Результат интеллектуальной деятельности: СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при испытаниях и доводке газовых подшипников высокооборотных турбомашин.

Безмасляные опоры турбомашин являются перспективным направлением, поскольку позволяют улучшить массогабаритные характеристики двигателей и их эффективность за счет повышения частоты вращения и рабочей температуры, снизить трудоемкость обслуживания. Практическая реализация безмасляных опор возможна благодаря применению технологии газовых фольговых подшипников и высокотемпературных износостойких покрытий. Малоразмерные газотурбинные двигатели (МГТД), в частности вертолетные двигатели и вспомогательные ГТД, являются наиболее вероятными кандидатами для применения безмасляных подшипников, поскольку типоразмер этих двигателей соответствует текущим достижениям в работах по газовым подшипникам (опорам).

Предлагаемый стенд обеспечивает проведение экспериментальных исследований по определению работоспособности ротора газотурбинного двигателя на газовых опорах.

Известен стенд для испытаний газовых подшипников (патент РФ №2280243). Стенд содержит вал с приводной импульсной турбиной. Вал установлен в испытуемых подшипниках. Обойма подшипника подвешена внутри корпуса на упругих элементах.

Недостатком этого изобретения является то, что стенд предназначен для испытаний изолированных газовых подшипников. Проведение каких-либо испытаний газовых подшипников в системе реального ротора турбомашины (например, ГТД), устанавливаемого обычно на двух разнесенных друг от друга опорах, содержащих радиальные подшипники, невозможно.

Известен универсальный стенд для испытаний лепестковых газодинамических опор (патент РФ №77430). Ротор устанавливается в испытуемых подшипниках. Ротор снабжен турбиной пневмопривода и нагрузочным устройством. Для осуществления измерений стенд оборудован датчиком линейных перемещений ротора, а со стороны турбины пневмопривода установлен тахометр.

К недостаткам стенда можно отнести следующее. Стенд предназначен для снятия статической характеристики осевого подшипника и циклических испытаний газовых подшипников (осевого и 2-радиальных) при температуре окружающей среды. Однако конфигурация ротора, который установлен на газовых подшипниках, не соответствует реальной конструкции турбомашины, в частности ГТД: нет диска компрессора. В качестве турбины использована модельная турбина без соплового аппарата для подачи рабочего тела. Диск пяты осевого подшипника располагается в середине ротора, что не соответствует реальной конструкции ГТД. Вследствие этого схема нагружения радиальных и осевого подшипников и величины нагрузки на них не соответствуют действительности. Отсутствует возможность подогрева опор и подшипников до действительных рабочих температур. При циклической работе не имитируется реальный цикл разгона и торможения ротора ГТД. Также отсутствует возможность измерения радиальных перемещений ротора в опорах и вибраций корпуса, что не позволяет исследовать динамику поведения ротора и определять орбиты вала в опорах с газодинамическими подшипниками, производить спектральный гармонический анализ колебаний системы.

Заявленное изобретение направлено на устранение указанных недостатков.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей стенда.

Задача решается тем, что стенд для испытаний газодинамических подшипников, содержащий статор, в котором размещен ротор, установленный в двух опорах, выполненных с возможностью размещения в них испытуемых газодинамических подшипников, датчик частоты вращения ротора, по меньшей мере, один датчик перемещений и электрически связанный с датчиками блок управления, при этом ротор снабжен турбиной пневмопривода, который содержит источник сжатого воздуха и регулирующий клапан с электроприводом, связанным с блоком управления, согласно изобретению ротор снабжен диском, обеспечивающим имитацию колеса компрессора, а каждая из опор снабжена датчиками перемещений, расположенными во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось вращения ротора, датчиком температуры и узлом подвода воздуха, выполненным с возможностью регулирования температуры подаваемого воздуха.

В предпочтительном исполнении стенда узел подвода воздуха подключен к источнику сжатого воздуха и содержит нагреватель для изменения температуры подаваемого воздуха и клапан с электроприводом, связанным с блоком управления.

Целесообразно статор снабдить упором, выполненным с возможностью ограничения осевых перемещений ротора.

В частном случае реализации стенда массогабаритные параметры диска соответствуют параметрам рабочего колеса компрессора турбомашины.

В другом частном случае реализации стенд снабжен датчиком вибраций, электрически связанным с блоком управления.

Использование предложенного стенда позволяет проводить следующие виды исследований:

- исследование работоспособности опор с радиальными газовыми подшипниками разных типов, в том числе фольговыми и лепестковыми подшипниками, снабженными демпферами, выполненными из различных материалов и имеющими различные износостойкие покрытия;

- исследование влияния теплового состояния и температурных условий на грузоподъемность газовых подшипников и на динамику ротора.

Изобретение поясняется далее подробным описанием со ссылкой на чертеж, где показана схема стенда для испытаний газодинамических подшипников, на которой позицией 1 обозначен упор (упорный корпус), 2 - датчик частоты вращения ротора, 3 - турбина пневмопривода (газовая турбина), 4 - датчики перемещений (радиальных), 5 и 11 - подвод нагретого воздуха, 6 и 9 - радиальный газовый подшипник, 7 - ротор, 10 - диск, имитирующий массогабаритные параметры рабочего колеса компрессора, 8 и 12 - отвод нагретого воздуха, 13 и 14 - датчики температуры, 15 - упорный подшипник, 16 - коллектор подвода воздуха в турбину, 17 - статор, 18 - передняя опора, 19 - задняя опора, 20 - втулка, 21 - выхлопной канал, 22 - датчик вибрации, 23 и 25 - нагреватель, 27 - фильтр, 28 - запорный кран, 24, 26 и 29 -регулирующий клапан с электроприводом, 30 - блок распределительный, 31 - персональный компьютер.

Стенд для испытаний включают в себя статор 17, в котором размещается ротор 7, установленный в двух опорах: передней 18 и задней 19. Опоры 18 и 19 выполнены с возможностью размещения в них испытуемых газодинамических подшипников. Ротор 7 снабжен диском 10 и турбиной 3 пневмопривода (газовой турбиной). Массогабаритные параметры диска 10 соответствуют параметрам рабочего колеса компрессора турбомашины, в частности ГТД.

Конфигурация и масса ротора 7 с диском 10 подбираются расчетным путем таким образом, чтобы обеспечивать радиальные нагрузки на газовые подшипники, соответствующие реальным в системе натурной турбомашины.

Для предотвращения перемещений ротора 7 в осевом направлении в конструкции предусмотрены упорные элементы. Шариковый упор 1, размещенный в корпусе препятствует случайным перемещениям ротора 7 вправо. Упорный подшипник 15 воспринимает осевые усилия, создаваемые турбиной 3.

Блок управления выполнен в виде распределительного блока 30 и связанного с ним персонального компьютера 31. Распределительный блок 30 выполнен в виде коммутирующего устройства, работающего под управлением персонального компьютера 31. В компьютер 31 загружается программа, обеспечивающая обработку поступающих данных и осуществление программы испытаний.

Стенд оснащен датчиком 2 частоты вращения ротора 7, датчиками 4 перемещений, датчиками 13, 14 температуры и датчиком 22 вибрации. Выходы датчиков подключены к соответствующим входам распределительного блока 30.

Сжатый воздух (газ) для работы турбины 3, приводящей ротор 7 во вращение, подается через входной коллектор 16 турбины 3 пневмопривода на ее рабочее колесо от источника сжатого воздуха (не показан). Регулирование подачи сжатого воздуха к турбине 3 осуществляется клапаном 29 с электроприводом. Управление электроприводом клапана 29 осуществляется посредством персонального компьютера 31 через распределительный блок 30. Источник сжатого воздуха подсоединен также к узлам подвода воздуха к опорам 18, 19 ротора 7. Подвод воздуха осуществляется через запорный кран 28 и фильтр 27. Каждый узел подвода воздуха содержит нагреватель (23, 25) для изменения температуры подаваемого воздуха и клапан (24, 26). Электроприводы клапанов 24, 26 связаны с соответствующими управляющими выходами распределительного блока 30.

В крышке передней опоры 18 установлена трубка 11, через которую в подшипниковую полость подается горячий воздух, который нагревает эту опору, продувая кольцевую лепестковую щель, разогревая лепестки и обойму переднего радиального (испытуемого) подшипника 9. На выходе из лепестковой щели установлен датчик температуры 13 (T₁) для контроля температуры воздуха. Горячий воздух, выходящий из полости подшипника, отводится в атмосферу через трубку 8 в статоре 17.

В корпусе задней опоры 19 установлена трубка 5, через которую горячий воздух подается в полость заднего радиального (испытуемого) подшипника 6. Горячий воздух проходит через кольцевую лепестковую щель подшипника 6, при этом нагревает его обойму, вал и статорную часть. На выходе из лепестковой щели установлен датчик температуры 14 (Т₂) для контроля температуры воздуха. Горячий воздух, выходящий из полости этого подшипника, отводится в атмосферу через трубку 12 в корпусе задней опоры 19.

Датчик 2 для измерения частоты вращения ротора (n) установлен в стенке выхлопного канала 21 турбины 3 над втулкой 20. На втулке 20 в зоне расположения датчика 2 выполнены зубцы, с помощью которых при вращении вала в датчике 2 формируются импульсы тока, которые передаются на вход блока 30 и затем в компьютер 31.

В опорах 18 и 19, в зонах рядом с радиальными подшипниками 9 и 6, установлены высокочастотные токовихревые датчики 4 перемещений для измерения смещения вращающегося ротора в двух плоскостях: в вертикальной Y₁,Y₂ и горизонтальной X₁ и Х₂. Датчики горизонтальных перемещений на чертеже не показаны. С датчиков 4 перемещений сигналы по кабелю поступают в блок 30, а затем на регистрацию и обработку в компьютер 31. Применение такой системы датчиков позволяет определять орбиту движения вала (за один его оборот).

На статоре (корпусе) 17 установлен датчик 22 вибрации (В) для контроля вибрационного состояния устройства.

Пневматическая система стенда выполнена в виде трех воздушных (газовых) магистралей. Магистраль сжатого газа для работы турбины 3 снабжена клапаном 29 подачи газа на вход 16 турбины. Магистраль сжатого воздуха с клапаном 26 и подогревателем 25 служит для подачи через трубку 5 горячего воздуха заданной температуры в заднюю опору 19. Магистраль сжатого воздуха с клапаном 24 и подогревателем 23 служит для подачи через трубку 11 горячего воздуха заданной температуры в переднюю опору 18. Воздух в эти магистрали подается через кран 28 и фильтр 27.

Стенд снабжен измерительными линиями, соединяющими датчики перемещений 4, датчик 2 частоты вращения, датчики 13 и 14 температуры, датчик 22 вибрации с блоком 30. Стенд снабжен линиями управления работой клапанов 24, 26 и 29 по командам, поступающим с компьютера 31 через блок 30.

Стенд работает следующим образом.

Открывается кран 28 системы сжатого воздуха, затем клапаны 26 и 24. Сжатый воздух поступает в подогреватели 23 и 25, в которых он нагревается до требуемой рабочей температуры и затем поступает в опоры 18 и 19 через трубки 5 и 11. Контроль температуры в опорах осуществляется по показаниям датчиков температуры 13 (Т₁) и 14 (Т₂). После достижения требуемого теплового состояния опор через клапан 29 осуществляется подача сжатого воздуха (газа) на турбину 3. С увеличением давления воздуха увеличивается крутящий момент на валу турбины и растет частота вращения вала (n). В начальный момент раскрутки вала имеет место контакт и сухое трение между лепестками газовых подшипников 6, 9 и валом. При вращении вала начинает формироваться смазочный воздушный слой. При определенной частоте вращения в зависимости от нагрузки на подшипник и его типа воздушная пленка полностью развивается, происходит «всплытие» вала и никакого контакта лепестков и вала не происходит. В процессе работы ротор 7 выводится на заданный установившийся режим по частоте вращения (n_уст). Во время вывода ротора 7 на установившийся режим осуществляется непрерывная запись показаний датчиков 4 перемещений ротора 7 в опорах 18, 19: в вертикальной плоскости Y₁, Y₂ и горизонтальной X₁ и Х₂ в компьютер 31 через блок 30. По результатам измерений с помощью специальной программы, заложенной в компьютер, определяется траектория перемещения оси вала в зоне подшипников. Вид и размеры траектории характеризуют динамические свойства ротора.

Для определения частоты вращения при «всплытии» ротора 7 на слое «газовой смазки» может быть использована следующая последовательность действий. Раскрутить ротор 7 выше ожидаемой частоты вращения при всплытии (n_вспл) и затем отсечь подачу воздуха на турбину 3, закрыв клапан 29. Записав в процессе выбега на компьютер 31 изменение частоты вращения по времени, можно определить ее величину, при которой наступает резкое увеличение темпа (grad dn/dt) снижения частоты вращения в процессе «выбега» ротора. Полученная величина считается частотой вращения при «всплытии» ротора 7.

Испытания по оценке работоспособности и износостойкости покрытий пары трения в подшипниках проводятся при работе ротора 7 в циклическом режиме «разгон-останов» по следующей методике. В полости подшипников 9 и 6 подается горячий воздух требуемой температуры. Контроль температуры осуществляется по показаниям датчиков 13 и 14 температуры (термопар). После достижения требуемого теплового состояния (T₁ и Т₂) опор 18, 19 осуществляется подача воздуха (газа) через клапан 29 на турбину 3. После раскрутки ротора 7 и выхода его на выбранный режим по частоте вращения (n) выше частоты вращения всплытия прекращается подача воздуха на турбину 3 закрытием клапана 29. При снижении частоты вращения ротора 7 до частоты вращения, близкой к нулевой, клапан 29 снова открывается, воздух поступает на турбину 3, раскручивает ротор 7, и далее осуществляются повторные аналогичные циклы работы ротора в режиме «пуск-останов». После наработки определенного числа циклов испытания прекращаются и производится исследование состояния покрытия в паре трения вал-лепесток подшипника.

Датчик 22 вибрации используется для получения информации о вибрационном состоянии статора 17. Информация о вибрации корпуса (статора) и радиальных перемещениях ротора в опорах позволяет исследовать динамику поведения ротора и определять орбиты вала в опорах с газодинамическими подшипниками, производить спектральный гармонический анализ колебаний системы в целом.

В предложенном стенде реализована схема нагружения радиальных подшипников, соответствующая схеме нагружения в реальном ГТД. Реализована возможность подогрева опор и подшипников до действительных рабочих температур. При циклической работе стенда имитируется реальный цикл разгона и торможения ротора ГТД. Кроме того, реализована возможность измерения радиальных перемещений ротора в опорах и вибраций корпуса. Реализация указанных возможностей обеспечивает расширение функциональных возможностей стенда.