УСТАНОВКА ДЛЯ ЦИКЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ
UNIT FOR TURBOMACHINE ROTOR CYCLIC TESTS

Изобретение относится к машиностроению, а точнее к установкам для испытания роторов турбомашин на прочность.
Известна установка для динамических испытаний ротора турбомашины, содержащая теплоизолированную рабочую камеру с впускным и выпускным патрубками, выпускной патрубок которой снабжен дроссельной заслонкой, и установленный в камере испытуемый ротор с диском и с расположенными на нем рабочими лопатками (а.с. №983482).
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является низкое соответствие испытательного цикла эксплуатационному. Конструкция испытываемого ротора не соответствует конструкции ротора турбомашины, отсутствуют сопрягаемые детали. Тепло, вырабатываемое лопатками за счет аэродинамического нагрева в периферийной зоне камеры, к деталям ротора передается неуправляемо, температурное состояние ротора не соответствует эксплуатационному. Так как тепло передается к испытуемому ротору неэффективно, только за счет свободного конвективного теплообмена, необходимо обеспечивать высокую температуру в зоне аэродинамического нагрева, что ограничивает ресурс лопаток и статорных деталей установки. Известная установка имеет низкую производительность, так как за один раз испытывается только одна деталь ротора.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности установки путем обеспечения максимально возможного соответствия условий работы ротора при испытаниях типовому эксплуатационному циклу (т.е. натурным условиям) и за счет возможности одновременного испытания всех деталей ротора. Также за счет направленного, управляемого подвода тепла из зоны аэродинамического нагрева к деталям ротора появляется возможность снижения максимальных температур в камере и соответственно температур корпусных деталей установки, что повышает ее ресурс и надежность.
Сущность технического решения заключается в том, что установка для циклических испытаний ротора турбомашины, содержащая рабочую камеру и установленный в камере испытуемый ротор, по крайней мере, с одним диском и с расположенными на нем рабочими лопатками, согласно изобретению выполнена самостоятельным модулем со своими опорами и снабжена системой трубопроводов подвода и перепуска воздуха с управляемыми кранами, системой автоматического управления и системой контроля параметров во время испытаний, в которой установлены термопары в полостях рабочей камеры и на роторе, а наружный корпус установки выполнен двухслойным с полостью охлаждения.
Выполнение установки самостоятельным модулем позволяет испытывать ротор турбомашины целиком, с обеспечением взаимодействия деталей ротора друг с другом, соответствующего типовому эксплуатационному циклу.
Наличие системы трубопроводов подвода и перепуска воздуха с управляемыми кранами обеспечивает управляемый подвод горячего воздуха из зоны аэродинамического нагрева к деталям ротора и регулирование его температуры за счет добавки холодного воздуха от внешнего источника. Возможна настройка нестационарного теплового состояния деталей ротора при циклических испытаниях.
Наличие системы контроля параметров и системы автоматического управления обеспечивает максимальное соответствие условий работы ротора при испытаниях и в типовом эксплуатационном цикле (т.е. натурным условиям) и повышает качество испытания за счет своевременного выявления отклонений параметров от нормы и подачи сигналов на управляющие краны для корректировки расходов и температур воздуха.
Выполнение наружного корпуса установки двухслойным с полостью охлаждения снижает температуру наружной силовой оболочки путем подвода охлаждающего воздуха в полость между наружной и внутренней оболочками по трубам от внешнего источника, что повышает ресурс корпуса и надежность установки.
На чертеже изображен общий вид установки.
Установка для циклических испытаний ротора турбомашины выполнена самостоятельным модулем. Установка состоит из рабочей камеры 1, в которой установлен ротор 2, расположенный консольно на двух опорах: передней 3 и задней 4. Одна из опор должна воспринимать радиальную и осевую нагрузки. Кожух 5 с передней 3 и с задней 4 опорами, с валом 6 ротора 2 и с лабиринтными уплотнениями образуют общую масляную полость 7, имеющую подвод и откачку масла, систему суфлирования и наддува опор. В наружной части камеры 1 рабочие лопатки 8 ротора 2 и турбулизаторы 9, установленные на корпусе, образуют зону аэродинамического нагрева, в которой вырабатывается тепло, используемое для нагрева деталей ротора. Количество турбулизаторов и их расположение подбирается экспериментально во время отладки испытательного цикла и программы испытаний. Лопатки 8 также создают контурную нагрузку на диски 10. Камера является переменной частью установки и для различных роторов должна быть своя (по конструкции, типоразмеру, количеству ступеней). Наружный корпус 11 установки выполнен двухслойным, с силовой оболочкой 12 и с внутренней оболочкой 13, с полостью охлаждения 14 между оболочками. Внутренняя оболочка 13 изготовлена из жаропрочного никелевого сплава. Силовая оболочка 12 изготовлена из более дешевой стали, например из ЭП-609Ш. Установка снабжена системой трубопроводов подвода и перепуска воздуха с управляемыми кранами. Система трубопроводов состоит из труб для сброса горячего воздуха из камеры 1 в атмосферу, труб для перепуска горячего воздуха из зоны аэродинамического подогрева в присоединенные полости 15 ротора, труб подвода холодного воздуха от внешнего источника. Холодный воздух подводится в трубы перепуска для регулирования температуры, а также на охлаждение опор 3 и 4, корпуса 11 и токосъемника 16, установка которого предусмотрена для отладки испытательного цикла. Токосъемник позволяет измерять температуру деталей ротора. В трубах установлены управляемые краны для регулирования расходов воздуха. Установка имеет систему контроля для измерения частоты вращения ротора, расходов воздуха, давления и температуры воздуха в трубопроводах и в полостях рабочей камеры. В полостях рабочей камеры 1, на корпусе 11 и в трубопроводах установлены термопары 17. В трубопроводах установлены датчики измерения расхода. Система автоматического управления служит для выполнения программы испытаний с заданными параметрами испытательного цикла, а также для обработки данных системы контроля и управления кранами трубопроводов для поддержания требуемого температурного состояния испытываемого ротора.
Работает установка следующим образом.
Для проведения испытаний установка монтируется на испытательный стенд. Формируется график испытательного цикла с определением частоты вращения ротора 2 и с распределением температур в процессе испытательного цикла в деталях испытываемого ротора. Испытательные циклы формируются на основании расчета теплового и напряженно-деформированного состояния ротора в эксплуатационном цикле. В результате этих расчетов определяются критические элементы ротора, которые определяют его ресурс и требуют проверки испытаниями на установке. Затем выполняется настройка испытательного цикла, обеспечивающая его соответствие условиям эксплуатационного цикла. Выполняется подробное препарирование термопарами деталей ротора 2 с токосъемником 16. Необходимое температурное состояние деталей испытываемого ротора достигается настройкой режимов работы управляемых кранов и системы автоматического управления, которая также обеспечивает заданное в программе испытаний изменение частоты вращения ротора. Температурное состояние фиксируется термопарами 17 на корпусе рабочей камеры. Далее, в процессе испытаний, контроль теплового состояния выполняется по показаниям этих термопар. Программа испытаний задается системой автоматического управления. При расхождении показаний термопар 17 с заданными в программе испытаний по результатам отладки испытательного цикла система автоматического управления выдает корректирующие сигналы на управляемые краны в трубопроводах.