Стенд ресурсных испытаний роторов магистральных насосов
TEST BENCH FOR ROTOR TESTING OF MAIN PUMPS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструкциям стендов для испытаний (ресурсных, прочностных и пр.) роторов насосов, преимущественно нефтяных магистральных насосов.
Уровень техники
Из уровня техники известен стенд для испытаний ротора турбомашины на вибрацию, раскрытый в авторском свидетельстве на изобретение SU 357490 А1 (МПК: G01M 15/00, опубл. 31.10.1972). Стенд содержит основание, на котором установлены испытываемый ротор, механизм вращения и синхронный электродвигатель, подвижную платформу с установленными на ней емкостью с соплами и приводом. Недостатком стенда является необходимость использовать сжатый воздух, с помощью которого через сопла осуществляется имитирующее воздействие на испытуемый ротор.
Известен также стенд для исследования вибрации судового валопровода, раскрытый в авторском свидетельстве на изобретение SU 1386858 А1 (МПК: GO 1М 7/00, В63Н 23/34, опубл. 07.04.1988). Стенд содержит подшипники скольжения для установки модели судового валопровода, опоры подшипников, упорный подшипник и диск, имитирующий работу гребного винта посредством системы магнитов. Недостатком стенда является ограниченный диапазон нагрузок, обеспечиваемый магнитной системой.
Известен также испытательный стенд для исследования роторных систем, защищенный патентом RU 2 651 643 С1 (МПК: G01M 13/04, опубл. 23.04.2018). Испытательный стенд содержит корпус, установленный на станине, имеющий резьбовые отверстия, смазочную систему, подшипниковые узлы, закрепленные в корпусе, вал, связанный через муфту с электродвигателем, нагрузочное устройство, установленное в корпусе и посаженное на вал.
Недостатком данного испытательного стенда является невозможность обеспечить величину и диапазон нагрузок, характерных для роторов магистральных насосов, так как он предназначен для проведения лабораторных работ с целью демонстрации сил, возникающих в роторной системе.
Общим недостатком вышеприведенных аналогов является ограниченные функциональные возможности для проведения ресурсных испытаний роторов разных типоразмеров, невозможность приближения в полном объеме моделируемых воздействий к реальным условиям работы ротора в магистральном насосе и проведения его ускоренных ресурсных испытаний.
Прототип заявляемого изобретения не выявлен.
Раскрытие сущности изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание стенда для проведения ресурсных испытаний (в том числе ускоренных ресурсных испытаний) роторов магистральных насосов, обеспечивающего определение фактических значений показателей надежности и ресурсных показателей роторов магистральных насосов.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет создания стенда ресурсных испытаний разных типоразмеров роторов магистральных насосов с обеспечением максимально-возможного приближения моделируемых воздействий к реальным условиям работы ротора в магистральном насосе, ускорения проведения испытаний без искажения процессов старения и износа, а также без изменения характеристик материалов, соответствующих нормальным режимам эксплуатации.
Технической задача решается, а технический результат достигается тем, что стенд ресурсных испытаний роторов магистральных насосов содержит гидростанцию высокого давления, преобразователь частоты, раму с направляющими, с установленными на ней электродвигателем, вал которого соосно соединен посредством первой муфты с торсионом, кинематически связанным через вторую и третью муфты соответственно с неподвижным редуктором и подвижным редуктором, гидроцилиндром торсиона, связанным через рычажную систему, вторую муфту и неподвижный редуктор с торсионом, испытуемым ротором, размещенным в полых выходных валах неподвижного и подвижного редукторов, неподвижной и подвижной опорах, и соединенным посредством зажимного устройства с торсионом, гидроцилиндром радиальной нагрузки, связанным через подвижный редуктор с испытываемым ротором, гидроцилиндром осевой нагрузки, связанным через подвижную опору с испытуемым ротором, и комплектом датчиков.
Кроме того, в частных случаях реализации изобретения:
- в качестве преобразователя частоты применен преобразователь частоты среднего напряжения с многоуровневым IGBT инвертором переменного тока для промышленных нагрузок мощностью до 17,5 МВА с номинальным выходным напряжением 6 кВ;
- в качестве гидростанции высокого давления применена промышленная насосная станция на основе аксиально-поршневых насосов с рабочим давлением 21 МПа и подачей рабочей жидкости 25 л/мин;
- торсион, неподвижный редуктор, зажимное устройство, испытываемый ротор и подвижный редуктор образуют замкнутый кинематический контур и выполнены с возможностью механической рекуперации мощности;
- в качестве муфт использованы упруго-пластинчатые муфты, выполненные с возможностью передачи крутящего момента с одновременной компенсацией радиальных, угловых и осевых смещений соединяемых валов;
- стенд выполнен с возможностью проведения испытания с вращением при одновременном нагружении в осевом и радиальном направлении или с возможностью проведения испытания без вращения испытываемого ротора;
- гидроцилиндр радиальной нагрузки и гидроцилиндр осевой нагрузки выполнены с возможностью реализации осциллирующей нагрузки от гидростанции высокого давления при проведении испытания без вращения испытываемого ротора;
- комплект датчиков включает датчики усилий гидроцилиндров радиальной нагрузки и осевой нагрузки, тахометр, датчики крутящего момента, давлений, перемещений и вибраций;
- в качестве датчика крутящего момента применен моментомер или цифровой датчик крутящего момента;
- стенд выполнен с возможностью контроля процесса испытаний в автоматическом режиме по сигналам от комплекта датчиков с определением фактических значений показателей надежности и ресурсных показателей испытываемого ротора.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Реализация изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан эскиз стенда для проведения ресурсных испытаний роторов магистральных насосов;
на фиг.2 - кинематическая функциональная схема стенда
Позиции на чертежах имеют следующие обозначения:
1 - рама с направляющими;
2 - электродвигатель;
3 - неподвижный редуктор;
4 - подвижный редуктор
5 - первая, вторая и третья муфты;
6 - торсион;
7 - датчик крутящего момента;
8 - зажимное устройство;
9 - испытываемый ротор;
10 - неподвижная опора;
11 - подвижная опора;
12 - датчик усилий;
13 - гидроцилиндр торсиона;
14 - гидроцилиндр радиальной нагрузки;
15 - гидроцилиндр осевой нагрузки.
Все основные силовые элементы стенда: электродвигатель 2, неподвижный редуктор 3, подвижный редуктор 4, торсион 6 - расположены на раме с направляющими 1.
Кроме силовых элементов в состав стенда входят гидростанция высокого давления (на фиг.1, 2 не показана) для управления гидроцилиндрами 13, 14, 15 и преобразователь частоты (на фиг.1, 2 не показан) для управления электродвигателем 2.
Вал электродвигателя 2 соосно соединен посредством первой муфты 5 с торсионом 6, кинематически связанным через вторую муфту 5 и третью муфту 5 соответственно с неподвижным редуктором 3 и подвижным редуктором 4, установленным в направляющих рамы 2.
В качестве муфт 5 применены упруго-пластинчатые муфты, которые передают крутящий момент с одновременной компенсацией радиальных, угловых и осевых смещений соединяемых валов электродвигателя 2, торсиона 6 и датчика крутящего момента 7.
Подвижный редуктор 4, имитирующий воздействие рабочего колеса магистрального насоса на испытываемый ротор 9, находится в кинематической связи с торсионом 6, создающим на испытываемом роторе напряжение кручения. Подвижный редуктор 4 выполнен с возможностью перемещения в направляющих рамы 1 под воздействием гидроцилиндра радиальной нагрузки 14.
Для предварительной затяжки торсиона 6 соответствующим моментом служит гидроцилиндр 13 торсиона, воздействующий на торсион через рычажную систему (на фиг.1, 2 не обозначена), вторую муфту 5 и неподвижный редуктор 3. Торсион 6 соединяется с испытываемым ротором 9 посредством зажимного устройства 8. На валу торсиона 6 установлен датчик крутящего момента 7. В качестве датчика крутящего момента применен моментомер или цифровой датчик крутящего момента.
Гидроцилиндр радиальной нагрузки 14 предназначен для воздействия в ходе испытаний радиальной нагрузкой через подвижный редуктор 4 на испытываемый ротор 9. Небольшое по величине осевое усилие на испытуемом роторе 9 формируется гидроцилиндром осевой нагрузки 15, который воздействует на ротор через подвижную опору 11. На гидроцилиндры радиальной нагрузки 14 и осевой нагрузки 15 установлены датчики усилия 12.
Кроме датчиков усилия 12 и датчика крутящего момента 7 в комплекте датчиков имеются тахометр, датчики давлений, перемещений, вибраций (на фиг.1, 2 не показаны).
Испытуемый ротор 9 размещен в полых выходных валах неподвижного 3 и подвижного 4 редукторов, неподвижной опоре 10 и подвижной опоре 11. В неподвижной опоре находится радиальный подшипник, а в подвижной опоре - радиально-упорный подшипник.
Наличие рамы с направляющими 1 и подвижной опоры 11 позволяет настраивать стенд под разные типоразмеры испытываемого ротора 9.
Силовые элементы стенда: торсион 6, неподвижный редуктор 3, испытываемый ротор 9, подвижный редуктор 4 - с помощью зажимного устройства 8 образуют замкнутый кинематический контур, в котором происходит механическая рекуперация мощности, поэтому мощность электродвигателя 2, несмотря на нагружение испытываемого ротора 9 крутящим моментом, тратится только на преодоление сил трения при вращении.
Формирование моделируемых нагрузок и управление работой гидроцилиндров 13, 14, 15 осуществляется гидростанцией высокого давления (на фиг.1, 2 не показана), а формирование управляющих электрических сигналов и подача напряжения питания на электродвигатель 2 осуществляется преобразователем частоты
В качестве преобразователь частоты применен преобразователь частоты среднего напряжения с многоуровневым IGBT инвертором переменного тока для промышленных нагрузок мощностью до 17,5 MBA с номинальным выходным напряжением 6 кВ.
В качестве гидростанции высокого давления применена промышленная насосная станция на основе аксиально-поршневых насосов с рабочим давлением 21 МПа и подачей рабочей жидкости (минеральное масло) 25 л/мин.
Основные технические характеристики стенда ускоренных испытаний роторов магистральных насосов указаны в таблице.
Работа стенда происходит следующим образом.
Испытуемый ротор 9 помещают в полые выходные валы неподвижного 3 и подвижного 4 редукторов и в неподвижную 10 и подвижную 11 опоры.
Гидроцилиндром торсиона 13 производят закрутку торсиона 6. Заданный крутящий момент контролируют датчиком крутящего момента 7, после чего торсион 6 фиксируют зажимным устройством 8, при этом неподвижный 3 и подвижный 4 редукторы посредством кинематической связи замыкаются друг на друга, обеспечивая передачу крутящего момента к валу испытываемого ротора 9.
Испытания поводят как с вращением испытуемого образца (при одновременном нагружении в осевом и радиальном направлении), так и без вращения испытываемого ротора 9 магистрального насоса. В зависимости от типа испытаний стенд приводиться во вращение электродвигателем 2 или остается в неподвижном состоянии.
Если программа проведения испытаний предполагает вращение образца, запускают электродвигатель 2 от преобразователя частоты и выводит испытываемый ротор 9 на заданную частоту вращения. От гидростанции высокого давления приводят в действие гидроцилиндр радиальной нагрузки 14 и гидроцилиндр осевой нагрузки 13. Гидроцилиндр радиальной нагрузки 14 передает усилие на корпус подвижного редуктора 4, а гидроцилиндр осевой нагрузки 15 воздействует на подвижную опору 11 с радиально-упорным подшипником. Требуемая радиальная нагрузка задается перемещением гидроцилиндра радиальной нагрузки 14, усилие контролируется показаниями датчика усилий 12. Осевая нагрузка на испытываемом роторе устанавливается гидроцилиндром осевой нагрузки 15 и контролируется соответствующим датчиком усилий 12.
В соответствии с программой проведения испытаний образец испытываемого ротора 9 испытывают в течение определенного количества циклов (либо до разрушения). Контроль процесса испытаний осуществляется в автоматическом режиме по сигналам с датчиков и приборов, установленных в рабочей зоне стенда (датчик крутящего момента 7, датчики усилий 12, а также тахометр, датчики давлений, перемещений, вибраций (на фиг.1, 2 не показаны).
Если испытания проводятся без вращения образца, то испытываемый ротор 9 нагружают только гидроцилиндром радиальной нагрузки 14 и гидроцилиндром осевой нагрузки 15 с реализацией осциллирующей нагрузки от гидростанции высокого давления.
По полученным данным определяют фактические значения показателей надежности и ресурсных показателей роторов магистральных насосов.
Заявляемая конструкция стенда ресурсных испытаний роторов магистральных насосов с различными рабочими характеристиками обеспечивает ускорение проведения испытаний с максимально-возможным приближением моделируемых воздействий к реальным условиям работы ротора в магистральном насосе. Это достигается увеличением амплитуды моделируемых нагрузок в соответствии с разработанной методикой. При этом одно испытание длится не более 30 дней, за которые не происходит искажение процессов старения и износа, а также изменение характеристик материалов, соответствующих нормальным режимам эксплуатации.
Предлагаемый вариант испытательного стенда имеет следующие преимущества:
- компактность размещения силовых элементов на общей раме и удобство выполнения наладочных работ при проведении испытаний;
- силовые элементы стенда обеспечивают одновременно все виды нагружения ротора в соответствии с условиями эксплуатации: кручение, радиальное и осевое усилия;
- применение гидроцилиндров в качестве нагрузки позволяет легко автоматизировать процесс испытаний и уменьшает габариты установки;
- рекуперация мощности позволяет снизить нагрузку на электродвигатель и уменьшить тепловыделение стенда.
Таким образом, созданный стенд для проведения ресурсных испытаний роторов магистральных насосов, обеспечивая максимально-возможное приближения моделируемых воздействий к реальным условиям работы ротора в магистральном насосе, позволяет проводить ускоренные испытания с определением фактических значений показателей надежности и ресурсных показателей роторов магистральных насосов.