СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН Российский патент 2004 года по МПК G01M13/00 

Изобретение относится к испытательной и измерительной технике, в частности к устройствам возбуждения и определения параметров колебаний лопаток турбомашин для проведения экспериментальных исследований по динамике и прочности рабочих колес турбомашин.

Изобретение может быть использовано для экспериментальных исследований по демпфирующей способности хвостовиков лопаток и лопаток с демпфирующими покрытиями, разработки технологии изготовления лопаток из разных материалов, оптимизации конструкторско-технологических решений, для проведения разгонных и усталостных испытаний с индукционным нагревом, испытаний бандажей рабочих колес турбомашин на износостойкость и других испытаний в авиадвигателестроении, энергетике и других отраслях машиностроения.

Известен способ возбуждения и определения параметров колебаний лопаток турбомашин, опубликованный в статье "Экспериментальное определение вибрационного состояния рабочих лопаток турбомашин”, "Авиакосмическая техника и технология", Харьков, 2002 г. Труды ХАИ, выпуск. 34. стр.169-172. Способ заключается в понижении давления в бронекамере, вращении ротора до максимально заданной частоты вращения, подачи нагретого воздуха с заданным давлением на лопатки с последующим снижением частоты вращения ротора до минимально заданной частоты вращения с одновременным измерением параметров колебаний лопаток.

Недостатком данного способа является низкая информативность измерений параметров колебаний лопаток турбомашин, вызванная возможностью создания ограниченного количества форм колебаний из-за подачи воздуха только в одну зону лопаток.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ возбуждения и определения параметров колебаний лопаток турбомашин, опубликованный в статье "Исследование демпфирующей способности хвостовиков с клином лопаток турбин", журнал “Энергомашиностроение”, №3, 1989 г., стр.19-21. Способ заключается в понижении давления в вакуумной бронекамере, вращении ротора до максимально заданной частоты вращения, подачи нагретого воздуха с заданным давлением на лопатки с последующим снижением частоты вращения ротора до минимально заданной частоты вращения с одновременным измерением параметров колебаний лопаток. Из сопла на лопатки подают пар.

Недостатком данного способа является низкая информативность измерений параметров колебаний лопаток турбомашин, вызванная возможностью создания ограниченного количества форм колебаний из-за подачи воздуха только в одну зону лопаток. Кроме того, перепад температуры по длине лопатки больше, чем в условиях эксплуатации, т.к. тепло хвостовой части лопатки расходуется на нагрев ротора. Это влияет на точность испытаний.

В предложенном изобретении решаются задачи повышения информативности способа возбуждения и определения параметров колебаний лопаток турбомашин за счет создания возможности измерения параметров дополнительных форм колебаний и повышении точности испытаний за счет более точного воссоздания температурных условий эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что в способе возбуждения и определения параметров колебаний лопаток турбомашин, заключающемся в понижении давления в испытательной камере, увеличении частоты вращения ротора до максимально заданной частоты вращения, подаче нагретого воздуха с заданным давлением на лопатки с последующим снижением частоты вращения ротора до минимально заданной частоты вращения с одновременным измерением параметров колебаний лопаток перед выходом ротора на максимально заданную частоту вращения, увеличивают температуру ротора до максимально заданной температуры при его вращении на минимально заданной частоте вращения, а в процессе снижения частоты вращения ротора дополнительно регистрируют форму колебаний лопаток, при этом после остановки ротора увеличивают расход воздуха, направляют его в разные зоны лопаток и повторяют все операции с последующими регистрацией и измерением параметров дополнительных форм колебаний.

Кроме того, в процессе измерения параметров колебаний лопаток могут дополнительно снижать температуру ротора.

На фиг.1 показано устройство для возбуждения и определения параметров колебаний лопаток турбомашин. На фиг.2 показаны сопла устройства (вид сверху).

Предлагаемый способ реализуется в устройстве для возбуждения и определения параметров колебаний лопаток турбомашин, содержащем испытательную камеру 1 с последовательно соединенным ротором 2 и подшипниковой опорой 3, соплами 4, тензодатчиками 5, нагревателями 6, датчиками температуры 7. Устройство содержит привод 8, вакуумный насос 9, токосъемное устройство 10, систему 11 измерения параметров колебаний, датчик 12 частоты вращения, систему 13 управления частотой вращения, систему 14 нагрева ротора, систему 15 регистрации формы колебаний, ресивер 16, управляемый дроссель 17, устройство 18 подогрева воздуха, компрессор 19, устройство 20 ввода информации, бандаж 21, датчики 22 температуры, нагреватель 23.

Причем один вход устройства 20 ввода информации соединен с выходом датчика 12 частоты вращения, другой вход устройства 20 ввода информации соединен с выходом токосъемного устройства 10, а первый выход устройства 20 ввода информации соединен со входом системы 13 управления частотой вращения, второй выход устройства 20 ввода информации соединен со входом устройства 18 подогрева воздуха, третий выход соединен со входом управляющего дросселя 17, четвертый выход соединен со входом системы 15 регистрации формы колебаний, пятый выход соединен со входом системы 14 нагрева ротора, шестой выход соединен со входом системы 11 измерения параметров колебаний. В устройстве последовательно соединены компрессор 19, устройство 18 подогрева воздуха, управляемый дроссель 17, ресивер 16, сопла 4, а выходы тензодатчиков 5 и выходы датчиков 7 температуры соединены со входами токосъемного устройства 10, выходы системы нагрева 14 ротора соединены с нагревателями 6, выход токосъемного устройства 10 соединен со входом системы 11 измерения параметров колебаний, подшипниковая опора 3 и система 13 управления частотой вращения соединены со входами привода 8, выход испытательной камеры 1 соединен со входом вакуумного насоса 9, выходы датчиков 22 температур, установленные на бандаже 21, соединены со входами токосъемного устройства 10, а нагреватель 23 бандажа 21 соединен с выходом системы 14 нагрева.

Предложенный способ реализуется в устройстве следующим образом.

Например, задают следующую программу испытаний: минимально и максимально заданные частоты вращения - 500 и 6000 об/мин; минимально и максимально заданные температуры ротора - 150 и 350°С; средний эксплуатационный перепад температуры по лопатке - 80°С, максимально заданная температура воздуха - 450°С, заданное давление воздуха - 4 атм.

Перед испытаниями на роторе 2 закрепляют лопатки. На роторе 2 и лопатках устанавливают датчики температур 7. Кроме того, на лопатках устанавливают тензодатчики 5.

Ротор 2 с лопатками и с датчиками 5, 7 устанавливают на подшипниковую опору 3 внутри испытательной камеры 1. Вблизи ротора 2 на разных радиусах устанавливают нагреватели 6 и подключают к системе 14 нагрева ротора. Вблизи лопаток устанавливают сопла 4 таким образом, чтобы между ними было одинаковое расстояние и они находились на одном радиусе окружности, центр которой должен совпадать с осью вращения ротора 2. Выходы сопел подключают ко входам ресивера 16. Заданное количество сопел 4 легко устанавливают путем установки заглушек (не показаны) на лишних соплах 4. При этом расстояние между работающими соплами должно быть одинаковым.

Затем в устройство 20 ввода информации вводят программу испытаний.

Включают компрессор 19, и воздух от него поступает в устройство 18 подогрева воздуха. Включают устройство 18 и нагревают воздух до 450°С.

Привод 8 и систему 14 нагрева ротора подключают к соответствующим источникам питания (на чертеже не показаны). Привод 8 через подшипниковую опору 3 начинает вращать ротор 2. Устанавливают минимально заданную частоту вращения 500 об/мин и с помощью нагревателей 6 ротор 2 нагревают до максимально заданной температуры 350°С. Далее увеличивают частоту вращения, подводимая мощность нагрева от нагревателей 6 обеспечивает поддержание заданного распределения температур по радиусу ротора 2. Сигналы от датчика 12 частоты вращения и датчиков 7 температур поступают в устройство 20 ввода информации. В соответствии с заданной программой испытаний в устройстве 20 формируются корректирующие управляющие сигналы. Соответствующие корректирующие сигналы из устройства 20 ввода информации подаются в систему 13 управления частотой вращения и в систему 14 нагрева ротора. После достижения максимальной заданной частоты 6000 об/мин заданные температуры ротора 2 и указанная частота вращения поддерживаются.

Открывают управляемый дроссель 17 при подаче управляющего сигнала от устройства 20. Нагретый воздух с заданным давлением 4 атм поступает из устройства 18 подогрева воздуха через управляемый дроссель 17 и ресивер 16 в сопла 4. Из сопел 4 нагретый воздух подается на лопатки ротора 2. При подаче управляющего сигнала от устройства 20 включается система 11 измерений колебаний лопаток. Сигналы от тензодатчиков 5 и датчиков температур 7, установленных на лопатках, поступают в устройство 20 ввода информации. Лопатки ротора 2 возбуждаются и нагреваются от подачи воздуха. При достижении заданных температур на лопатках температурные перепады по длине лопаток приближаются к среднему эксплуатационному перепаду 80°С. Сигналы от тензодатчиков 5 поступают через токосъемное устройство 10 в систему 11 измерений параметров колебаний. На максимальной заданной частоте вращения системой 11 производятся измерения параметров колебаний лопаток ротора 2. При подаче управляющего сигнала от устройства 20 включается система 15 регистрации формы колебаний и регистрирует форму колебаний лопаток ротора 2. Далее частота вращения монотонно уменьшается до минимально заданной 500 об/мин при поддержании заданных температур ротора 2 и лопаток. При этом непрерывно осуществляются системой 11 измерения параметров колебаний лопаток до достижения минимально заданной частоты вращения 500 об/мин ротора 2. По результатам испытания и измерений определяют резонансные диаграммы, форму колебаний и другие характеристики. Ротор останавливают.

Далее проводят следующее аналогичное испытание при увеличении расхода воздуха (количества сопел), подаваемого в разные зоны лопаток и по результатам этого испытания и измерений определяют характеристики параметров и другую форму колебаний.

После проведения последующих испытаний и измерений с разными количествами сопел 4 и разными расходами воздуха получают полную картину характеристик и форм колебаний лопаток ротора 2.

Кроме того, испытания могут быть проведены и при одновременном снижении частоты вращения до 500 об/мин и температуры ротора 2 до минимально заданной 150°С или любых других минимальных значений.

При необходимости проводят испытания ротора 2 с лопатками и с бандажом 21. Сигналы с датчиков температуры 22, установленные на бандаже 21 через токосъемное устройство 10, поступают на устройство 20 ввода информации. На заданной максимальной частоте вращения бандаж 21 нагревается до заданной температуры с помощью нагревателя 23. Бандажированные лопатки ротора 2 возбуждаются и нагреваются от подачи воздуха из сопел 4 и дополнительно нагреваются от бандажа 21. Измерения параметров колебаний и регистрацию формы колебаний бандажированных лопаток производят аналогично.

В процессе данных испытаний могут быть проведены исследования бандажей 21 турбомашин на износостойкость.

Предлагаемый способ позволяет также проводить испытания рабочих колес вентиляторов и компрессоров газотурбинных двигателей и установок и других рабочих колес турбомашин без применения нагрева ротора 2 и бандажа 21 и без подогрева воздуха, подаваемого из сопел 4.

В данном способе в качестве системы регистрации формы колебаний лопаток турбомашин могут быть использованы оптические лазерные системы интерферометрии, представленные в книге - Оптическая голография и ее применения, под редакцией Денисюка Ю.Н. и др., Ленинград, Наука, 1977, стр.82-89. В качестве тензодатчиков могут быть использованы высокотемпературные тензорезисторы на клее-цементе, в качестве привода - электропривод, воздушная турбина, нагревателей - индукторы, системы нагрева - система индукционного нагрева, токосъемного устройства - ртутный и щеточный токосъемники, радиотокосъемник и оптоэлектронное устройство, системы измерения параметров колебаний - автоматизированная компьютерная система динамических измерений, ресивера - кольцевая труба с отверстиями и др. конструкции, испытательной камеры - вакуумная бронекамера и др. конструкции камер. Для изменения расхода воздуха, подаваемого в разные зоны лопаток, могут быть использованы сопла, турболизаторы, устройства с вращающимися соплами и другие устройства.

Предложенный способ возбуждения и определения параметров колебаний лопаток турбомашин позволяет повысить информативность способа и точность испытаний.

Изобретение относится к испытательной и измерительной технике. Изобретение может быть использовано для проведения экспериментальных исследований по динамике и прочности рабочих колес турбомашин, для экспериментальных исследований по демпфирующей способности хвостовиков лопаток с демпфирующими покрытиями, для проведения разгонных и усталостных испытаний с индукционным нагревом дисков турбомашин и других испытаний в авиадвигателестроении, энергетике и других отраслях машиностроения. В способе возбуждения и определения параметров колебаний лопаток турбомашин, заключающемся в понижении давления в испытательной камере, увеличении частоты вращения ротора до максимально заданной частоты вращения, подаче нагретого воздуха с заданным давлением на лопатки с последующим снижением частоты вращения ротора до минимально заданной частоты вращения с одновременным измерением параметров колебаний лопаток, перед выходом ротора на максимально заданную частоту вращения увеличивают температуру ротора до максимально заданной температуры при его вращении на минимально заданной частоте вращения, а в процессе снижения частоты вращения ротора дополнительно регистрируют форму колебаний лопаток, при этом после остановки ротора увеличивают расход воздуха, направляют его в разные зоны лопаток и повторяют все операции с последующими регистрацией и измерением параметров дополнительных форм колебаний. В процессе измерения параметров колебаний лопаток могут дополнительно снижать температуру ротора до минимально заданной температуры. Такой способ позволит повысить его информативность, а также точность испытаний.

1. Способ возбуждения и определения параметров колебаний лопаток турбомашин, заключающийся в понижении давления в испытательной камере, увеличении частоты вращения ротора до максимально заданной частоты вращения, подаче нагретого воздуха с заданным давлением на лопатки с последующим снижением частоты вращения ротора до минимально заданной частоты вращения с одновременным измерением параметров колебаний лопаток, отличающийся тем, что перед выходом ротора на максимально заданную частоту вращения увеличивают температуру ротора до максимально заданной температуры при его вращении на минимально заданной частоте вращения, а в процессе снижения частоты вращения ротора дополнительно регистрируют форму колебаний лопаток, при этом после остановки ротора увеличивают расход воздуха, направляют его в разные зоны лопаток и повторяют все операции с последующими регистрацией и измерением параметров дополнительных форм колебаний.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе измерения параметров колебаний лопаток дополнительно снижают температуру ротора до минимально заданной температуры.