Стенд для проведения испытаний подшипников в имитируемых рабочих условиях

Изобретение относится к области разработки и исследования работоспособности покрытий для пар трения в узлах вращения. Изобретение направлено на повышение достоверности испытаний с различными покрытиями и упрощение конструкции. Этот результат обеспечивается за счет того, что стенд для проведения испытаний подшипников в имитируемых рабочих условиях содержит вал с приводной импульсной турбиной, который установлен в корпусе с каналами для подачи рабочего тела на колесо турбины и отвода его из турбины, испытуемый подшипник с нанесенным на него испытуемым покрытием, установленный в обойме, расположенный на валу импульсной турбины и снабженный нагревателем. Обойма испытуемого подшипника подвешена внутри корпуса на упругих элементах. Стенд снабжен нагрузочным устройством, термодатчиком и датчиком измерения крутящего момента. Контрольный подшипник установлен в обойме, которая подвешена внутри корпуса на упругих элементах. Приводная импульсная турбина расположена на валу в его средней части, который установлен на двух опорах, внутри которых симметрично по отношению к импульсной турбине расположены контрольный и испытуемый подшипники. Нагрузочное устройство подсоединено к нижней части обойм контрольного и испытуемого подшипников с возможностью обеспечения одинаковой нагрузки на оба подшипника. Между турбиной и испытуемым подшипником размещен разделительный тепловой экран. Контрольный подшипник может быть дополнительно снабжен нагревателем и термодатчиком и на него может быть нанесено испытуемое покрытие. Конструкции испытуемого и контрольного подшипников могут быть одинаковыми, или различными. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области исследования работоспособности покрытий для пар трения в узлах вращения, например пары: вращающийся вал и неподвижный лепестковый элемент газодинамического подшипника или вращающийся вал и неподвижная втулка и т.п.

Изобретение позволяет определить сравнительную работоспособность испытуемых покрытий в паре трения газового подшипника, например, в газодинамическом лепестковом подшипнике - между валом и лепестком при различных рабочих температурах и нагрузках по отношению к «стандартному» известному покрытию в стандартных условиях, например, при 15°С.

Известен стенд, приведенный в статье «Some Composite Bearing and Seal Materials for Gas Turbine Arpplications - A Review. Sliney. E. Transections of the ASME, v.112 oct., pp.486-488, 1990», содержащий вращающийся диск и неподвижный палец, которые образуют пару трения, нагревательный элемент, электрический фидер, карданный шарнир.

Недостатком данного стенда является то, что противоизносные свойства покрытий в паре трения исследуются на образцах, имеющих простые формы, не соответствующие конфигурации пары трения реальных конструкций тонкого лепесткового элемента газодинамического подшипника, претерпевающего в процессе работы механические и тепловые деформации. Поскольку поверхность трения имеет простую форму, то невозможно пересчитать полученные результаты на реальные условия работы подшипника в турбомашинах при динамических процессах, имеющих место на переходных режимах их запуска - остановки.

Известен стенд, принятый за прототип, приведенный в статье «Performance and Durability of High Temperature Foil Air Bearings for Oil-Free Turbomachinary» C.Della Corte, V.Lukashevicz, M.J.Walco, H.Heshmat, NASA /TM-2000-209187/ REV1, pp.1, 3, 10, 2000», содержащий испытуемый газовый подшипник, импульсную воздушную турбину, вал привода, установленный на шариковых подшипниках, смазываемых маслом, нагреватель, нагружающее устройство, систему подвески и систему измерения крутящего момента.

Стенд позволяет испытывать покрытия непосредственно в конструкции подшипника при деформации элементов, имеющей место в реальных условиях его работы.

Недостатками данного стенда являются:

- испытанию подвергается только один подшипник;

- требуется пересчет полученных при испытаниях результатов для сравнения с результатов испытаний других пар трения;

- конструктивная сложность стенда, заключающаяся в необходимости применения дополнительной консольной системы подвески ротора турбины на шариковых подшипниках и системы для их смазки маслом.

Задачей настоящего изобретения является повышение достоверности проводимых испытаний подшипников с различными покрытиями, упрощение конструкции стенда для испытаний подшипников различных форм и размеров.

Технический результат достигается на стенде для проведения испытаний подшипников в имитируемых рабочих условиях, содержащем вал с приводной импульсной турбиной, который установлен в корпусе с каналами для подачи рабочего тела на колесо турбины и отвода его из турбины, испытуемый подшипник с нанесенным на него испытуемым покрытием, установленный в обойме, расположенный на валу импульсной турбины и снабженный нагревателем, обойма испытуемого подшипника подвешена внутри корпуса на упругих элементах, кроме того, стенд снабжен нагрузочным устройством, термодатчиком и датчиком измерения крутящего момента, причем в стенд введен контрольный подшипник, установленный в обойме, которая подвешена внутри корпуса на упругих элементах, при этом приводная импульсная турбина расположена на валу в его средней части, который установлен на двух опорах, внутри которых симметрично по отношению к импульсной турбине расположены контрольный и испытуемый подшипники, причем нагрузочное устройство подсоединено к нижней части обойм испытуемого и контрольного подшипников с возможностью обеспечения одинаковой нагрузки на оба подшипника, а между турбиной и испытуемым подшипником размещен разделительный тепловой экран.

Также контрольный подшипник может быть дополнительно снабжен нагревателем и термодатчиком.

Также на контрольный подшипник может быть нанесено испытуемое покрытие.

Также конструкции испытуемого и контрольного подшипников могут быть одинаковыми или различными.

Сущность изобретения заключается в том, что приводная импульсная турбина установлена на валу в его средней части и симметрично по отношению к импульсной турбине расположены испытуемый и контрольный подшипники (в частном случае одинаковой конструкции и геометрии). Стенд снабжен нагрузочным устройством, которое установлено так, что нагрузки на испытуемый и контрольный подшипники одинаковы, и измерителем крутящего момента. Испытуемый подшипник установлен в обойме, которая подвешена внутри корпуса на упругих элементах, и снабжен нагревателем для обеспечения требуемого его теплового режима. Контроль состояния осуществляется с помощью термодатчика, например термопары.

Техническим результатом применения данного стенда для проведения испытаний подшипников в имитируемых рабочих условиях является возможность проведения одновременных сравнительных испытаний, например, газодинамических подшипников с различными покрытиями в имитирующих условиях рабочей температуры в опоре ГТД, например ˜500-600°С и «стандартных, нормализованных» условиях при t=15°С, и упрощение конструкции стенда, поскольку не требуется система смазки маслом.

Технический результат достигается введением новых элементов. К ним относится контрольный подшипник одинаковой с испытуемым подшипником конструкции, они симметрично расположены по отношению к приводной импульсной турбине. При этом устраняется необходимость в установке приводной импульсной турбины на дополнительной опоре со смазываемыми маслом шариковыми подшипниками, как показано в прототипе.

Стенд для проведения испытаний подшипников в имитируемых рабочих условиях содержит корпус с валом и приводную импульсную турбину, расположенную в его средней части. Вал установлен на двух опорах, внутри которых размещены, например, два газовых подшипника в обоймах одинаковой конструкции и размеров. На поверхности трения одного из подшипников, например испытуемого подшипника, нанесены испытуемые покрытия. Другой подшипник, контрольный, имеет «стандартные» покрытия. Обойма испытуемого подшипника с испытуемым покрытием снабжена нагревателем, обеспечивающим нагрев испытуемого подшипника до имитируемой рабочей температуры. Стенд снабжен системой нагружения (нагрузочным устройством) обоих подшипников одинаковой регулируемой рабочей нагрузкой. Испытуемый и контрольный подшипники установлены внутри обойм на упругих элементах. Испытуемый подшипник отделен от приводной импульсной турбины тепловым экраном.

Суть изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена схема продольного разреза заявляемого стенда для проведения испытаний подшипников в имитируемых рабочих условиях.

На фиг.2 изображено поперечное сечение А-А стенда фиг.1.

На фиг.3 изображено сечение Б-Б стенда фиг.1.

Стенд для проведения испытаний подшипников в имитируемых рабочих условиях (см. фиг.1) содержит вал 1 с приводной импульсной турбиной 2, испытуемый подшипник 3 и контрольный подшипник 4. На испытуемый подшипник 3 нанесено испытуемое покрытие (не показано). Испытуемый подшипник 3 снабжен нагревателем 5. Приводную импульсную турбину 2 устанавливают на валу 1, испытуемый и контрольный подшипники 3 и 4 размещают в корпусе 6 и устанавливают в обойме 16. Обойма 16 каждого подшипника 3 и 4 установлена внутри корпуса 6 на упругих элементах 8. Вал 1 снабжен датчиком 9 измерения крутящего момента. К нижней части обоймы 16 обоих подшипников 3 и 4 подсоединено нагрузочное устройство 10. Обойма 16 испытуемого подшипника 3 снабжена термодатчиком 11. На испытуемый подшипник 3 нанесено испытуемое покрытие. В корпусе 6 имеется канал 12 (см. фиг.2) для подачи рабочего тела на колесо турбины 2 и канал 13 для выхода рабочего тела из турбины 2. Корпус 6 испытуемого подшипника 3 отделен от турбины 2 тепловым экраном 14. Рабочее тело, например сжатый воздух, подается через канал 12 на колесо турбины 2 в импульсном режиме в количестве и с периодичностью, обеспечивающими разгон и останов колеса приводной импульсной турбины 2 от оборотов выбега до оборотов «всплытия» вала 1, при котором образуется несущая газовая пленка в испытуемом подшипнике 3 и исчезает сухое трение в испытуемом подшипнике 3 и исчезает сухое трение в исследуемой паре покрытий.

Стенд для проведения испытаний подшипников в имитируемых рабочих условиях работает следующим образом.

На вал 1 турбины 2 устанавливают, например, газовые подшипники 3 и 4, соответственно испытуемый и контрольный. С помощью нагрузочного устройства 10 устанавливают требуемую величину нагрузки на оба подшипника 3 и 4. Вследствие симметричности конструкции нагрузки на оба подшипника 3 и 4 одинаковы. Включают нагреватель 5 и устанавливают требуемое тепловое состояние деталей испытуемого подшипника 3, контролируемое с помощью термодатчика 11. Затем подается сжатый воздух на приводную импульсную турбину 2. При вращении приводной импульсной турбины 2 возникает сухое трение в контактируемой паре, например, испытуемого подшипника 3, что приводит к износу испытуемого покрытия в месте контакта. По мере увеличения частоты вращения приводной импульсной турбины 2 возрастает подъемная сила в клиновом воздушном зазоре между лепестком 15 (фиг.3) испытуемого подшипника 3 и валом 1. При достижении подъемной силой величины, равной величине приложенной нагрузки устройством 10, вал 1 «всплывает», т.е. достигаются «обороты всплытия» и при сохранении или дальнейшем увеличении частоты вращения износ покрытия в паре контакта прекращается. При отключении подачи рабочего тела на приводную импульсную турбину 2 частота ее вращения уменьшается, воздушный клин исчезает и вновь возникает сухое трение в паре контакта. Испытания испытуемого подшипника 3 с исследуемым покрытием по такой программе изменения частоты вращения продолжаются до тех пор, пока не будет достигнуто намеченное число циклов «пуск-останов» или износ поверхности исследуемой пары трения достигнет основного материала подшипника.

Результаты испытаний на износ испытуемого покрытия на испытуемом подшипнике 3 сравнивают с износом, полученным на контрольном подшипнике 4 при «стандартной» температуре, в качестве которой может быть выбрана, например, t=15°С.

При необходимости контрольный подшипник 4 может быть также дополнительно снабжен своим нагревателем. На контрольный подшипник может быть нанесено испытуемое покрытие. В этом случае становится возможным проведение сравнительных испытаний 2-х различных комбинаций испытуемых покрытий в паре трения при одинаковых условиях для подшипников по нагрузке и по температуре.

В таблице приведены примеры сравнения результатов испытаний.

Таблица
	Подшипник, покрытие	Температура, °С	Статическая нагрузка, кПа	Износ лепестка/вала, мкм	Число циклов
	испытуемый, покрытие №1	650	10,1	18/5	30000
	контрольный, покрытие №1	15	10,1	10/20	30000
	контрольный, покрытие №1	427	10,1	18/7,6	30000

Изобретение позволяет определить сравнительную работоспособность испытуемых покрытий в паре трения, например газового подшипника, например, в газодинамическом лепестковом - между валом и лепестком, при различных рабочих температурах и нагрузках по отношению к «стандартному» известному покрытию в стандартных условиях, например при 15°С.

Применение заявляемого стенда для проведения испытаний подшипников в имитируемых рабочих условиях позволяет проводить сравнительные испытания подшипников с различными покрытиями в опоре ГТД, повышает точность и достоверность получения результатов испытаний и упрощает конструкцию стенда.

1. Стенд для проведения испытаний подшипников в имитируемых рабочих условиях, содержащий вал с приводной импульсной турбиной, который установлен в корпусе с каналами для подачи рабочего тела на колесо турбины и отвода его из турбины, испытуемый подшипник с нанесенным на него испытуемым покрытием, установленный в обойме, расположенный на валу импульсной турбины и снабженный нагревателем, обойма испытуемого подшипника подвешена внутри корпуса на упругих элементах, кроме того, стенд снабжен нагрузочным устройством, термодатчиком и датчиком измерения крутящего момента, отличающийся тем, что в него введен контрольный подшипник, установленный в обойме, которая подвешена внутри корпуса на упругих элементах, при этом приводная импульсная турбина расположена на валу в его средней части, который установлен на двух опорах, внутри которых симметрично по отношению к импульсной турбине расположены контрольный и испытуемый подшипники, причем нагрузочное устройство подсоединено к нижней части обойм контрольного и испытуемого подшипников с возможностью обеспечения одинаковой нагрузки на оба подшипника, а между турбиной и испытуемым подшипником размещен разделительный тепловой экран.

2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что контрольный подшипник дополнительно снабжен нагревателем и термодатчиком.

3. Стенд по п.1, отличающийся тем, что на контрольный подшипник нанесено испытуемое покрытие.

4. Стенд по п.1, отличающийся тем, что конструкции испытуемого и контрольного подшипников могут быть одинаковыми, или различными.