Способ определения поврежденности ротора турбомашины

 

Изобретение относится к усталостным испытаниям, а именно к способам определения поврежденности ротора турбомашины0 Цель изобретения - повышение точности определения поврежденности в виде трещины за счет исключения погрешностей, связанных с изменением физико-механических характеристик материала и разогрева ротора, а также повышение точности локализации поврежденное и3 Ротоп подчео чюг изгибным колебаниям при ра грыгой и закрытой трещине, |: ачност,- собственных частот в этих положениях чвпяет с.я характеристикой поврежденноеr:s ро тора„ 2 Soiio cb-лы, 2. ил0

союз советсних социдлистичесних

РЕСПУЬЛИН (g))g G 0I N 3/32

:!

1 (е, 1 (Я

©д м госуд@ ственный комитет пО изОБРетениям и ОтнРытиям

ПРИ ГННТ СССР (21) 4076936/28 (22) 13.06. 86 (46) 15.04.91. Бйл. №- 14 (71) Всесоюзный теплотехнический научно"исследовательский институт им. Ф.Э.Дзержинского (72) 10.Л.Израилев, В.И.Тривуш, Д.С.Вайсберг, А.Л.Дубны-Герцык, Н.Н.Ломагин и Г.И.Селезнев (53) 620.178(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 892257, кл. С 01 К 15/00, 1980, (54) СПОСОБ 011РЕДЕЛЕНИЯ 1".ОВРЕЖДЕННОСТИ PGTOPA ТУРБОМИ1И1Ы (57) Изобретение относится к усталостИзобретение относится к усталостным испытаниям, а именно к способам определения поврежденности ротора турбомашины.

Цель изобретения — повышение точности определения поврежденности в виде трещины за счет исключения погрешностей, связанны. . с изменением физико-механических характеристик материала и разогрева ротора, а также повышение точности локализации поврежденности.

На фиг.1 представлена схема ротора; на фиг.2 — сечение А — А на фиг.1.

Устройством для реализации способа служит основание с опорами в виде пo„",— весок, вибратор и средства определения собственных частот и характеристик затухания. В качестве статических

„„SU„„1642389 А 1 ным испытаниям, а именно к способам определения поврежденности ротора турбомашины. Цель изобретения — повышение точности определения поврежденности в виде трещины за счет исключения погрешностей, связанных с изменением физико-механических характеристик материала и разогрева ротора, а также повышение точчости локализации повреядеинос . из РОтОр под: ер. аю иэгибнь м колебаниям при ра;.крытой и закрытой трещина.. .. азност;:-. собственных частот в этих положениях являеTсл характеристикой повреждеинос ротора. 2 з. и. ф-лы, 2 ил. изгибных усилий мОжнО ис-.ользов.:.ть силу веса ротора..

Способ реализуется следую .,им способом., Ротор подвешивают на Ilp жннных подвесках и уст":,íàâëèâàþò на нем вибратор причем жесткость подвесок выбирают иэ условия равенства ч -:стот колебаний системы ротор-подвеска в горизонтальной H вертикапьной плоскостях, разность не превышает ЗХ. Лри таком условии максимальна добротность колебательной системы, Определяют собственные частоты изгибных колебаний при открытом и закрытом состоянии трещины, что достигается со:ответствующим поворотом рс" àðë î "Hcl сительно татической нагрузки — силы веса. По разности соответствующих час1642309 тот судят о величине поврежденности.

Локализовать трещину можно путем определения высших частот спектра, которые по-разному изменяются при наличии

5 трещины в зависимости от локализации трещины.

Для реализации способа проводят на описанном роторе соответствующие тарировочные испытания. 10

Ротор 1 содержит трещину 2, последовательно выращиваемую и завариваемую в зонах 3 наибольшего повреждения.

По образующей ротора 1, смещенной на 90 по отношению к плоскости симо метрии трещины, устанавливают датчики 4 деформаций, В плоскости симметрии трещины 2 на ротор 1 воздействует вибратор 5. Ротор 1 подвешен на пружинные опоры 6.

Способ осуществляют следующим образомо

Ротор устанавливают горизонтально в опорах на пружинных подвесках. Дпя выполнения указанного условия различия частот колебаний в горизонтальной и вертикальной плоскостях не более 3% достаточно, чтобы частота колебаний недеформируемого ротора в подвесках была на порядок меньше частоты низшей собственной формы колебаний. При характерной низшей частоте для ротора паровой турбины 100 Гц требуется проседание пружин под весом ротора, равное 3 мм. Выполняют искусственный надрез в характерном сечении, где развиваются трещины при длительной эксплуатации, Устанавливают вибратор и возбуждают горизонтальные резонансные колебания, вызывающие рост . 40 трещины из надреза под действием многоцикловых изгибных нагрузок. Контролируют уменьшение резонансной частоты, увеличение декремента и изменение фазы кОлебаний РОст трещины npGKpG 4 щают, когда уменьшение резонансной частоты по любой из контролируемых низших форм достигает ширины соответствующей резонансной кривой. После этого неразрушающими методами, например методом электропотенциала, определяют размеры трещины. Устанавливают датчики деформации и определяют связь между изменением частоты, декремента, фазы и деформациями, вызываемыми вибрационными нагрузками, а также характеристиками (размеры, место расположения) трещины. Затем тре-, ! шину заваривают и повторяют изложенную последовательность действий по меньшей мере в трех сечениях. Такая последовательность действий позволяет найти связь между уменьшением собственных частот колебаний ротора по первым собственным формам и размерам а также место расположения (координата поперечного сечения ротора в направлении оси вращения).

Выявленная связь позволила рассчитать на ЭВМ номограммы, используемые для определения размера и местоположения трещины в роторе по изменению указанных вибрационных характеристик, Эти номограммы используются при вибродиагностике трещины в ро-. торе, .осуществляемой без вскрытия цилиндра, когда ротор подвешен в специальных опорах, позволяющих возбудить в нем резонансные колебания по собственным формам, При этом о ресурсе ротора судят по размеру трещины, определяя число циклов до разрушения по известным соотношениям механики разрушения, например по зависимости Пэриса.

Пример. Ротор высокого давления турбины AT-25 подвешен в пружинных опорах на стенде московской экспериментальной ТЭВ ВТИ. Длина ротора 3988 мм, вес 4120 кг. В зоне осесимметричного концентратора (тепловая канавка) выполнен трещиноподобный надрез (фрезой), заострен кислотой. Под действием установленного в горизонтальной плоскости вибратора 5 на

100 Гц инерционного типа (стандартный электродвигатель постоянного тока с неуравновешенной массой) настраивается частота силовых воздействий на первую низшую форму колебаний ротора (114 Гц), Периодически контролируют уменьшение низших (первых пяти) резонансных частот при развитии трещины и при уменьшении резонансной частоты на величину, равную ширине резонансной кривой (приблизительно на 1 Гц), после чего рост трещины прекращают, а размеры ее уточняют методами неразрушающего контроля. В данном случае метод электропотенциала показал, что площадь трещины f =

= 2,7% P вала ротора, где Р— ппощадь сечения вала в плоскости трещины, Поворачивают ротор так, чтобы тре. щина закрылась (верхнее положение), По горизонтальной образующей на поверхности вала датчиками деформации

09

Формула

5 16423 измеряют распределение по длине деформаций, вызванных вибрационными нагрузками по первым пяти формам резонансных колебаний. Эти измерения совместно с расчетными номограммами обе5 спечивают получение явного выражения искомой связи в виде

Ь И/63 = — dU/U y

2 10 где dQ, dU — изменение частоты и потенциальной энергии при развитии трещины °

Д 2 (X) .Ь(К0(1)) Ф

1 и -1 где M (X) — из гиб ающий момент, о пр еделяемый по показ аниям д атчи ко в деформации;

h. (Ê, (1) ) — приращение податливости ротора в плоскости "X" развития трещины

1 Rн

6(К,(1)) =5,5 (— — -) — -" — С (р()

К„-Кб 2Я 1,— где 1 — глубина трещины;

R>, R > — наружный, внутренний радиус вала ротора;

Š— модуль упругости;

? — момент инерции f((К)

sin 20( ф -+

Полученные соотношения использованы для расчета на 38М удобных номограмм, обеспечивающих необходимую точность опРеделения Размеров и место- 35 положения (глубина 1, местоположение и и

Х, угол ф„ трещины) при реализации способа без вскрытия цилиндра турбины в условиях действуюц ей ТЗС. В проведенных испытаниях проседание рото- 40 ра на пружинных подвесках составило

3 мм. При этом разность частот колебаний при горизонтальном и вертикальном воздействии вибрационных усилий составила 2,6Х. 45 изобретения

1. Способ определения поврежденности ротора турбомашины, заключающийся в том, что ротор устанавливают на двух опорах, возбуждают в нем иэгибные колебания и определяют частоту собственных колебаний, по которой определяют характеристику поврежденности, отличающийся тем„ что, с целью повышения точности определения поврежденности в виде трещины за счет исключения погрешностей, связанных с изменением физико-механических характеристик материала и разогрева ротора, определяют направление раскрытия трещины, прикладывают к ротору статическую изгибную нагрузку в направлении раскрытия трещины и в противоположном направлении, изгибные колебания возбуждают при каждой статической изгибной нагрузке в направлении ее действия, а в качестве характеристики поврежденности определяют разность этих частот.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности локализации поврежденности, дополнительно определяют частоты высших форм изгибнь.х колебаний при каждой из статических н, грузок и характеристики затухания колебаний, с учетом которых судят о новрежденности ротора

3. Способ по п=1, о т л и ч а юшийся тем, что ротор у""òàíàâливают на опорах с помоц ью упругих элементов, жесткость которых выбирают из условия равенства частот собственных колебаний в направлении приложения статической нагрузки и в перпендикулярном направлении.

1642309

Со ст ави тель Д, Поспелов

Техред М.Дидык Корректор М.Пожо

Редактор М.Бандура

Заказ 1!41

Тираж 402 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб ., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101