Описание опытной установки и методики эксперимента

Опытная установка (рис. 11) для исследования критической частоты вращения роторов состоит из модели ротора ГТД с одним диском 3. Вал 2 закреплен в двух подшипниковых опорах 1 и 6 и приводится во вращение через муфту 7 электродвигателем 8. Между опорами расположена предохранительная втулка 4, через которую проходит вал с односторонним зазором ∆ =1,5...2 мм.

Рис. 11.Схема установки для определения критической частоты вращения ротора: 1, 6 - опоры ротора; 2 - вал; 3 - диск; 4 - втулка; 5 - индукционный датчик перемещения; 7 - муфта; 8 - электродвигатель; 9 - датчик тахометра; 10 - указатель тахометра

Представленная установка позволяет экспериментально определить критическую частоту вращения модели ротора тремя методами.

1. Метод визуального наблюдения

Если с помощью электродвигателя 8 вращать модель ротора, постепенно увеличивая частоту вращения, то критическую частоту можно установить визуально по индикатору частоты вращения 10 в момент, соответствующий максимальному прогибу вала, что обнаруживается по стуку вала 2 об ограничительную втулку 4. Визуальное наблюдение критической частоты вращения должно проводиться быстро, без задержки на критической частоте, чтобы избежать возможного разрушения вала.

2. Резонансный метод

Критическую частоту вращения ротора можно определить с помощью резонансного метода, не приводя ротор во вращение. Этот метод основан на том, что критическая частота вращения связана с частотой собственных свободных изгибных колебаний ротора соотношением:

n_кр = 60 , 1/мин. (15)

Свободные колебания ротора можно вызвать легким ударом по ротору, при этом возникает целая гамма различных форм колебаний, однако колебания высших форм быстро затухают, и ротор продолжает колебаться с частотой, соответствующей первой форме. Частота собственных колебаний первой формы и будет , необходимая для определения n_кр.

Измерение частоты собственных колебаний осуществляется методом сравнения с помощью электроиндукционного датчика 5 (см. рис. 11), установленного на кронштейне опытной установки.

Рассмотрим принципиальную схему измерения частоты собственных колебаний (рис. 12). Электроиндукционный датчик работает по принципу изменения величины магнитного поля как следствие изменения зазора ∆ при колебательном движении вала 1. При колебаниях вала в витках катушки 3, расположенной на сердечнике 2, индуцируется переменный ток с частотой, равной частоте колебаний вала. Сигналы от электроиндукционного датчика передаются на электронный осциллограф 4, к которому подключен также звуковой генератор 5. Как видно из рис. 11 датчик 5 связан с вертикальными пластинами осциллографа. Если по ротору ударить рукой, то он будет колебаться, а датчик 5 будет передавать импульсы тока с частотой этих колебаний на осциллограф. На электроннолучевой трубке осциллографа световая точка будет перемещаться в вертикальной плоскости с частотой, равной частоте собственных колебаний вала . Так как разрешающая способность человеческого глаза не позволяет определить частоту колебаний светящейся точки, на горизонтальные пластины осциллографа подается сигнал электрических колебаний от звукового генератора. При совпадении частоты колебаний вала и электрических колебаний от звукового генератора на экране осциллографа будет фиксироваться замкнутый круг (или эллипс). В этот момент на шкале звукового генератора будет зафиксирована частота собственных колебаний ротора .

Рис. 12. Схема замера частоты собственных колебаний ротора: 1 - вал; 2 - сердечник; 3 - обмотка; 4 - осциллограф; 5 - генератор звуковой частоты

3. Метод определения n_кр по изгибной жесткости

Критическая частота вращения ротора находится в определенной зависимости от упругости, величины его изгибной жесткости, которую можно определить по статическому прогибу вала (рис. 10).

Рис. 13. К определению критической частоты вращения методом статического прогиба: 1 - диск, 2 - индикатор перемещений, 3 – груз

Из теории известно соотношение:

(16)

где y₀ – статический прогиб вала, см;

x=1 – коэффициент для ротора с одним диском по середине.

Исходя из соотношения (16) для определения критической частоты вращения ротора n_кр достаточно знать прогиб ротора в неподвижном состоянии y₀ под действием силы веса от собственной массы ротора.

Определение у₀ от непрогнутой (прямой) линии ротора АБ (см. рис 13) затруднительно, так как неподвижный ротор под действием собственного веса всегда находится в прогнутом состоянии. Поэтому y₀ определяют косвенно по величине прогиба у под действием дополнительного груза G_гр, допуская, что прогибы находятся в пределах упругой деформации. Вследствие того, что вес диска модели ротора значительно больше веса вала и сосредоточен на малой длине, его можно принимать условно за вес ротора.

На рис. 13сплошной линией показана форма вала до нагружения, а пунктиром - после нагружения. Следовательно, для определения прогиба необходимо измерить расстояние от нижней точки диска до неподвижной горизонтальной плоскости, затем подвесить к диску груз весом G_гр и повторить замер. Разность этих двух измерений и будет у. Для измерения прогиба применяют индикатор 2, шкала которого имеет деления через 0,01 мм. Индикатор устанавливают под диском так, чтобы его стержень касался поверхности диска. После этого шкалу выводят на нуль, и на диск осторожно устанавливают два груза 3 общим весом G_гр. Стрелка индикатора покажет величину прогиба y, мм. Можно шкалу индикатора не устанавливать на нуль, но тогда надо записать показания индикатора до и после нагружения ротора. Разность этих показаний соответствует величине у. Чтобы исключить влияние кривизны самого вала, рекомендуется сделать три замера, поворачивая ротор на 120° после каждого замера, и среднюю величину трех замеров считать равной у. В пределах упругой деформации прогиб прямо пропорционален силе (весу), следовательно, статический прогиб y₀ можно определить по соотношению:

(17)

где G_д- вес диска; - суммарный вес подвешенных грузов.

Определив по соотношению (17) величину статического прогиба y₀ подставив его в формулу (16), высчитывают критическую частоту вращения ротора.

Для модели ротора с несколькими дисками прогиб y₀ надо определять под действием суммарного веса всех дисков. Замер прогиба производить под диском, расположенным ближе к середине расстояния между опорами, а в формуле (16) значение х брать в соответствии с расположением дисков.