Патент на изобретение №2396534

(54) УСТАНОВКА ДЛЯ ЦИКЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ

(57) Реферат:

Установка для циклических испытаний ротора турбомашины содержит рабочую камеру, в которой установлен ротор, по крайней мере, с одним диском. На диске расположены рабочие лопатки. Установка выполнена самостоятельным модулем со своими опорами: передней и задней. Установка снабжена системой трубопроводов подвода и перепуска воздуха с управляемыми кранами, системой контроля параметров во время испытательного цикла и системой автоматического управления. В полостях рабочей камеры установлены термопары, термопары могут быть установлены на роторе вместе с токосъемником. Наружный корпус установки выполнен двухслойным, с силовой оболочкой и с внутренней оболочкой. Между оболочками расположена полость охлаждения. Установка позволяет испытывать ротор турбины целиком с максимальным соответствием условий испытаний типовому эксплуатационному циклу. 1 ил.

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.

Формула изобретения

Установка для циклических испытаний ротора турбомашины, содержащая рабочую камеру и установленный в камере ротор, по крайней мере, с одним диском и с расположенными на нем рабочими лопатками, отличающаяся тем, что установка выполнена самостоятельным модулем со своими опорами и снабжена системой трубопроводов подвода и перепуска воздуха с управляемыми кранами, системой автоматического управления и системой контроля параметров испытательного цикла, в которой установлены термопары в полостях рабочей камеры и на роторе, а наружный корпус установки выполнен двухслойным с полостью охлаждения.

РИСУНКИ