Ученые ПНИПУ модифицировали стенд для испытаний турбин

18.08.2021 14:46

Представить авиационную, электроэнергетическую, транспортную отрасли без турбин невозможно. Турбины – важнейшие компоненты моторов, обеспечивающие корректную работу компрессоров, выработку электричества.

Устройства год от года модифицируются – снижается шум во время работы, повышается КПД, надежность, устойчивость к внешним нагрузкам, механическим и температурным. Перед запуском в серию, оборудование должно пройти комплекс проверок. Испытательный стенд позволяет понять, насколько механизмы адаптированы к эксплуатационным нагрузкам, не допущены ли ошибки при их проектировании и сборке.

Минус классических испытательных стендов – подверженность вибрациям и другим механическим воздействиям, статическим и динамическим. Это многократно снижает точность измерений, не позволяет сделать точные выводы. Специалистам ПНИПУ удалось усовершенствовать стенд. Его погрешность замеров не превышает 7 процентов, тогда как у стандартного аналога – доходит до 20.

Характер проблемы

Турбина напоминает массивный цилиндр, внутри которого находятся следующие компоненты:

• Ротор. Вращающийся модуль со множеством лопастей-лопаток, воспринимающих давление жидкостной или газовой струи, приводящей их в движение.
• Статор. Статичный элемент. Обеспечивает четкую направленность потока газа или жидкости.
• Вал. Ось, выходящая за пределы цилиндрического корпуса. Она механически связана с управляемым устройством, например компрессором. Турбина генерирует энергию, необходимую для запуска и использования оборудования.

Перед установкой турбины или началом ее серийного производства, требуется проведение комплекса испытаний, направленных на поиск дефектов сборки и проектирования. Классическая схема предполагает ее размещение на стенде, подключение к системе, подающей воздух, пар, жидкость под определенным давлением.

Воздействие среды провоцирует вращение, измерительный модуль фиксирует его выраженность. Таким модулем является рессора, изготовленная из металла с определенным модулем упругости. Рессора изгибается под воздействием, выраженность деформаций позволяет сделать необходимые выводы.

Наиболее значимый параметр, нуждающийся в проверке – крутящий момент. Чем он выше, тем эффективнее вращение. Турбина с высоким крутящим моментом продуцирует максимум энергии, соответственно, увеличивается ее КПД, достигается стабильная работа подключенного оборудования.

Большинство современных лабораторий проводят испытания по методикам, фиксирующим крутящий момент не напрямую, а косвенно. Пример – измерение мощности генератора, на основе которой высчитывается искомая величина. Схема не отличается точностью, не учитывает множество значимых факторов, в том числе:

• Силу трения, формирующуюся между компонентами турбины, находящимися в механическом взаимодействии.
• Потери, связанные с генерацией электрической, тепловой энергии.
• Деформации, вызванные высокотемпературными нагрузками.
• Вибрационные воздействия, провоцирующие смещение подвижных, вращающихся элементов, затрудняющие их корректную работу.

Итоговая погрешность методики – 15, в некоторых случаях – 20 процентов. Это высокий показатель, недопустимый для технологичных энергетических установок.

Решение

Алексей Сальников, один из ведущих специалистов ПНИПУ, поделился информацией о разработке университета. Новый измерительный стенд укомплектован не классическим рессорным измерительным модулем, а доработанным. Его основа – та же рессора, но на ней установлены датчики, фиксирующие вибрационные нагрузки. Такие же датчики находятся и на других элементах.

Минус одиночной рессоры – подверженность крутильным колебаниям. Их выраженность максимальна при смене рабочего режима, разгоне или остановке турбины. Чем ощутимее эти колебания, тем ниже точность измерения искомой величины, крутящего момента.

Датчики, расположенные перпендикулярно, фиксируют максимум необходимых данных:

• Угол деформации рессоры под воздействием крутящего момента.
• Выраженность вибраций.
• Температурные нагрузки.
• Частота крутильных колебаний.

Все вводные передаются на компьютерный вычислительный блок, сопоставляющий их, автоматически определяющий нужные показатели.

Достоинство модифицированного алгоритма – точность. При определении угла скручивания рессорного сведены к минимуму погрешности, спровоцированные термическими, вибрационными нагрузками.

Результаты

Итогами модернизации делится Сергей Бочкарев, специалист кафедры “Микропроцессорные средства автоматизации” Пермского Политеха. По словам профессора, погрешность старых измерительных стендов доходила до 20 процентов, новых – не превышает 7. Это критическая разница, позволяющая улучшить турбины для двигателей самолетов, ответственных энергетических комплексов.

Указанные значения погрешности были подтверждены практикой. Тесты специально были проведены в жестких условиях: рессорный модуль интенсивно нагревался, что провоцировало выраженные термические деформации. Несмотря на нагрев, погрешность стенда не вышла за 7-процентное значение при частоте оборотов в 14 тысяч в минуту.

Распространение нового стенда повысит надежность турбинных приводов, позволит фиксировать даже незначительные дефекты. Это необходимо для их применения в наиболее ответственных системах, где недопустимы даже минимальные сбои, главным образом – авиации и электроэнергетике.