Příloha č. 2
Technická specifikace zakázky - modelové oběžné kolo s pohonem a regulací a budicími a měřicími systémy. Zařízení je určené pro vybudování výzkumného pracoviště - Laboratoře rotační laserové vibrometrie s cílem vytvořit komplexní experimentální základnu pro základní výzkum dynamických charakteristik rotačních částí strojů, základní výzkum měřicích a snímacích metod a prvků bezkontaktních vibrodiagnostických systémů a aplikovaný a průmyslový výzkum pro urychlení přenosu výsledků v této oblasti základního výzkumu do praxe. Zařízení bude obsahovat funkční celky: upínací a nosné desky kola a motoru, vřeteno a ucpávky, oběžné kolo s prizmatickými lopatkami, kryt kola, pohon 50/75 kW s regulací a SW řízení motoru, zdvihací zařízení, vývěvy, budicí elektromagnetický systém vibrací s programovým řízením, tenzometrický měřicí systém, bezkontaktní vibrodiagnostický systém, propojení měřicích systémů. 1. Technický popis zařízení Návrh modelového oběžného kola musí být koncipován tak, aby toto zařízení uživateli poskytovalo pokud možno co největší flexibilitu a univerzálnost. Kolo vyžaduje letmé uchycení, a to z důvodu nepřetržité přístupnosti měřicího laserového paprsku ke zkoumanému objektu. Studie možného řešení sestavy modelového oběžného kola s pohonem je zobrazena na obr. 1. Kolo je umístěno na dvou upínacích stolech (14), resp. fundamentu, ke kterému je připevněna nosná ocelová statorová deska o dostatečné tloušťce a tuhosti (5) vzhledem k tomu, že nosným prvkem budicích a měřicích systémů. Tato deska je vyztužena dvěma svislými profily (6). Vlastní oběžné kolo je tvořeno diskem (1), 60 prizmatickými lopatkami (3) a prvky integrální bandáže (4). Lopatky jsou k disku připevněny pomocí dvojice speciálních lícovaných vysokopevnostních šroubů. Obdobně jsou připevněny segmenty bandáže k lopatkám. Disk kola je pomocí kuželové redukce (2) připevněn k vysokootáčkovému vřeteni. Hřídel vřetene je vakuově těsněna ucpávkou (8) s grafitovoteflonovými kroužky pro obvodovou rychlost až 25m/s. Na konci vřetene je připevněna přes kuželovou plochu připevněna řemenice 200 mm, přes kterou je zajišťován pohon při vysokých otáčkách do 7000 ot/min, případně vlnovcová spojka (11) pro přímé spojení hřídele vřetena a motoru (9). Parametry zařízení jsou specifikovány pro pracovní průměr modelů oběžných kol až 1000 mm. Pro pohon modelového kola byl navržen synchronní, případně asynchronní motor o výkonu 50 až 75 kW s regulací otáček v rozmezí 0 až 3500 ot/min, programovým řízením režimů náběhu a doběhu. Pohon je připojen k hřídeli kola přes řemenici (10) s převodem dorychla 2:1, což umožňuje provozování modelového oběžného kola na otáčkách až 7000 ot/min. Toto řešení je nutné pro dosažení dostatečných obvodových rychlostí, simulujících poměry na točivých strojích. Při přeotáčkách 7000 ot/min a průměru 1000 mm bude dosahovaná rychlost přes 300 m/s a bude se blížit rychlosti zvuku. Pracovní otáčky kola jsou uvažovány v rozmezí 0 až 6000 ot/min.
Legenda 1 2 3 4 5 6 7
disk oběžného kola kuželová redukce lopatky segmenty bandáže boční nosná deska vyztužení nosné desky přenosové kroužky
8 9 10 11 12 13 14
ucpávkové těsnění motor s regulací a přívodem 3x400 V řemenice 400 / 200 mm vlnovcová spojka nosný válec s těsněním držák vřetene upínací stendy
Obr. 1. Studie sestavy modelového oběžného kola s krytem a elektromotorem.
Na obr. 2 je uveden příklad navrženého uspořádání modelového kola s prizmatickými lopatkami a segmenty bandáže. Lopatky i segmenty bandáže jsou výměnné.
Obr. 2. Modelové oběžné kolo s prizmatickými lopatkami a integrovanou bandáží. Oběžné modelové kolo pracuje v bezpečnostním krytu, který může být hermeticky uzavřen neprůhlednou nebo průhlednou čelní stěnou a vakuován (obr. 3.). Vzduchotěsný neprůhledný kryt kola je navržen z oceli tloušťky 10mm, v případě potřeby s výztuhami, a jeho vnitřní prostor je potrubím 100 mm připojen k vývěvám pro zajištění podtlaku řádově 1 Pa. Kryt kola je tvořen boční nosnou deskou s výztuhou a těsněním, k níž je přivařen ocelový válec s mezikružím. Na toto mezikruží je šrouby připevněn čelní ocelový kryt pro provoz kola při experimentech s budicími a měřicími systémy bez scanovacího vibrometru. Kolo je vakuováno nejen z důvodu vyloučení aerodynamických sil, ale i ohřevu kola při vysokých otáčkách. Kromě neprůhledného krytu je kolo vybaveno rovněž průhledným krytem z pevnostního skla. Pro manipulaci s ocelovým krytem kola a případně i vlastním kolem je Laboratoř vybavena jednoduchým zdvihacím zařízením s ručním pohonem. Modelové kolo musí být vybaveno příslušnými bezpečnostními prvky, např. automatickým zabržděním kola při nadměrných vibracích.
Legenda 7 přenosové kroužky 15 budicí magnet tangenciální 16 budicí magnet axiální
17 bezkontaktní senzor 18 bezkontaktní senzor 19 vakuový kryt kola
Obr. 3. Modelové oběžné kolo s vakuovým krytem a budicími a měřicími prvky.
Budicí systém vibrací kola Na obr. 3 jsou rovněž schematicky zakresleny budicí elektromagnetické prvky vibrací kola. Budicí systém vibrací kola se skládá z 8 radiálních (15) a 8 axiálních (16) elektromagnetů, 16 výkonových zesilovačů a řídicí elektroniky budicího systému s programovým řízením. Elektromagnetické budiče jsou rozmístěny na statorové desce po obvodě oběžného kola a to pro buzení lopatek v axiálním a tangenciálním směru. Rezonančního kmitání lopatek za rotace je možné docílit sfázováním vlastních a budicích kmitů. Větší počet budičů umožňuje jak synchronní tak asynchronní buzení vibrací lopatek vzhledem k lopatkové frekvenci dané rychlostí otáčení oběžného kola. Synchronní buzení se projeví jako celistvý počet period rezonančních kmitů za dobu jedné otáčky kola a má vyvolá stojící vlnu vzhledem k rotujícímu prostoru, zatímco asynchronní buzení vyvolá běžící vlnu výchylek oběžného kola. Tímto buzením lze pro libovolné otáčky vyvolat rezonanční kmitání diskových tvarů. Oběžná kola jsou osově symetrická tělesa s malými nerovnoměrnostmi, což má za následek rozštěpení dvojnásobných vlastních frekvencí příslušejících dvojici tvarově stejných, ale vzájemně natočených vlastních módů kmitání. Prostorovým rozložením budících sil a jejich počítačovou synchronizací s programovatelným fázovým zpožděním lze dosáhnout současné
vybuzení obou modů kmitání lopatek, které se projeví vznikem dopředné a zpětné běžící vlny po obvodě kola. Na dosažení maximální budící síly k rozkmitání zkušebního lopatkového kola s tuhými lopatkami s vazbami musí být použito vícebodové buzení se špičkovou hodnotou výkonu budicího proudu působícího na vybranou buzenou lopatku jen po krátkou dobu průchodu této lopatky okolo budicího elektromagnetu. Počet elektromagnetických budičů je dán hodnotami tlumení, tuhosti a hmotnosti lopatek oběžného kola. Pro dosažení maximálních výchylek je potřeba řídicím softwarem dosáhnout synchronizace budicí síly rezonančního kmitání lopatek s jejich průchodem okolo jednotlivých budicích elektromagnetů. Protože je zapotřebí dosáhnout jak axiálních, tak obvodových výchylek, je pro buzení vibrací kola navržen systém s 8 axiálními a 8 radiálními elektromagnety. Potřebné časování budicích impulzů a programování složitých režimů vibrací zajišťuje řídicí software a řídicí elektronika systému. Potřebná velikost proudu je dosažena zařazením výkonových zesilovačů do budicích obvodů. Alternativní budicí režim je založen na dvoufázovém provozu s vybuzením vibrací v první fázi a vyhodnocením dynamických parametrů kola z volného dokmitávání ve druhé fázi. Tenzometrický systém s kroužkovým přenosem Pro kalibraci převodu výchylky na namáhání lopatek v daném bodě a stanovení skutečné hodnoty namáhání lopatek v MPa je určen tenzometrický měřicí systém s kroužkovým přenosem signálů. Výstupní elektrické napětí tenzometrů je úměrné měřenému mechanickému napětí v místě umístění tenzometru, zpravidla v patě lopatky. Signál tenzometrů je přenášen z rotoru na stator pomocí přenosových kroužků. Pro dosažení dostatečné citlivosti je nutné použít křemíkové odporové tenzometry, které však mají větší teplotní závislost odporu, proto pro měření statické složky namáhání je nutné použít alespoň polomůstkové zapojení dvou tenzometrů. V případě použití dvou tenzometrů s vodivostí křemíku typu p a n (opačné hodnoty deformační citlivosti) se umísťují na podložku vedle sebe a ta se na měřenou lopatku přitmelí. Vzhledem k poměrně malým výchylkám lopatek (v řádech mikronů) je nutné zajistit velmi citlivé snímání výchylek vybraných lopatek, např. dvojicemi křemíkových tenzometrů typu p a n (např. Kyowa). Signál z tenzometrů je nutné zesílit ještě na rotující části kola a jeho přenos z rotoru na stator zajistit přes přenosové kroužky (7 na obr. 3, např. HOTTINGER SK 12) nebo speciální telemetrický systém. V případě, že scanovací vibrometr nedovolí přerušení laserového paprsku kabelem od přenosových kroužků, bude nutné zvolit řešení s dutým hřídelem a umístěním kroužků na opačné straně (u řemenice). Bezkontaktní vibrodiagnostický systém Bezkontaktní vibrodiagnostický systém je založen na zpracování impulzních signálů vzniklých při průchodu strojní části, v případě modelového zkušebního kola lopatky kolem bezkontaktních senzorů (17,18 na obr. 3). Pro získání potřebných informací mohou být využity jednak časové charakteristiky impulzů, dané časem průchodu impulzního signálu dané jednotlivé lopatky referenční hladidou (metoda BTT) a jednak amplitudové charakteristiky, dané velikostí maximálního napětí příslušného lopatkového impulzu (metoda AIM). K přesnému měření času průchodu lopatek se používá upraveného impulzního signálu bezkontaktních senzorů rovnoměrně nebo nerovnoměrně rozložených po obvodě statoru. Referenční senzor detekuje průchod magnetické fázové značky pevně spojené např.
s hřídelí rotoru nebo diskem kola. Výstupní impulzní signály senzorů jsou digitalizovány a přivedeny do centrální měřicí jednotky. Tato jednotka obsahuje přesný čítač a zajišťuje, že ke každému impulzu, vygenerovanému v kterémkoli senzoru průchodem lopatky nebo referenční značky, je přiřazen časový údaj. Časové údaje jsou doplněny adresou senzoru a případně i pomocnými údaji. Tyto údaje jsou pak předány lokálnímu serveru nebo vzdálenému počítači ke zpracování. Zde jsou pak vypočteny časové diference průchodu každé lopatky a příslušné referenční značky. Relativní časové hodnoty jsou převedeny na výchylky lopatek v obvodovém směru a následně na ohybové výchylky lopatek. Za použití algoritmu diskrétní Fourierovy transformace (DFT) je provedena spektrální analýza vibrací všech lopatek a jsou stanoveny amplitudy a frekvence jednotlivých složek amplitudové spektrální funkce. Jako hlavní senzory průchodu lopatek jsou navrženy senzory magnetorezistivní, rovněž referenční značka systému je založena na magnetorezistivním senzoru. Systém bude obsahovat 8 zabudovaných a 2 rezervní magnetorezistivní senzory polohy lopatek oběžného kola a 1 zabudovaný referenční senzor fázové značky. Jednotka bude dále obsahovat pro každý kanál širokopásmový zesilovač signálu, komparační zesilovač, symetrický vysílač digitálního signálu, špičkový řízený detektor maxima impulzu, špičkový řízený detektor minima impulzu a symetrické výstupy analogového signálu. Jednotka řídicího mikropočítače bude mít 12 digitálních diferenciálních vstupů pro měření času průchodu lopatek s rozlišením 20 ns, 16 analogových diferenciálních vstupů pro měření špičkových hodnot lopatkových impulzů, 4 analogové vstupy s analogovým filtrem, HI speed USB s galvanickým oddělením. Mikropočítač bude koncipován jako modulární, aby k řídicímu počítači systému mohlo být podle potřeby připojeno i více těchto jednotek. Pro řízení sběru a přenosu dat bude vypracován firmware mikropočítače. On-line i off-line výpočty bude zajišťovat výkonný server, na kterém poběží funkce: předzpracování vstupních dat, archivace dat, vědecko-výzkumné výpočty a zpracování experimentálních dat (aktuální stav kmitání lopatek, RMS výchylky, frekvenční analýza all blade i pro každou lopatku, identifikace frekvencí v pásmu systému ve frekvenčním spektru podvzorkovaného signálu. Nadstavbová část softwaru systému bude zajišťovat funkce pokročilé analýzy experimentálních dat, jako např. identifikace uzlových průměrů, frekvenční analýza pro každou lopatku do 1 kHz ve frekvenčním spektru podvzorkovaného signálu, analýza rozběhu a doběhu stroje, vyhodnocení synchronních i asynchronních složek, Campbellův a Safe diagram. Ovládací a prezentační část má umožňovat jak lokální tak síťové zobrazení. Software musí být koncipován tak, aby umožňoval doplnění funkcí uživatelem. Sestava a umístění zařízení v Laboratoři rotační laserové vibrometrie Umístění pořizované technologie v nově vybudované Laboratoři rotační laserové vibrometrie je znázorněno na obr. 5 a 6. Laboratoř vznikne sloučením tří dosavadních místností ústavní dílny č. 4107, 4108 a 4109 zadního traktu objektu, který je ve vlastnictví Ústavu termomechaniky AV ČR, v.v.i. V hlavní místnosti Laboratoře (4109) budou situovány prvky scanovacího laserového vibrometru s referenčním jednobodovým vibrometrem (1) a derotátoru (2). V této místnosti budou rovněž umístěny veškeré řídicí a ovládací prvky, tj. řídicí počítač scanovacího laserového vibrometru, řídicí počítač regulace elektromotoru, řídicí
počítač budicího elektromagnetického systému, řídicí počítač tenzometrického systému a server vibrodiagnostického systému. Pohon kola, tvořený motorem s regulací, vřetenem a převody je situován do stávající místnosti č. 4107. Tato zařízení jsou uložena na litinových upínacích stendech. Elektromotor pracuje s převodem do rychla v poměru 2:1. Při otáčkách motoru 3500ot/min budou otáčky kola 7000 ot/min. To umožní dosažení požadovaných obvodových rychlostí lopatek kola vzhledem k bezkontaktním statorovým senzorům. Buzení vibrací kola bude v tomto případě zajišťovat elektromagnetický budicí systém; torzní buzení motorem může být použito pro převod 1:1 při přímém propojení hřídelí motoru a vřetene přes vlnovcovou spojku. V této 4107 bude rovněž umístěn systém vakuování prostoru oběžného kola. Vlastní oběžné kolo je umístěno v místnosti 4108. Stěny lze využít pro zpevnění upínací konstrukce boční nosné desky kola.
Obr. 5. Sestava a umístění technologie modelového kola v Laboratoři.
Obr. 6. Sestava a umístění technologie modelového kola v Laboratoři - bokorys.
1. Součásti a technické parametry zařízení Upínání a nosná deska: Upínací stendy kola a motoru Boční nosná deska Výztuha boční desky Vřeteno a ucpávky: Vysokootáčkové vřeteno s upravenou hřídelí Držák vřetene Držák vřetene těsněný Válec nosný Hermetické těsnění Těleso ucpávky Teflon-grafitová šňůra Požadované parametry zařízení: konická koncová část hřídele se zajištěním maticí, nosnost letmo uchyceného kola min. 50kg, maximální otáčky 7000 ot/min, těsnění pro obvodovou rychlost až 25 m/s. Oběžné kolo : Disk oběžného kola Lopatky oběžného kola prizmatické - výměnné Segmenty bandáže - výměnné Lícované vysokopevnostní šrouby Požadované parametry zařízení: letmé uchycení kola, průměr kola včetně bandáže 1000 mm, prizmatické lopatky 60ks, integrální bandáž lopatek, max. hmotnost disku, lopatek a integrální bandáže kola 50kg, maximální otáčky 7000 ot/min, max. přetížení odstředivou silou 1,8.104g max. dostředivé zrychlení 2. 105 ms-2. Kryt kola: Kryt kola válec Kryt kola mezikruží Kryt kola kruhový čelní ocelový Kryt kola kruhový čelní z pevnostního skla
Požadované parametry zařízení: vakuování krytu kola na podtlak min. 5 Pa Pohon s regulací: Řemenice 200 Řemenice 400 Vlnovcová spojka Motor Regulace motoru Řídicí počítač regulace motoru Software řízení motoru Automatická ochrana proti nadměrným vibracím kola Požadované parametry zařízení : převod řemenice 2:1, pohon synchronní/asynchronní motor 50 - 75 kW, jmenovitý moment motoru 160 Nm, jmenovité/maximální otáčky motoru 3000/4000 ot/min,elektrický přívod motoru - stíněný kabel 3x400V, EMC podle nařízení vlády 18/2003, směr otáčení oboustranný, teplotní třída B, způsob chlazení IC 06, stupeň krytí IP23, měnič 55 - 75 kW, servoregulace pohonu kola s programovým řízením, minimální úhlové zrychlení 1 rads-2, programování najíždění, doběhu, provozních režimů, možnost zaznamenání provozních stavů, vizualizace a ukládání křivek, buzení torzních vibrací hřídele s úrovněmi 10, 20 a 30% nominálního krouticího momentu po dobu 5 až 10 min., automatická ochrana proti nadměrným vibracím kola. Zdvihací zařízení: Požadované parametry zařízení: max. zdvihaná hmotnost 320 kg, max. výška zdvihu 4 m Vývěva: Potrubí vývěvy, Kolena Kohout kulový Požadované parametry zařízení: vakuování krytu kola na podtlak min. 5 Pa.
Budicí systém vibrací kola: Budicí magnety axiální 8ks Budicí magnety radiální 8ks Držáky magnetů Výkonové zesilovače magnetů 16ks Elektronika systému s programovým řízením Řídicí SW Požadované parametry zařízení: trvalý proud elektromagnetu 10 A, impulzní proud elektromagnetu 30 A, impulzní výkon proudového zesilovače 4 kW, budicí síla 10N, frekvenční rozsah 0 až 2kHz. Tenzometrický systém s kroužkovým přenosem : Tenzometry - dvě až čtyři dvojice polomůstků s křemíkovými tenzometry Přenosové kroužky Zesilovače - zesílení signálu na rotoru Požadované parametry zařízení: relativní rozlišovací schopnost 10-7, max. rel. prodloužení 3,5 .10-3, součinitel deformační citlivosti 100, pracovní rozsah mechanického napětí 0,01 - 100 MPa. Bezkontaktní vibrodiagnostický systém : 8 bezkontaktních magnetorezistivních senzorů 0-300 kHz + 2 rezervní, držáky senzorů, 1 magnetorezistivní senzor fázové referenční značky, 10 širokopásmových zesilovačů MR senzorů s komparačním zesilovačem a symetrickým vysílačem, se špičkovými detektory maxima a minima impulzu a symetrickými výstupy analogového signálu, 1 širokopásmový zesilovač fázové referenční značky, 12 digitálních diferenciálních vstupů pro měření času průchodu lopatek s rozlišením 20 ns, 16 analogových diferenciálních vstupů pro měření špičkových hodnot lopatkových impulzů, 4 analogové vstupy pro měření rychle proměnných analogových signálů se šířkou pásma do 10 kHz (antialiasing filtr, 12 bitů, 100 kS/s), HI speed USB s galvanickým oddělením, Požadované parametry zařízení: šířka pásma zesilovačů 0-100 kHz, nastavitelné zesílení zesilovačů 100-10000, možnost připojení až 3 mikropočítačových jednotek k řídicímu počítač, Požadavky na výpočty:
aktuální stav kmitání lopatek, RMS výchylky, frekvenční analýza vibrací all blade i pro každou lopatku, funkce pokročilé analýzy experimentálních dat - identifikace uzlových průměrů, analýza rozběhu a doběhu stroje, Campbellův a Safe diagram. Lokální i síťové zobrazení numerických a grafických dat. Možnost doplnění funkcí softwaru uživatelem.
