СТЕНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭНЕРГОУСТАНОВОК
STAND FOR MEASURING ENERGY INDICATORS OF POWER PLANT

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения осевого усилия, угловой скорости, крутящего момента при экспериментальных исследованиях турбин и прочих энергоустановок, в которых осуществляется передача мощности от источника энергии к потребителю посредством вращающегося вала.
Известен стенд для ресурсных испытаний упругих муфт, содержащий электродвигатель, соединенный с помощью муфты с приводным валом, технологический карданный шарнир, нагружатель статического момента в виде червячного редуктора, колесо которого связано тягой со станиной стенда [патент РФ №2315966, 27.01.2008].
Недостатком известного устройства является невозможность при испытании обеспечивать комплексное измерение характеристик энергоустановок: измерение осевого усилия, угловой скорости и крутящего момента в динамических режимах работы в достаточно широких пределах.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является стенд для испытания на трение продольно-подвижных соединений валов, содержащий основание, регулируемый привод, связанный с элементами для крепления одного из валов испытываемого соединения, узел нагружения крутящим моментом, устройство для продольного перемещения второго вала испытываемого соединения и датчики для измерения усилий сопротивления продольного перемещения валов испытываемого соединения. Стенд снабжен плитой, на которой закреплен регулируемый привод и двумя шарнирно связанными с плитой опорами, одна из которых соединена с основанием жестко, а другая - шарнирно, узел нагружения крутящим моментом соединен с элементами для крепления второго вала испытываемого устройства, при этом датчики для измерения усилий сопротивления продольному перемещению вала испытуемого соединения связаны со второй опорой [а.с. №1084642, опубл. 07.04.1984]. Данное устройство принято в качестве прототипа.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - вал турбины, установленный в радиально опорных подшипниках; муфта, установленная на валу; нагрузочное устройство; блок регистрации и обработки измерительной информации.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что он предназначен только для испытаний продольно-подвижных соединений валов на трение и не обеспечивает комплексное измерение характеристик энергоустановок: измерение осевого усилия, угловой скорости и крутящего момента в динамических режимах работы в достаточно широких пределах.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей стенда путем проведения одновременного измерения осевого усилия, угловой скорости и крутящего момента турбинной энергоустановки с высокой точностью.
Технический результат достигается тем, что известный стенд, содержащий вал турбины, установленный в радиально опорных подшипниках, муфту, установленную на валу, нагрузочное устройство, блок регистрации и обработки измерительной информации, согласно изобретению снабжен промежуточным и измерительным валами, соединенными с помощью муфт сцепления, устройством для измерения осевого усилия, включающим датчик измерения осевого усилия, упорную плиту с силовым приводом, соединенную с установленной на валу турбины муфтой через упорный подшипник, размещенный в упорной плите, при этом промежуточный вал соединен с валом турбины с помощью муфты, установленной на валу турбины с возможностью перемещения относительно промежуточного и измерительного валов, а измерительный вал соединен с помощью муфт сцепления с нагрузочным устройством, на измерительном валу зафиксированы диски измерения частоты вращения вала на расстоянии L один от другого, снабженные магнитными или оптическими метками, и установлены датчики регистрации частоты вращения дисков, на валу турбины установлен датчик перемещения, при этом датчик перемещения, датчик измерения осевого усилия и датчики регистрации частоты вращения соединены с блоком регистрации и обработки измерительной информации.
Силовой привод выполнен в виде пружинного, гидравлического или электромагнитного механизма нагрузки.
Датчик перемещения выполнен в виде электромеханического или индуктивного устройства, или оптического или емкостного устройства.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - промежуточный и измерительный валы, соединенные с помощью муфт сцепления; устройство для измерения осевого усилия, включающее датчик измерения осевого усилия, упорную плиту с силовым приводом, соединенную с установленной на валу турбины муфтой через упорный подшипник, размещенный в упорной плите; промежуточный вал соединен с валом турбины с помощью муфты, установленной на валу турбины с возможностью перемещения относительно промежуточного и измерительного валов; измерительный вал соединен с помощью муфт сцепления с нагрузочным устройством; на измерительном валу зафиксированы диски измерения частоты вращения вала на расстоянии L один от другого, снабженные магнитными или оптическими метками, и установлены датчики регистрации частоты вращения дисков; на валу турбины установлен датчик перемещения; датчик перемещения, датчик измерения осевого усилия и датчики регистрации частоты вращения соединены с блоком регистрации и обработки измерительной информации; силовой привод выполнен в виде пружинного, гидравлического или электромагнитного механизма нагрузки; датчик перемещения выполнен в виде электромеханического или индуктивного устройства, или оптического или емкостного устройства.
Отличительные признаки предлагаемого устройства обеспечивают возможность проведения одновременного измерения осевого усилия, угловой скорости и крутящего момента турбинной энергоустановки с высокой точностью. Благодаря этому достигается заявленный технический результат - расширение технологических возможностей стенда.
На чертеже представлена схема стенда для измерения энергетических показателей энергоустановок.
Стенд содержит корпус 1, в котором установлен вращающийся вал 2, опирающийся на радиальный 3 и радиально-упорный 4 подшипники. Радиально-упорный подшипник закреплен в корпусе 1 с помощью внутреннего 5 и внешнего 6 стопорных колец, позволяющих регулировать осевое перемещение вала 2 в подшипниках 3 и 4. Вал 2 воспринимает осевое усилие и крутящий момент, создаваемый рабочими элементами турбины или иной энергоустановки. На валу 2 установлена подвижная муфта 7, соединяющая вал 2 энергоустановки с промежуточным валом 8. Муфта 7 жестко соединена с валом 2 и за счет шлицевого соединения обеспечивает осевое перемещение вала 2 относительно, как промежуточного вала 8, так и корпуса 1. Стенд снабжен устройством для измерения осевого усилия, включающим датчик измерения осевого усилия 9, упорную плиту 10 с силовым приводом 11, соединенную с подвижной муфтой 7 через упорный подшипник 12, установленный в упорной плите 10. Устройство для измерения осевого усилия имеет поступательную степень свободы и оказывает воздействие на муфту 7 через упорный подшипник 12. Датчик измерения усилия 9 вырабатывает электрический выходной сигнал. Электрический сигнал датчика 9 регистрируется блоком обработки измерительной информации 13. Промежуточный вал 8 с помощью муфт сцепления 14 соединен с измерительным валом 15.
Муфта 7 установлена на валу 2 турбины с возможностью перемещения относительно измерительного вала 15.
На измерительном валу 15 зафиксированы диски измерения частоты вращения 16 и 17 вала 2 на расстоянии L один от другого. Диски 16 и 17 снабжены магнитными или оптическими метками, позволяющими с помощью датчиков 18 и 19 регистрации частоты вращения дисков 16 и 17, регистрировать их угловую скорость вращения и определять фазовый сдвиг частоты вращения диска 17 по отношению к диску 16 с помощью блока регистрации и обработки измерительной информации 13. Измерительный вал 15 соединен с нагрузочным устройством 20 с помощью муфт сцепления 14.
Для регистрации перемещения вала 2 в его хвостовой части установлен диск 21 электроконтактных датчиков перемещения 22 и/или сердечник 23 с датчиком индуктивности 24.
Текущая измерительная информация от датчика измерения осевого усилия 9, датчиков регистрации частоты вращения 18 и 19, электроконтактных датчиков 22 и датчика индуктивности 24 передается по коммутирующим электрическим цепям 25 в блок регистрации и обработки измерительной информации 13.
Стенд работает следующим образом.
Измерение осевого усилия. Рабочий элемент энергоустановки приводит в движение вал 2, который вращается с некой угловой скоростью. Вследствие действия давления и прочих сил на вал 2 от элементов турбины (энергоустановки) передается осевое усилие, которое воспринимается опорой радиально-упорного подшипника 4. Радиально - упорные подшипники 4 обладают «технологическим зазором» в подвижных элементах конструкции, который может составлять десятки и сотни мкм в зависимости от типа и размеров подшипника (см. ГОСТ 24810-81 Подшипники качения. Зазоры; Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х т. Автор: Анурьев В.И. Издательство: Машиностроение-1, 2006 г.). Вследствие действия осевого усилия происходит перемещение вала 2 в сторону опоры радиально-упорного подшипника 4 и зазор «выбирается». Для измерения осевого усилия на подвижную муфту 7 оказывается нарастающее силовое воздействие с помощью силового привода 11, установленного на упорной плите 10. Величина силового воздействия измеряется датчиком 9 и фиксируется блоком регистрации информации 13. По достижению величины силового воздействия, равного осевому усилию, реакция опоры радиально упорного подшипника 4 достигает нулевого значения, в результате чего радиально-упорный подшипник 4 разгружается и вал 2 имеет возможность перемещаться, выбирая технологический зазор в радиально-упорном подшипнике 4. Это соответствует состоянию работы турбины, при котором силовое воздействие равно осевому усилию, действующему на вал 2. Вследствие разгрузки подшипника 4, вал 2 получает поступательную степень свободы и перемешается в пределах технологического зазора. Перемещение вала 2 и связанной с ним подвижной муфты 7 фиксируется датчиками перемещения 22 электроконтактным методом, или бесконтактным методом с помощью датчика индуктивности 24. Блок регистрации и обработки измерительной информации 13 определяет величину силового воздействия, оказываемого на подвижную муфту 7, соответствующего состоянию равновесия вала 2 при разгрузке радиально-упорного подшипника 4. Момент равновесия может быть зафиксирован и иными бесконтактными методами, например, емкостным датчиком или акустическим. В момент разгрузки подшипника 4 происходит изменение спектра акустических колебаний, генерируемых вращающимися элементами подшипников 3 и 4.
Упорная плита 10, предающая усилие на вращающуюся муфту 7, не имеет вращательной степени свободы и оказывает силовое воздействие на муфту 7 через упорный подшипник 12, например (ГОСТ 520-2011 Подшипники качения. Общие технические условия). В качестве силового привода 11 могут быть использованы гидравлические, пружинные, рычажные или иные механизмы с регулируемой величиной воздействия. Величина создаваемого осевого усилия может быть определена с помощью датчика 9, обладающего электрическим выходным сигналом, например, тензо                                                        датчиком.
-5
Измерение угловой скорости. Измерение угловой скорости определяют с помощью диска 16 или 17, который установлен на измерительном вале 15 и датчиков угловой скорости 18 или 19, которые фиксируют частоту появления меток в зоне контроля датчиков. Диски 16 и 17 содержат метки, например магнитные или оптические. Возможность современных технических средств создания меток и возможности считывания сигналов составляет от 1,3 до 21 Мбит/с (см. Шандыбина Г.Д., Парфенов В.А. Информационные лазерные технологии. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 107 с.). Учитывая разрешающую способность считывания оптической информации 1200 dpi, что соответствует характеристикам сканирующих устройств, поставляемых промышленностью, можно получить разрешающую способность углового перемещения диска 16 или 17 (при диаметре диска 0,1 м) порядка 0,0004 рад. Такие характеристики позволяют обеспечить относительную погрешность определения угловой скорости порядка 6×10 рад/с и удовлетворяют требованиям к точности измерения угловой скорости вала турбины.
Измерение крутящего момента. При работе стенда крутящий момент на валу 2 турбины (энергоустановки) передается на нагрузочное устройство 20 через промежуточный вал 8 и измерительный вал 15. При передаче крутящего момента происходит деформация, обусловленная «скручиванием» валов. Для определения угла скручивания измерительного вала 15 на нем зафиксированы диски 16 и 17, разнесенные на определенное расстояние L. Угол скручивания ϕ измерительного вала 15 определяют по фазовому сдвигу частотных сигналов, измеряемых датчиками 18 и 19. Крутящий момент М определяют из выражения: М=(G⋅J⋅ϕ)/L, где G - модуль сдвига, J - полярный момент инерции сечения измерительного вала, ϕ - угол скручивания измерительного вала относительно двух сечений вала, разнесенных на расстояние L. Модуль сдвига G определяют через коэффициент Пуассона Е и модуль Юнга μ из уравнения G=Е⋅(1+μ)/2. Необходимое условие измерений крутящего момента является требование: деформация измерительного вала 15 не должна превышать область упругих деформаций материала измерительного вала 15 (см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М.: Наука, 1964. - С. 271-272).
Таким образом, предлагаемый стенд обеспечивает одновременное и комплексное измерение осевого усилия, крутящего момента и угловой скорости энергоустановки с высокой точностью, что значительно расширяет технологические возможности устройства. Одновременное определение характеристик энергоустановки позволяет проводить измерение, как в стационарных, так и в динамических (переходных) режимах работы энергоустановки.