 3 с турбинными лопатками 4 и резьбовыми отверстиями 5, ротор 6, опоры 7, сильфонную муфту 8, приводной двигатель 9 (электрический двигатель асинхронного типа), диск 10 с окнами 11, сопловые аппараты 12, а также датчики вибрации 13, 14 и 15, измеряющие радиальную, осевую и крутильную вибрации ротора, а также частоту вращения ротора.
Установка работает следующим образом. Ротор 6, установленный в опорах 7, приводится во вращение приводным электродвигателем 9 через сильфонную муфту 8. При этом через сопловые отверстия 12 от внешнего источника сжатого воздуха подается струя, возбуждающая бегущую волну на лопатках турбины 4 через вращающиеся окна 11 диска 10. При этом, если окна на диске выполнены с углом сдвига
где m - число окон в диске; n - порядковый номер окна, а число сопловых аппаратов равно числу окон. На турбинных лопатках 4 диска 3 ротора 1, вращающегося в опорах 2, возникает бегущая волна с частотой возбуждения f=(k±P) m, где k - число оборотов ротора 1; Ρ - число оборотов ротора 6.
Путем установки в резьбовые отверстия 5 диска 3 грузиков задают дисбаланс ротора 1, возбуждая тем самым радиальную вибрацию ротора 1. Путем изменения частоты вращения ротора 6, давления и пульсации сжатого воздуха, подаваемого через сопла 12, раскручивают ротор 1 до заданных оборотов. При этом за счет бегущей волны возбуждают крутильную вибрацию ротора 1, а за счет прерывистости подачи сжатого воздуха на турбинные лопатки 4 создают осевую вибрацию ротора 1.
Для измерения крутильной вибрации ротора можно использовать, в частности, дискретно-фазовый метод (ДФМ), предназначенный для определения деформаций динамически нагруженных лопаток вращающихся колес турбогенераторов посредством определения угловых положений торцов лопаток. Измерения колебаний производятся в трех местах (13, 14 и 15) с использованием токовихревых или индуктивных датчиков вибрации. Все элементы конструкции ротора при их вращении совершают угловые статические (в виде закрутки) и динамические (в виде колебаний) перемещения относительно оси ротора, а также линейные перемещения в направлениях вдоль оси и в радиальном направлении относительно оси ротора. Расстояния между датчиками назначают таким образом, чтобы при возникновении срывных или дисковых колебаний показания были близки к максимальным. Снимаемый с датчиков сигнал позволяет зафиксировать крутильные, радиальные и осевые перемещения ротора. Программной обработкой результатов измерений предусмотрена также возможность определения числа оборотов ротора с помощью датчика ДФМ, для чего при измерениях учитывается сигнал, поступающий только от одной лопатки. Частотный модулированный сигнал от ДФМ датчиков поступает в демодулятор ЧМ-сигналов, затем в блок, определяющий временную диаграмму и далее в блок записи и анализа поступающей деформации (персональный компьютер). Сигналы от других датчиков вибрации 14 и 15 также через виброизмерительный комплекс поступают к блоку записи и анализа информации (тип датчиков вибрации и состав виброизмерительного комплекса не являются предметом изобретения). Изменяя величину и (или) частоту возбуждающей нагрузки одной из вибраций фиксируют степень ее влияния на вибрации других направлений путем аналитического сопоставления показаний датчиков измерения вибрации и частоты вращения ротора на персональном компьютере с помощью специально разработанной программы для определения интенсивности взаимного влияния вибрации различных типов. Таким путем исследуют взаимное влияние вибраций, существенность которого показана, например, в теоретической работе Ерофеева В.И.: Изгибно-крутильные, продольно изгибные и продольно-крутильные волны в стержнях. - Вестник научно-технического развития №5(57). - Нижегородский филиал Института машиноведения РАН, Нижний Новгород, 2012 г., С. 3-17.
Использование предложенного технического решения, например, при доводке энергетических установок транспортных систем, дает возможность уменьшить интенсивность вибрационной нагрузки на агрегаты и системы энергетической установки, избежать возникновения дополнительных резонансов, расширения зон неустойчивой работы энергетической установки и т.п.и тем самым повысить ее качество, существенно увеличить ресурс, привести в соответствие санитарным нормам по уровню вибрации рабочее место человека-оператора (машиниста), тем самым существенно улучшить условия его работы и избежать аварийных ситуаций, причиной которых является человеческий фактор и др.
Промышленная применимость полезной модели подтверждается тем, что в настоящее время существуют десятки тысяч измерителей параметров радиальной, осевой и крутильной вибрации роторов (датчиков вибрации) различных принципов работы и конструктивного исполнения, аналогово-цифровых преобразователей с выводом результатов на персональный компьютер, а взаимное влияние вибрации, в частности, например, амплитудночастотных характеристик вибрации, фиксируют сопоставлением данных, полученных с помощью вышеуказанных датчиков вибрации на персональном компьютере с помощью специально разработанной программы. Никаких дополнительных средств при проверке промышленной применимости данного технического решения не требуется.
Новизна полезной модели заключается в возможности одновременного возбуждения и измерения вибраций различных типов, аналитическом сопоставлении параметров вибрации различных типов существующими средствами и выявлении взаимного влияния вибраций на вибрационную прочность и надежность машины.
Установка позволяет на стадии доводки роторной машины выявить причины возникновения нерасчетных резонансных явлений, возникающих из-за взаимного влияния вибраций различных типов, путем конструкторской доработки предотвратить возникновение резонансных режимов, возможным последствием которых является разрушение машины в целом и, тем самым, повысить вибрационную прочность и надежность работы машины. Эффективность от внедрения полезной модели не поддается численной оценке, так как по сути предотвращает возможность разрушения машины.
Установка для вибрационных испытаний быстровращающихся роторов, состоящая из станины, электродвигателя, опорных узлов, в которых установлен испытуемый вал с нагрузочным диском радиальной вибрации, датчиков измерения вибрации, аналого-цифрового преобразователя с выводом информации на ЭВМ, отличающаяся тем, что в установку дополнительно введены приводной ротор с диском, в котором выполнены окна, сильфонная муфта, установленная на валу приводного ротора, взаимодействующая с приводным электродвигателем, сопловые аппараты, установленные на статоре приводного ротора и связанные с внешним источником сжатого воздуха, внешний источник сжатого воздуха выполнен с возможностью создания бегущей волны, воздействующей на лопатки нагрузочного диска испытуемого вала через сопловые аппараты и вращающиеся окна приводного ротора, испытуемый вал выполнен с возможностью вращения и нагружения его продольной и крутильной вибрационной нагрузкой, параметры которой определяются углом сдвига окон диска 
где m - число окон в диске; n - порядковый номер окна, а число сопловых аппаратов равно числу окон, скоростью вращения приводного ротора, параметрами струи сжатого воздуха и геометрическими характеристиками лопаток нагрузочного диска испытуемого вала, сигналы от датчиков осевой, крутильной и радиальной вибраций ротора поступают в аналого-цифровой преобразователь, связанный с ЭВМ, с помощью которой анализируют взаимное влияние вибраций различных типов с выводом результатов анализа на печать.
