УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ МАШИН
TEST BENCH FOR ROTATING ELEMENTS OF MACHINE STRUCTURES

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к лабораторно-испытательной технике, а именно к установкам для исследования и доводки вращающихся элементов конструкции машин, преимущественно, газотурбинных двигателей.
7
Известен стенд для испытания вращающихся контактных уплотнений с испытательной камерой, состоящей из корпуса, крышек, вала, подшипников, испытываемого узла уплотнения (RU 2193176 С1, МПК  G01M 13/00, опубл. 20.11.02).
Недостатками известной установки являются:
- данная установка не позволяет наиболее полно имитировать нагрузки, испытываемые вращающимися элементами при работе машин;
- отсутствие возможности испытания вращающихся элементов при различных смещениях статора и ротора относительно друг друга, возникающих при работе машины;
- известная установка предназначена для испытания только контактных уплотнений одного типоразмера, для испытания других вращающихся элементов конструкции машин необходимо собирать новую испытательную камеру.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленной установки, является:
- полная имитация на заявленной установке рабочего узла, в который входит испытуемый вращающийся элемент;
- возможность исследования вращающихся элементов машин при различных смещениях/перекосах статора и ротора относительно друг друга, возникающих при работе машин;
- создание универсальной установки для испытания всех видов вращающихся элементов (уплотнений, подшипников, пар трения и т.д.) конструкции машин.
Указанный технический результат достигается тем, что установка для испытания вращающихся элементов конструкции машин состоит из приводного блока, включающего корпус приводного блока, вал, установленный на подшипниках, концы которого выходят за пределы корпуса приводного блока, привод, соединенный с одним из концов вала, испытуемого блока, включающего корпус испытуемого блока, вал, испытуемый элемент, закрепленный на валу и в корпусе испытуемого блока, выполненные идентичными корпусу, валу, вращательному элементу, используемым в конструкции реальной машины, при этом один из концов вала выходит за пределы корпуса, причем валы приводного и испытуемого блоков соединены между собой разъемным соединением (например, посредством фланцев, соединенных между собой винтами), с образованием единого вала, корпуса приводного и испытуемого блоков соединены между собой разъемным соединением (например, посредством фланцев с винтами), с возможностью радиального и/или углового и/или осевого смещения корпуса испытуемого блока относительно корпуса приводного блока.
Вышеприведенная конструкция заявленной установки позволяет имитировать при исследовании вращающихся элементов машин фактические условия их работы в составе машины, т.к. испытательный блок заявленной установки фактически является реальным узлом машины, при этом, возможно испытывать вращающиеся элементы машин при различных смещениях/перекосах статора относительно ротора, возникающих при работе реальной машины, кроме того, заявленная установка предназначена для исследования все видов и типов вращающихся элементов машин, благодаря возможности быстрой замены одного испытательного блока на другой.
В частных случаях реализации заявленной установки
В месте соединения корпусов приводного и испытуемого блоков установлена проставка, причем рабочие поверхности проставки, контактирующие с поверхностями фланцев, с помощью которых соединены корпуса приводного и испытуемого блоков, могут быть выполнены как параллельными друг другу, так и под углом друг к другу, что и позволяет задавать вышеупомянутые различные смещения/перекосы оси статора относительно оси ротора.
В корпусе приводного блока может быть выполнена система подачи масла к подшипникам (для их охлаждения), на которых установлен вал, и отвода масла из корпуса приводного блока.
В корпусе испытуемого блока могут быть выполнены: система подогрева вала, система подачи и отвода холодного или горячего сжатого воздуха, что позволяет создавать в корпусе испытуемого блока необходимое давление и температуру, имитирующие температуру и давление при различных режимах работы машин.
Испытуемый блок может дополнительно содержать систему подачи масла к испытуемому элементу и отвода масла в мерные емкости, для возможности определения расходов масла по полостям исследуемой опоры машины.
Испытуемый блок может дополнительно содержать контрольно-измерительные приборы для измерения температурного и прочностного состояния испытуемого образца.
Установка может содержать прибор для замера частоты вращения вала, установленный на валу.
Установка может дополнительно содержать датчики вибрации, закрепленные на корпусе.
Привод вала включает в себя реверсивный электродвигатель с регулировкой частоты вращения вала.
На фигуре 1 пример конкретного выполнения заявленной установки, а именно продольный разрез установки для испытания торцевого графитового уплотнения при полной имитации работы упомянутого уплотнения в составе машины.
На фигуре 2 представлен пример конкретного выполнения заявленной установки, а именно продольный разрез установки для испытания опор машин и определения расходов масла в них, при полной имитации работы упомянутой опоры в составе машины.
На фигурах 3 и 4 представлены выносные элементы Д и Е, указанные на фигурах 1, 2, а именно средства крепления корпусов (стык В) и валов (стык Г) приводного и испытуемого блоков соответственно.
Установка состоит из приводного и испытуемого блоков, которые, как правило, установлены на стенде (на чертежах не показан). Приводной блок включает в себя корпус 1 приводного блока, вал 2 приводного блока, установленный на подшипниках 3, концы которого выходят за пределы корпуса 1 приводного блока, привод (на чертежах не показан), соединенный с одним из концов вала 2 приводного блока.
Испытуемый блок включает в себя корпус 4 испытуемого блока, вал 5 испытуемого блока, один из концов которого выходит за пределы корпуса 4 испытуемого блока, испытуемый элемент, представляющий собой контактное уплотнение, подшипник, пару трения и т.п., закрепленный на валу 5 (роторе) и корпусе 4 (статоре) испытуемого блока.
Следует отметить, что в случае испытания уплотнений узел испытуемого элемента состоит из контактной втулки 6, графитного кольца 7 с осевыми пружинами 8 для нагружения графитового кольца 7 (см. фиг.1), а в случае испытания опор машины узел испытуемого элемента состоит из подшипника 9 с втулкой 10 (см. фиг.2).
Корпус 4 испытуемого блока, вал 5, испытуемый элемент выполнены идентичными корпусу, валу, вращательному элементу, используемым в конструкции реальной машины, причем один из концов вала 5 испытуемого блока выходит за пределы корпуса 4.
Валы 2, 5 приводного и испытуемого блоков, а также корпуса 1, 4 приводного и испытуемого блоков выполнены с возможностью разъемного соединения (по стыкам В и Г соответственно), причем валы 2, 5 приводного и испытуемого блоков соединяются с образованием единого вала посредством фланцев 11 и 12 с винтами 13 (см. выносной элемент Е на фиг.4), корпуса 1, 4 приводного и испытуемого блоков соединяются с возможностью радиального и/или углового и/или осевого смещения корпуса испытуемого блока 1 относительно корпуса 4 приводного блока, посредством фланцев 14 и 15 с винтами 16 и проставки 17, установленной между фланцами 14 и 15 (см. выносной элемент Д на фиг.3).
В корпусе 1 приводного блока выполнена система подачи масла к подшипникам, на которых установлен вал 2, и отвода масла из корпуса 1 приводного блока, включающая последовательно соединенные штуцер 18 для подачи масла, осевые каналы 19, форсунки 20, 21 для подачи масла к подшипникам, масляную полость 22 с крышкой 23, в которой выполнено окно 24, штуцер 25 для отвода масла.
В корпусе 4 испытуемого блока могут быть выполнены: система подогрева вала (в случае испытания торцевого контактного графитового уплотнения), а также система подачи и отвода горячего или холодного сжатого воздуха.
Система подогрева вала (см. фиг.1) включает в себя штуцер 26 для подвода (например, от нагревателя, установленного на стенде) горячего воздуха к валу 5 и штуцер 27 для отвода горячего воздуха.
Система подачи и отвода холодного или горячего сжатого воздуха может иметь различное конструктивное выполнение в зависимости от вида испытуемого элемента, например при испытании торцевого контактного графитового уплотнения (фиг.1) система подачи и отвода холодного или горячего сжатого воздуха включает в себя штуцер 28 для подачи холодного или горячего сжатого воздуха (например, от источника, находящегося на стенде) в полость 29, образованную перегородками 30, 31. Полость 29 сообщается с полостью 32 посредством лабиринтного уплотнения 33, полость 32 сообщается с полостью 34, которая сообщена с патрубком 35 для отвода холодного или горячего сжатого воздуха в атмосферу.
При определении расходов масла в опорах машин (см. фиг.2) система подачи и отвода холодного или горячего сжатого воздуха (например, от источника, находящегося на стенде) включает в себя воздухопроводящие полости 36, 37, сообщенные с полостями 38, 39, 40. Полость 38 сообщена с полостью 39 при помощи лабиринтного уплотнения 41, полость 39 сообщена с полостью 40 при помощи лабиринтного уплотнения 42.
В случае испытания опор машин испытуемый блок может содержать систему подачи масла к испытуемому элементу и отвода масла в мерные емкости (см. фиг.2), включающую в себя штуцер 43 для подачи масла, на конце которого выполнена форсунка 44, сообщенный с осевыми каналами 45 в валу 5, а также с полостью 40, осевые каналы 45 сообщены с полостями 38, 39, разделенными между собой лабиринтным уплотнением 41, полости 38, 39, 40 сообщены с соответствующими мерными емкостями (на чертежах не показаны) посредством штуцеров 47. Полость 36 сообщена с полостью 38 при помощи лабиринтного уплотнения 48.
В случае испытания уплотнений через форсунку 49 осуществляется подача масла для охлаждения контактной втулки 6 (см. фиг.1).
Испытуемый блок содержит контрольно-измерительные приборы для измерения температурного и прочностного состояния испытуемого элемента, в частности температуры и напряжений контактных втулок 6, 10 (фиг.1, 2 соответственно), выполненные в виде термопар, тензодатчиков и токосъемника (на чертежах не показаны), соединенных с регистрирующей аппаратурой стенда.
Установка также содержит прибор для замера частоты вращения вала, например индуктор (на чертежах не показан), установленный на валу 2 приводного блока.
На корпусе приводного блока установлены датчики вибрации (на чертежах не показаны) в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Привод вала включает в себя реверсивный электродвигатель (на чертежах не показан) с регулировкой вращения вала, предусмотренной программой испытания.
Далее, рассмотрим один из примеров работы, в частности работу установки для испытания торцевого графитового уплотнения (узел испытуемого элемента состоит из контактной втулки 6, графитного кольца 7 с осевыми пружинами 8 для нагружения графитового кольца 7 (см. фиг.1).
Вначале присоединяют испытуемый блок, имитирующий реальный узел машины, к приводному блоку по стыкам В (корпус-корпус) и Г (вал-вал) посредством выполненных на корпусах и валах соответствующих фланцев винтами. Затем винтами 16, соединяющими корпуса блоков, имитируют смещение/перекос корпуса 4 испытуемого блока относительно корпуса 1 приводного блока, предварительно установив между фланцами 14, 15 корпусов подходящую проставку 17 (см. фиг.3).
Затем через форсунку 49 осуществляют подачу масла для охлаждения контактной втулки 6.
Далее, через штуцер 18 подают масло в осевые каналы 19, через форсунки 20, 21 масло попадает в масляную полость 22, в которой расположены подшипники 3, на которых установлен вал 2 приводного блока, далее масло стекает через окно 24 крышки 23 масляной полости 22 и выводится через штуцер 25 из корпуса установки.
Через штуцер 28 (например, от источника, находящегося на стенде) сжатый воздух необходимой температуры (для имитации среды в узле с вращающимся элементом при работе реальной машины) подается в полость 29, образованную перегородками 30, 31, подпирая при этом испытуемое уплотнение, исключая тем самым попадание масла из масляной полости 22 в полость 29. Воздух из полости 29, через лабиринтное уплотнение 33, попадает в полость 32, затем в полость 34, а затем суфлируется в атмосферу через патрубок 35. Одновременно с этим, через штуцер 26 подается воздух нужной температуры к валу 5 (для имитации среды в узле с вращающимся элементом при работе реальной машины), далее воздух выводится из установки через штуцер 27.
Далее, запускается электродвигатель, общий вал начинает вращаться с определенной частотой, замеряемой индуктором. При этом температура и напряжения контактной втулки 6 и вала 5 при помощи термопар, тензодатчиков и токосъемника (на чертеже не показаны) фиксируются на регистрирующей аппаратуре стенда.
При помощи данной установки определяются величина износа графитового кольца 7 и его доводка в условиях имитации нагрузок, которым может подвергаться испытуемый элемент при работе реальной машины, а также температурное состояние, величины напряжений в контактной втулке 7 и на валу 5, возможности изменения этой температуры и напряжений регулированием осевых сил пружин.
Далее, рассмотрим еще один пример работы, в частности работу установки для испытания опор машин и определения расходов масла в них (узел испытуемого элемента состоит из подшипника 9 с втулкой 10, см. фиг.2).
Вначале присоединяют испытуемый блок, имитирующий реальный узел машины, к приводному блоку по стыкам В (корпус-корпус) и Г (вал-вал) посредством выполненных на корпусах и валах соответствующих фланцев винтами. Затем винтами 16, соединяющими корпуса блоков, имитируют смещение/перекос корпуса 4 испытуемого блока относительно корпуса 1 приводного блока, предварительно установив между фланцами 14, 15 корпусов подходящую проставку 17 (см. фиг.3).
Далее, через штуцер 18 подают масло в осевые каналы 19, через форсунки 20, 21 масло попадает в масляную полость 22, в которой расположены подшипники 3, на которых установлен вал 2 приводного блока, далее масло стекает через окно 24 крышки 23 и выводится через штуцер 25 из корпуса установки.
Далее, через полости 36, 37 подается сжатый воздух необходимой температуры, в полости 38, 39, 40 для имитации среды в узле с вращающимся элементом при работе реальной машины, а также для подпора лабиринтных уплотнений 41, 42, которые перекрывают каналы, соединяющие полости 38, 39, а также 39, 40.
Затем через штуцер 43 и форсунку 44 подается масло на поверхность ротора, с расположенными на ней входами в осевые каналы 45, расположенные в валу 5, далее, основная часть масла проходит в осевые каналы 45, а оставшееся масло отражается от поверхности ротора и стекает в полость 40, данное масло считается неиспользованным для смазки и охлаждения подшипника 9 и втулки 10. Часть масла из каналов 45 поступает в полость 39 на охлаждение подшипника 9, а остальное масло по продолжению осевых каналов 45 поступает в полость 38 на охлаждение втулки 10. Уплотнение 48, разделяющее полости 36 и 38, служит для разделения расходов масла, поступившего на подшипник 9 и на втулку 10.
Из полостей 38, 39 и 40 через штуцера 47 масло сливается в соответствующие мерные емкости (на чертеже не показаны), где и определяются расходы масла.
При помощи данной установки определяются расходы масла по полостям, в условиях имитации нагрузок, которым может подвергаться испытуемая опора при работе реальной машины, зависимость этих расходов от подаваемого расхода масла из форсунки и от геометрии каналов на валу и их доводка для определения наиболее оптимального распределения расходов масла по полостям исследуемой опоры машины, а также возможности по уменьшению количества масла, сливаемого от вращающихся деталей ротора.