Установка для вибрационных испытаний быстровращающихся роторов
INSTALLATION FOR VIBRATION TESTING OF FAST-ROTATING ROTORS

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.