АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЛЕПЕСТКОВЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ОПОР

Полезная модель относится к испытательному оборудованию, используемому для проведения исследований характеристик лепестковых газодинамических опор (далее по тексту ЛГО).
Из уровня техники известен стенд для испытаний ЛГО (Захарова Н.Е., Брагин А.Н. «Экспериментальные исследования упругой податливости лепестковых газодинамических подпятников», М.: Машиноведение №3, 1984 г., с.99-105), выбранный в качестве прототипа. Данный стенд содержит установку для испытаний, включающую корпус, с размещенным в лепестковых газодинамических опорах ротором, на одном из торцов которого установлена турбина пневмопривода, а второй торец ротора выполнен в виде гладкого цилиндра нагрузочного устройства, давление в камере которого измеряется манометром, перемещение ротора измеряется емкостным датчиком линейных перемещений, а со стороны турбины расположен индукционный датчик системы измерения частоты вращения ротора.
К недостаткам указанного стенда следует отнести:
- несоответствие распределения масс ротора установки ротору турбомашины и, как следствие, несоответствие условий нагружения ЛГО в установке условиям нагружения в реальной турбомашине;
- отсутствие устройства торможения и связанные с этим проблемы управления угловой скоростью ротора стенда;
- сбор информации при испытаниях не автоматизирован;
- ручное управление устройством нагружения;
- обработка результатов измерений не автоматизирована.
Задачей полезной модели является создание автоматизированного универсального стенда для испытаний лепестковых газодинамических опор, который будет использоваться в линии контроля качества изготовления лепестковых газодинамических опор.
Указанная задача достигается тем, что в автоматизированном универсальном стенде для испытаний лепестковых газодинамических опор, содержащем установку для испытаний, включающую корпус, с размещенным в лепестковых газодинамических опорах ротором, на одном из торцов которого установлена турбина пневмопривода, а второй торец ротора выполнен в виде гладкого цилиндра нагрузочного устройства, в камере которого установлен датчик давления и емкостной датчик линейных перемещений, при этом со стороны турбины пневмопривода установлен тахометр, согласно полезной модели ротор выполнен с центрально расположенной пятой, пневмопривод совмещен с устройством торможения, а лепестковые газодинамические опоры крепятся к корпусу посредством втулок, при этом датчик давления, емкостной датчик линейных перемещений и тахометр электрически связаны с аналоговыми входами платы ввода-вывода информации, а ее выходы электрически связаны со входами управления отсечного клапана, задатчика давления устройства торможения, задатчика давления пневмопривода и задатчика давления нагрузочного устройства, причем плата ввода-вывода информации электрически связана с персональным компьютером.
Выполнение ротора в стенде с центрально расположенной пятой необходимо для того, чтобы за счет изменения толщины и наружного диаметра пяты варьировать массу и момент инерции ротора стенда, так как при массогабаритной имитации ротора условия нагружения и работы ЛГО в стенде максимально приближены к условиям нагружения и работы ЛГО в турбомашине, для которой они предназначены.
Устройство торможения в стенде обеспечивает возможность лучшего управления угловой скоростью ротора, а также возможность реализации программного торможения ротора. Так как размещение тормозного колеса в роторе стенда представляется затруднительным, то роль тормозного колеса играет турбина пневмопривода.
Втулки, посредством которых ЛГО крепятся к корпусу стенда, необходимы для обеспечения универсальности стенда для ряда типоразмеров ЛГО турбомашин малой и средней мощности.
Применение датчика давления, емкостного датчика линейных перемещений и тахометра, имеющих электрический выход сигнала, обеспечивает увеличение скорости сбора данных при использовании в линии контроля качества изготовления лепестковых опор.
Применение платы ввода-вывода информации необходимо для сбора информации с датчика давления, емкостного датчика линейных перемещений и тахометра, а также для реализации управления пневмоприводом, устройством торможения, нагрузочным устройством и отсечным клапаном.
Персональный компьютер необходим для сбора и обработки информации с платы ввода-вывода информации, а также для программного управления устройствами, подключенными к аналоговым выходам платы ввода-вывода информации.
Конструктивное исполнение автоматизированного универсального стенда для испытаний лепестковых газодинамических опор показано на чертеже, где элементы стенда показаны схематично.
Гладкий цилиндрический вал 1, один конец которого выполнен плоским торцом, перпендикулярным к оси вращения, а на другом конце закреплена турбина 2 пневмопривода, гайка 3 и два симметрично расположенных штифта 4, посредством которых турбина 2 зафиксирована относительно вала 1 и вместе с центрально расположенной пятой 5 (далее по тексту пята 5) образуют ротор установки. Пята 5 насажена с натягом на вал 1
и позволяет приблизить массу и момент инерции ротора установки к ротору турбомашины.
Ротор закреплен в двух лепестковых газодинамических подшипниках 6 и подпятниках 7, которые крепятся к состоящему из неподвижного основания 8 и фланца 9 корпусу установки посредством переходных втулок 10 и 11. К фланцу 9 крепится болтами 12 цилиндр нагрузочного устройства 13 (далее цилиндр 13), на внутренней поверхности которого выполнено бесконтактное лабиринтное уплотнение 14, а на конце установлены емкостной датчик линейных перемещений 15 и датчик давления 16. Крепление емкостного датчика линейных перемещений 15 позволяет смещать его в осевом направлении относительно цилиндра 13 и фиксировать положение. У основания цилиндра 13 предусмотрены отверстия для отвода воздуха.
Предварительный натяг в лепестковых газодинамических подпятниках 7 обеспечивается подбором ширины регулировочного кольца 17.
К основанию 8 крепится направляющий аппарат 18 пневмопривода, который также служит основанием для креплений 19 сменных разгонных сопел 20 и тормозных сопел 21. Крепления сопел позволяют регулировать их положение (как разгонных 20, так и тормозных 21). С другой стороны к основанию 8 болтами 22 крепится фланец 9.
На торце гайки 3 приклеена метка, которую регистрирует оптический датчик цифрового стробоскопического тахометра 23, расположенный на небольшом расстоянии от метки. Емкостный датчик линейных перемещений 15, датчик давления 16 и тахометр 23 своими выходами электрически связаны с аналоговыми входами платы ввода-вывода информации 24, а ее аналоговые выходы соединены со входами управления задатчика давления 25, подводящего воздух в камеру нагрузочного устройства, и задатчиков давления 26 и 27, питающих воздухом через пневмомагистрали два разгонных сопла 20 и два тормозных сопла 21. Один цифровой выход платы ввода-вывода информации 24 соединен с отсечным клапаном 28.
Кроме ресивера 29, фильтра 30, и компрессора 31 предусмотрен предохранительный спускной клапан 32.
Платой ввода-вывода информации 24 управляет персональный компьютер 33 (далее по тексту ПК)
Стенд работает следующим образом.
В основание 8 и фланец 9 корпуса установки крепят испытуемые ЛГО 6 и 7, закрепляют турбину 2 гайкой 3, надевается и фиксируется направляющий аппарат 18 пневмопривода, после чего основание 8 и фланец 9 скрепляются. Включается ПК 33, в постоянной памяти которого записана программа управления стендом, затем включается компрессор 31 и цепи электропитания контроллера емкостного датчика линейных перемещений 15, датчика давления 16, тахометра 23, а также задатчиков давления 25, 26, 27 и отсечного клапана 28 (на чертеже цепи электропитания не показаны).
Программа на ПК 33 управляет напряжением на аналоговых и цифровых выходах платы ввода-вывода информации 24, а также считывает с нее значения напряжения на аналоговых входах.
В режиме тестирования программа на ПК 33 сначала тестирует отклик платы ввода-вывода информации 24, в случае успешного теста (нулевые коды ошибок) цифровым выходом открывает отсечной клапан 28, потом плавно открывает задатчик давления 25 нагрузочного устройства на 5-10% от верхнего предела регулирования давления. Датчик давления 16 и емкостной датчик линейных перемещений 15 должны выдать сигналы давления в камере нагружения и линейного перемещения ротора. Величины сигналов сравниваются с одним или несколькими из предыдущих значений при запуске и, в зависимости от величин отклика, программа делает запись в файл протокола о работоспособности указанного задатчика давления и датчиков. Если сигналы с датчика давления 16 и емкостного датчика линейных перемещений 15 одновременно не изменяются (с учетом некоторого времени регулирования), то делается вывод о неработоспособности задатчика давления 25 нагрузочного устройства,
отсутствия в нем питания, повреждения линии управления или аналогового выхода платы ввода-вывода информации 24.
Затем подается сигнал управления на задатчик давления 26 на уровне 5-10% от максимального предела регулирования давления на его выходе и считывается отклик тахометра 23. В случае если посчитанный по сигналу с тахометра 23 угол поворота вала (интеграл по времени от угловой скорости) не отличается более чем на 10% от значения предыдущего запуска, то программа записывает в файл протокола новое значение угла и запись, что задатчик давления 26 работает корректно. Затем сигнал подается на задатчик давления 26 на уровне 15-20% максимального предела регулирования давления на его выходе, а на задатчик давления 27 на уровне 5-10% от максимального предела регулирования давления на его выходе и нарастает до значения, при котором скорость по тахометру станет близкой к нулю. Во время этого теста протоколируется сигнал с тахометра 23. Полученная зависимость скорости от времени, или в простом варианте интеграл от скорости сравнивается с предыдущими запусками, и, если взаимное отклонение этого значения или значений зависимости не превышает 5-10% от предыдущих, то это будет достаточным основанием для записи в файл протокола информации о корректной работе задатчика давления 27. В случае большего отличия двух и более точек указанной зависимости делается запись либо об отклонении (если оно укладывается в 15%), либо о некорректной работе задатчика давления 27 (при большем рассогласовании, чем 15%).
В случае корректного результата тестов задатчиков давления, программа выдаст соответствующее сообщение и предложит варианты испытаний. В случае некорректной работы или отказа какого-либо из задатчиков давления или датчика, программа выводит пользователю файл протокола и ждет устранения неисправности (либо выключая плату ввода-вывода информации 24, либо подав сигнал управления для тестирования цепей неисправного задатчика давления, либо опрашивает соответствующее устройство, подключенное к аналоговому входу с периодом в одну секунду с
звуковым сигналом для возможности проверки работоспособности аналоговых входов аналогово-цифрового преобразователя).
В режиме снятия статической характеристики отсечной клапан 28 открыт, а из задатчиков давления открывается только задатчик давления 25. В этом режиме программа линейно изменяет давление в камере нагрузочного устройства сигналом на задатчик давления 25, и опрашивает на каждом шаге изменения давления датчик давления 16 и емкостный датчик линейных перемещений 15. По площади сечения вала 1 в камере нагружения и измеренному датчиком давления 16 давлению программа рассчитывает осевую силу нагружения, а сигнал с емкостного датчика линейных перемещений 15 соответствует линейным перемещениям ротора. Полученная в результате измерений упругая статическая нагрузочная характеристика лепесткового газодинамического подпятника 7 записывается программой в файл и отображается на графике. Сигнал с емкостного датчика линейных перемещений 15 при нулевом избыточном давлении в камере нагрузочного устройства программа запоминает отдельно - это начальное положение в динамике будет смещено из-за осевой силы со стороны турбины.
В режиме программного разгона ротора увеличение скорости вращения ротора до скорости всплытия осуществляется за счет полного открывания задатчика давления 26. Такой резкий запуск необходим из требований температурного режима ЛГО, так как ЛГО до скорости всплытия работают как подшипники скольжения, за счет трения-скольжения вала о лепестки температура тонких лепестков может превысить предельное для износостойкого покрытия значение. В этом случае покрытие будет испорчено, трение резко возрастет и температура лепестков может увеличиться настолько, что произойдет сварка трением вала с лепестками и будут испорчены узлы ЛГО и ротор. Чтобы этого не происходило, разгон ротора до скорости всплытия должен происходить достаточно быстро, а значит, пусковой момент турбины должен быть максимально возможным.
Угловая скорость ротора постоянно контролируется тахометром 23 и протоколируется программой от момента времени открытия задатчика давления 26. Компенсация осевой силы со стороны привода (турбины) постоянно контролируется емкостным датчиком линейных перемещений 15 и задатчиком давления 25 - сигнал на него формируется таким, чтобы избыточное давление компенсировало осевую силу со стороны турбины и ротор находился в положении, близком к замеренному в статике. Эта система регулирования продолжает работать, пока ротор не достигнет номинальной скорости, после чего сигнал управления на задатчик давления 25 фиксируется на постоянном уровне. Когда ротор достигнет величины 95-99% от нужной для испытаний угловой скорости, программа снизит сигнал управления на задатчик давления 26 до значения, при котором угловая скорость ротора не увеличивается.
В случае превышения угловой скорости, программа управления включает тормозные сопла 21 задатчиком давления 27 и снижает угловую скорость ротора до значения, близкого к нужному для испытаний, после чего задатчик давления 27 закрывается. Сигнал на задатчик давления 26 при этом снижается на фиксированную небольшую величину. Если угловая скорость ротора вновь изменится, то задатчик давления 27 сработает так же. Такой итерационный процесс будет продолжается до тех пор, пока ротор не достигнет необходимой для испытаний скорости в пределах устанавливаемого допуска. После достижения ротором необходимого установившегося значения скорости программа управления стендом перейдет в режим испытаний нагрузочной характеристики (несущей способности) лепесткового газодинамического подпятника в динамике. В данном режиме в камере нагрузочного устройства за счет увеличения сигнала управления на задатчик давления 25 программа создает избыточное давление относительно уровня, который создается для компенсации осевой силы со стороны турбины в режиме программного разгона ротора. Давление в камере по программе увеличивается с определенным шагом, перемещения
ротора в осевом направлении определяются по сигналу с емкостного датчика линейных перемещений 15. Избыточное давление повышается на величину, замеренную при снятии статической характеристики опоры, для того, чтобы не допустить касания пяты поверхностей лепестков.
В режиме программного торможения открыт задатчик давления 27, который питает тормозные сопла 21, пока сигнал с тахометра 23 не станет близким к нулю, после чего задатчик давления 27 и отсечной клапан 28 закрываются.
В режиме испытаний долговечности программа управления выполняет алгоритм режима программного разгона ротора до угловой скорости всплытия, а после достижении всплытия, алгоритм режима программного торможения ротора. Затем программа отсчитывает задаваемое время простоя и повторяет этот цикл вновь. Программа при этом считает количество циклов, записывает файл протокола и сравнивает характер изменения угловой скорости от времени - в случае, если износостойкое покрытие испорчено и момент трения резко увеличился, то программа сможет определить это по резкому снижению крутизны такой зависимости. В таком случае программа прекратит испытания, а полученное число пусков - остановов и файл протокола будут выданы как результат испытаний.
Автоматизированный универсальный стенд для испытаний лепестковых газодинамических опор целесообразно применять при серийном производстве турбомашин в линии контроля качества и в экспериментальной лаборатории при производстве, а также в самостоятельных исследовательских лабораториях, работающих в направлении разработки и испытаний лепестковых газодинамических опор.