СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСЕВОЙ СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НА РОТОР ТУРБОМАШИНЫ В ПРОЦЕССЕ ЕЁ РАБОТЫ
METHOD OF DETERMINING AXIAL FORCE ACTING ON TURBOMACHINE ROTOR DURING ITS OPERATION

Изобретение относится к области натурных испытаний в условиях работающей турбомашины, преимущественно авиационных газотурбинных двигателей, а именно, измерению осевой силы с ротора при стендовых испытаниях или в условиях эксплуатации.
Общеизвестно, что задача определения осевой силы с ротора актуальна и востребована на стадии опытной доводки при проектировании турбомашины. Экспериментальное подтверждение правильности предварительных расчетов позволяет уточнить газодинамические расчеты проточной части со стороны ротора, гидравлические расчеты пневмосхемы вокруг ротора, изменение осевых зазоров между статорными и роторными лопатками в процессе работы турбомашины и тд. Обычно экспериментальное определение осевой силы с ротора турбомашины требует изготовления специальной для этих целей опоры или существенной доработки элементов существующей опоры.
Известен способ определения осевой силы, действующей на ротор турбомашины в процессе ее работы, включающий установку тензодатчиков на элементы опоры ротора, их градуировку, снятие сигнала с тензодатчиков, его запись и обработку (патент RU 2673503 С1, 27.11.2018 - прототип).
Недостатками известного способа является необходимость существенной доработки элементов опоры ротора для возможности замера осевой силы с последнего, а именно, доработка неподвижного кольца подшипника качения для реализации наклонных к оси вращения подшипника участков наружной посадочной поверхности, что увеличивает затраты на обеспечение требуемых испытаний турбомашины и может влиять на снижение ресурса подшипника в условиях стендовых испытаний и эксплуатации.
Техническим результатом, достигаемом при использовании заявленного изобретения, является устранение недостатков известного способа за счет расположения тензометрических датчиков в наиболее чувствительных к воздействию осевой силы и в менее чувствительных к воздействию радиальной силы с ротора местах на элементах его опоры без их существенной доработки, что позволяет использовать в дальнейшем опору ротора для проведения других испытаний и при дальнейшей эксплуатации без дополнительных затрат в обеспечение проведения испытаний по замеру осевой силы с ротора, с сохранением требуемой точности и информативности получения результата этих испытаний и без снижения ресурса элементов опоры ротора и турбомашины в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что согласно заявленному способу требуется установить тензодатчики на элементы опоры ротора, осуществить их градуировку, снятие сигнала с тензодатчиков, его запись и обработку, при этом используют минимум по два тензодатчика, которые устанавливают равноудаленно друг от друга в окружном направлении в по крайней мере одно место, чувствительное к возникновению концентрации напряжений от осевой силы и менее подверженное деформациям от радиальной нагрузки с ротора на элементах опоры, которые предварительно определяют до установки тензодатчиков, затем проводят запуск турбомашины на стенде или в условиях эксплуатации с обеспечением ее работы на требуемых режимах, причем запись сигналов с тензодатчиков осуществляют в течение всего запуска, а в процессе обработки сигналов с тензодатчиков исключают влияние на сигналы радиальной составляющей силы с ротора, далее обработанные сигналы пересчитывают в значение осевой силы с ротора и строят график изменения осевой силы с ротора по времени запуска турбомашины в процессе ее работы. Кроме того, опору ротора выполняют с упругим элементом в виде втулки с продольными прорезями по ее окружности, а тензодатчики устанавливают на балочки, образованные прорезями. Кроме того, тензодатчики устанавливают на балочки упругого элемента со стороны прорези. Кроме того, места установки тензодатчиков определяют при помощи расчета методом конечноэлементного моделирования. Кроме того, предварительно дорабатывают элементы опоры ротора только для обеспечения вывода проводов от тензодатчиков и для обеспечения требований к качеству и форме поверхности элементов опоры в местах установки тензодатчиков.
Использование минимум по два тензодатчика в каждом месте их установки позволяет осуществлять в данных местах дублирование замеров, что повышает гарантию получения результата испытаний, что позволяет снизить вероятность повторных испытаний в случае выхода одного из тендатчиков из строя до или в процессе испытаний, что снижает затраты на испытания в целом.
Равноудаленная установка тензодатчиков друг от друга в окружном направлении в по крайней мере одно место, чувствительное к возникновению концентрации напряжений от осевой силы и менее подверженное деформациям от радиальной нагрузки с ротора на элементах опоры позволяет получать информацию по окружной неравномерности показаний датчиков в каждом месте их установки с доминирующей составляющей от осевой силы в спектре сигнала каждого тензодатчика, что помогает минимизировать влияние на показания тензодатчиков радиальной составляющей нагрузки с ротора турбомашины с доминированием осевой составляющей нагрузки в спектре сигнала каждого тензодатчика, что обеспечивает требуемую точность результатов испытаний, не требует проведения дополнительных техлологических операций при подготовке деталей к проведению испытаний, влияющих на ресурс деталей опоры ротора, что позволяет применять данную материальную часть для проведения других испытаний турбомашины или в эксплуатации, что снижает затраты в обеспечение проведения испытаний, с сохранением требуемой точности получения результата испытаний без снижения ресурса элементов опоры ротора и турбомашины в целом.
Предварительное определение мест, чувствительных к возникновению концентрации напряжений от осевой силы и менее подверженное деформациям от радиальной нагрузки с ротора на элементах опоры, позволяет более правильно установить на элементы опоры тензодатчики с точки зрения замера осевой силы с ротора турбомашины, что позволяет обеспечить требуемую точность получения результата испытаний без снижения ресурса элементов опоры ротора и турбомашины в целом.
Запись сигналов с тензодатчиков в течение запуска и работы турбомашины на требуемых режимах при стендовых испытаниях или в условиях эксплуатации позволяет получить максимально точное представление об изменении осевой силы с ротора, в том числе и на переходных режимах работы, что обеспечивает требуемую точность получения результата испытаний в целом.
Исключение влияние на сигналы с тензодатчиков радиальной составляющей силы с ротора обеспечивает требуемую точность получения результата испытаний по определению осевой силы с ротора в целом.
Представление результатов испытаний после соответствующей обработки в виде графика изменения осевой силы с ротора по времени запуска турбомашины обеспечивает требуемую информативность результата испытаний в целом.
Выполнение опоры ротора с упругим элементом в виде втулки с продольными прорезями по ее окружности является частным случаем реализации опор, и установка тензодатчиков на балочки, образованные прорезями, обусловлено тем, что последние являются чувствительным элементом к возникновению концентрации напряжений от воздействия осевой силы с ротора, что обеспечивает требуемую точность получения результата испытаний в целом.
Установка тензодатчиков в прорези на балочках упругого элемента обеспечивает требуемую точность проведения испытаний по причине того, что при выполнении прорезей режущий инструмент к втулке подводится в радиальном направлении с последующим его перемещением вдоль втулки. В результате образуются плоские поверхности на образованных между прорезей балочках, которые ориентированы близко к радиальному направлению относительно втулки. То есть эти поверхности в меньшей степени подвержены возникновению на них концентрации напряжений от воздействия радиальных нагрузок с ротора турбомашины, что снижает влияние на показания тензодатчиков радиальной составляющей нагрузки с ротора турбомашины с доминированием осевой составляющей нагрузки в спектре сигнала каждого тензодатчика, что обеспечивает требуемую точность результатам испытаний в целом.
Определение мест установки тензодатчиков при помощи расчета методом конечноэлементного моделирования позволяет не применять более дорогие экспериментальные способы, что снижает затраты на подготовку данных испытаний в целом.
Предварительная доработка элементов опоры ротора только для обеспечения вывода проводов от тензодатчиков и для обеспечения требований к качеству и форме поверхности элементов опоры в местах установки тензодатчиков позволяет не применять дополнительных элементов в опоре для обеспечения проведения испытаний с требуемой точностью, что снижает затраты на проведение испытаний и обеспечивает получение требуемой точности результатов испытаний в целом.
На фиг. 1 представлена схема установки тензометрических датчиков в диаметральных плоскостях в характерных сечениях на элементах опоры, в том числе и на втулке с продольными прорезями. Пример установки тензометрических датчиков на втулку с продольными прорезями представлен на фиг. 2.
В частном случае реализации предлагаемый способ измерения осевой силы с ротора компрессора высокого давления авиационного газотурбинного двигателя в процессе стендовых испытаний или в эксплуатации реализуется следующим образом. При помощи метода конечных элементов моделируются элементы опоры ротора и исследуются на предмет возникновения в них концентраций напряжений от действия осевой силы с ротора. При этом также рассматривается влияние в этих местах на напряжения радиальной силы с ротора. Выбираются места по принципу большего влияния осевой составляющей и меньшего влияния радиальной составляющей силы с ротора. В представленном случае выбраны три характерных диаметральных сечениях 1, представленных на фиг. 1, на таких элементах опоры ротора, как корпус опоры 2 ротора и втулка 3 с продольными прорезями 4, образующими балочки 5. В данном случае в каждом поясе устанавливается по восемь тензодатчиков 6, ориентированных вдоль оси турбомашины, то есть в направлении больших деформаций, возникающих от действия осевой силы с ротора. При этом два пояса тензодатчиков 6 устанавливают на балочки 5 втулки 3 с продольными прорезями 4, так как в них по разному сказывается влияние действия радиальной силы с ротора турбомашины. Вывод проводов от тензодатчиков 6 наружу осуществляется через существующие отверстия в корпусе опоры 2 ротора, а далее через полые стойки наружного корпуса 7. В некоторых случаях выполняют отверстия малого диаметра в элементах опоры ротора, достаточного для вывода через данные отверстия проводов от тензодатчиков 6. Места выполнения данных отверстий выбираются таким образом, чтобы их наличие не снижало ресурс элементов опоры. При необходимости после испытаний турбомашины, данные отверстия могут быть устранены методами существующей ремонтной технологии. Поверхность мест под устанозку тензодатчиков 6 может подвергаться специальной подготовке согласно рекомендациям инструкции по установке конкретного типа тензодатчиков 6, например, зачищаются и обезжириваются перед их установкой. Тензодатчики 6 фиксируются, например, при помощи клеевого соединения. Далее проводят градуировку тензодатчиков 6 от имитации действия осевой и радиальной сил с ротора в лабораторных условиях на отдельном узле наружного корпуса 7 в сборе с элементами опоры ротора. Далее осуществляют сборку и запуск турбомашины на стенде или в условиях эксплуатации. При этом осуществляют запись показаний с тензодатчиков 6 в течение всего времени работы турбомашины на требуемых режимах и при требуемых условиях. При обработке полученной информации используют данные по предварительной градуировке тензодатчиков 6, в том числе и для исключения влияния радиальной силы на их показания, а также учитывают условия работы турбомашины, например такие, как температура элементов опоры ротора в работе. После этого пересчитывают показания «живого» сигнала с тензодатчиков 6 в значения осевой силы с ротора и строят график зависимости данного значения по времени работы турбомашины, что дает однозначную привязку значения осевой силы к режиму и условиям работы турбомашины.
Заявленный способ за счет предварительного исследования современными численными методами мест расположения тензодатчиков 6 сводит к минимуму подготовительные работы в обеспечение испытаний по определению осевой силы с ротора турбомашины и не требует проектирования и изготовления дополнительной материальной части и доработки существующей материальной части, что позволяет использовать в дальнейшем опору ротора для проведения других испытаний и/или при дальнейшей эксплуатации без дополнительных затрат в обеспечение проведения данных испытаний с сохранением требуемой точности и информативности получения результата и без снижения ресурса элементов опоры ротора и турбомашины в целом.