Способ определения поврежденности ротора турбомашины Советский патент 1991 года по МПК G01N3/32 

SS

kf.

i чкъ,

.,

Изобретение относится к усталостным испытаниям, а именно к способам определения поврежденности ротора тур- бомашины0 Цель изобретения - повышение точности определения поврежденности в виде трещины за счет исключения погрешностей, связанных с изменением физико-механических характеристик материала и разогрева ротора, а также повышение точности локализации поврежденное и3 Ротоп подчео чюг изгибным колебаниям при ра грыгой и закрытой трещине, |: ачност,- собственных частот в этих положениях чвпяет с.я характеристикой поврежденноеr:s ро тора„ 2 Soiio cb-лы, 2. ил0

Изобретение относится к усталостным испытаниям, а именно к способам определения поврежденности ротора турбомашиньи

Цель изобретения - повышение точности определения поврежденности в виде трещины за счет исключения погрешностей, связанных, с изменением физико-механических характеристик материала и разогрева ротора, а также повышение точности локализации поврежденности з

На фиг.1 представлена схема ротора; на фиго 2 - сечение А-А на фиг010

Устройством для реализации способа служит основание с опорами в виде подвесок, вибратор и средства определения собственных частот и характеристик затухания В качестве статических

кзгибных усилий можно по ги.ъзо,.,ть силу веса ротора.

Способ реализуется следу чим способом,

Ротор подвешивают на пружинных подвесках и усттнавливают на нем вибратор, причем жесткость подвесок выбирают из условия равенства колебаний сисге и ротор-подвеска в горизонтальной и вертикальной плоскостях, разность не превышает 3%0 При таком условии максимальна добротность колебательной системьь Определяют собственныа чистоты чзгибных колебаний при открытом и закрытом состоянии трещиныs что достигается соответствующим поворотом Ј с тора относительно статической нагрузки - сюты веса По разности соответс пв 1ощлх час

Ifns&j (

Vrf

ю

GO

О

1Ю

тот судят о величине поврежденностио Локализовать трещину можно путем определения высших частот спектра, которые по-разному изменяются при наличии трещины в зависимости от локализации трещины0

Для реализации способа проводят pa описанном роторе соответствующие тарировочные испытания,,

Ротор 1 содержит трещину 2, последовательно выращиваемую и завариваемую в зонах 3 наибольшего повреждения По образующей ротора 1, смещенной на 90 по отношению к плоскости сим- метрик трещины, устанавливают датчики 4 деформацийо В плоскости симметрии трещины 2 на ротор 1 воздействует вибратор 5о Ротор 1 подвешен на пружинные опоры 6.

Способ осуществляют следующим об- разомо

Ротор устанавливают горизонтально в опорах на пружинных подвесках1 Для выполнения указанного условия разли- чия частот колебаний в горизонтальной и вертикальной плоскостях не более 3% достаточно, чтобы частота колебаний недеформируемого ротора в подвесках была на порядок меньше часто- ты низшей собственной формы колебаний о При характерной низшей частоте для ротора паровой турбины 100 Гц требуется проседание пружин под весом ротора, равное 3 мм„ Выполняют искусственный надрез в характерном сечении где развиваются трещины при длительной эксплуатациио Устанавливают вибратор и возбуждают горизонтальные резонансные колебания, вызывающие рост трещины из надреза под действием многоцикловых изгибных нагрузоко Контролируют уменьшение резонансной частоты, увеличение декремента и изменение фазы колебанийо Рост трещины прекра- щают, когда уменьшение резонансной частоты по любой из контролируемых низших форм достигает ширины соответствующей резонансной кривойо После этого неразрушающими методами, на- пример методом электропотенциала, определяют размеры трещинЫо Устанавливают датчики деформации и определяют. связь между изменением частоты, декремента, фазы и деформациями, вызы- ваемыми вибрационными нагрузками, а также характеристиками (размеры, место расположения) трещиньи Затем трещину заваривают и повторяют изложенную последовательность действий по меньшей мере в трех сечениях.Такая последовательность действий позволяет найти связь между уменьшением собственных частот колебаний ротора по первым собственным формам и размерам, а также место расположения (координата поперечного сечения ротора в направлении оси вращения),,

Выявленная связь позволила рассчитать на ЭВМ номограммы, используемые для определения размера и местоположения трещины в роторе по изменению указанных вибрационных характеристике Эти номограммы используются при вибродиагностике трещины в роторе, осуществляемой без вскрытия цилиндра, когда ротор подвешен в специальных опорах, позволяющих возбудить в нем резонансные колебания по собственным формам0 При этом о ресурсе ротора судят по размеру трещины, определяя число циклов до разрушения по известным соотношениям механики разрушения, например по зависимости Пэриса0

Пример. Ротор высокого давления турбины АТ-25 подвешен в пружинных опорах на стенде московской экспериментальной ТЭВ ВТИ„ Длина ротора 3988 мм, вес 4120 кг„ В зоне осе симметричного концентратора (тепловая канавка) выполнен трещиноподобный надрез (фрезой), заострен кислотой Иод действием установленного в горизонтальной плоскости вибратора 5 на 100 Гц инерционного типа (стандартный электродвигатель постоянного тока с неуравновешенной массой) настраивается частота силовых воздействий на первую низшую форму колебаний ротора (И 4 Гц)о Периодически контролируют уменьшение низших (первых пяти) резонансных частот при развитии трещины и при уменьшении резонансной частоты на величину, равную ширине резонансной кривой (приблизительно на 1 Гц), после чего рост трещины прекращают, а размеры ее уточняют методами неразрушающего контроля0 В данном случае метод электропотенциала показал, что площадь трещины f 2,7% F вала ротора, где F - площадь сечения вала в плоскости трещи- нЫо Поворачивают ротор так, чтобы трещина закрылась (верхнее положение)0 По горизонтальной образующей на поверхности вала датчиками деформации

измеряют распределение по длине де- формаций, вызванных вибрационными нагрузками по первым пяти формам резонансных колебанийо Эти измерения совместно с расчетными номограммами обеспечивают получение явного выражения искомой связи в виде 1

AW/CJ iU/U j

где &СО , UU - изменение частоты и потенциальной энергии при развитии трещины.

Ди - | м(х) Д(к0а)),

где М(Х) - изгибающий момент, определяемый по показаниям датчиков деформации; Д(Ке(1)) - приращение податливости ротора в плоскости X развития трещины

)-U,5 --i-R-/ -2|-«Гг

где 1 Щ

V R6

Е I

глубина трещины; наружный, внутренний радиус вала ротора; модуль упругости; момент инерции f (&i) sin Ы

Г

Полученные соотношения использованы для расчета на ЭВМ удобчых номограмм, обеспечивающих необходимую

(X +

точность определения размеров и место- 35 c учетом которых судят о поврокден- положения (глубина 1, местоположение X, угол об трещины) при реализации

ности ротора

способа без вскрытия цилиндра турбины в условиях действующей ТЗС„ В проведенных испытаниях проседание ротора на пружинных подвесках составило 3 мм При этом разность частот колебаний при горизонтальном и вертикальном воздействии вибрационных усилий составила 2,6%„

Формула изобретения

1 о Способ определения поврежден- ности ротора турбомашины, заключающийся в том, что ротор устанавливают на двух опорах, возбуждают в нем иэ- гибные колебания и определяют частоту собственных колебаний, по которой

10 определяют характеристику поврежден- ности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения поврехденности в виде трещины за счет исключения погрешностей, свяJ5 занных с изменением физико-механических характеристик материала и разогрева ротора, определяют направление раскрытия трещины, прикладывают к ротору статическую изгибную нагрузку в на20 правлении раскрытия трещины и в противоположном направлении, изгибные колебания возбуждают при каждой статической изгибной нагрузке в направлении ее действия, а в качестве

25 характеристики поврежденное™ определяют разность этих частот,

2 Способ по По i , о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью погыше- 30 ния точности локализации поврежден- ности, дополнительно определяют частоты высших форм изгибнь : колебаний при каждой из статических нагрузок и характеристики затухания колебаний,

c учетом которых судят о поврокден-

ности ротора

перпендикулярном направлении,,

Фиг.

Фиг.2