SE461479B

SE461479B - PROCEDURES FOR TEMPERATURE TESTING OF FAN WHEELS

Info

Publication number: SE461479B
Application number: SE8802767A
Authority: SE
Inventors: A E Bozhko; A I Fedorov; A A Pavlov; V V Tripolsky
Original assignee: Inst Mash Akademii Nauk Uk
Priority date: 1988-07-29
Filing date: 1988-07-29
Publication date: 1990-02-19
Also published as: FR2635186B1; GB8818148D0; GB2221312A; FR2635186A1; SE8802767D0; SE8802767L

Description

461 10 15 20 25 20 479 2 man prova löphjul, eftersom dessa utgör de mest belastade elementen i fläkten. Det är lämpligt, att information angáende löphjulens funktionssäkerhet erhålles mycket snabbt såväl under betingelser för serieproduktíon som under konstruktionsskeden för ett nytt alster samt under skeden för slutdimensionering och finjustering av försöks- modeller. 461 10 15 20 25 20 479 2 try running wheels, as these are the most loaded elements in the fan. It is appropriate that information regarding the functional safety of the impellers be obtained very quickly both under conditions of series production as well as during the design stages of a new product and during the stages of final dimensioning and fine-tuning of test models.

Ett förfarande för hàllfasthetsprovning av löphjul hos fläktar är allmänt känt, vid vilket ett fläktlöp- hjul utsättes för dynamiska belastningar genom ett flertal igângsättningar av fläkten. Härvid måste fläkten ifråga funktionssäkert klara av det antal starter som svarar mot antalet starter per fläktens (nominella) prestanda.A method for strength testing of impellers in fans is generally known, in which a fan impeller is subjected to dynamic loads through a plurality of starts of the fan. In this case, the fan in question must be able to functionally reliably handle the number of starts that corresponds to the number of starts per the fan's (nominal) performance.

När fläkten startas, accelereras dess löphjul till den nominella varv- eller rotationsfrekvensen, varefter fläkten bortkopplas. Härvid varierar accelerations- och s k ut- löpningstiden för löphjulet - även om tiden för fläktens arbete i det stationära drifttillstàndet minskar maxi- malt - mellan 305 och 5005 i beroende av fläktens kon- struktiva utformning och ytterdimensioner, vilket svarar mot en provningstid av 1000-1500 timmar. Med detta kända förfarande kan man emellertid icke snabbt nog uppskatta funktionssäkerheten hos fläktlöphjul. Icke heller kan man med detta kända provningsförfarande öka de dynamiska belastningar, som uppkommer vid start- och stoppdrift- tillstánden för fläkten.When the fan is started, its impeller is accelerated to the nominal speed or rotation frequency, after which the fan is switched off. In this case, the acceleration and so-called expiration time of the impeller - even if the time of the fan's work in the stationary operating condition decreases maximally - between 305 and 5005 depending on the fan's structural design and outer dimensions, which corresponds to a test time of 1000- 1500 hours. However, with this known method, it is not possible to estimate the functional safety of fan impellers quickly enough. Nor can the known test procedure increase the dynamic loads which arise during the start and stop operating conditions of the fan.

Det huvudsakliga syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett förfarande för hàllfasthetsprovning av löphjul hos fläktar medelst sådana dynamiska belast- ningar, som gör det möjligt att minska provtiden.The main object of the present invention is to provide a method for strength testing of impellers of fans by means of such dynamic loads which make it possible to reduce the test time.

Detta syfte uppnås medelst ett förfarande för håll- fasthetsprovning av löphjul hos fläktar, vid vilket löp- hjulet hos en fläkt utsätts för dynamiska belastningar, varvid förfarandet enligt uppfinningen utmärkes av att fläktlöphjulet utsätts för dynamiska belastningar genom att man vid fläktlöphjulet alstrar torsionssvängningar, varierar mellan S-10_3s och och 10°. vilkas period och amplítud 1O_1s respektive mellan 2° 10 20 25 30 35 461 479 3 Det enligt uppfinningen föreslagna förfarandet för hållfasthetsprovning av fläktlöphjul gör det möjligt att minska provtidcn med 20-50 gánger genom ökning av de dynamiska, pà löphjulet inverkande belastningarna och genom minskning av tidsintervallet mellan de tid- punkter, då varje föregående och varje efterföljande dynamisk påverkan på löphjulet åstadkommas. Härvid liknar karaktären hos de dynamiska belastningar, som vid prov- ningen inverkar på fläktens löphjul, de dynamiska drift- belastningarnas karaktär- Uppfinningens tanke klargöres fortsättningsvis genom beskrivning av ett konkret exempel på genomförande av förfarandet enligt föreliggande uppfinning.This object is achieved by means of a method for strength testing of impellers of fans, in which the impeller of a fan is subjected to dynamic loads, wherein the method according to the invention is characterized in that the fan impeller is subjected to dynamic loads by generating torsional oscillations at the impeller. S-10_3s and and 10 °. The period and amplitude of which are 10O_1s and between 2 ° 10 20 25 30 35 461 479 3 The method for strength testing of impellers proposed according to the invention makes it possible to reduce the test time by 20-50 times by increasing the dynamic loads affecting the impeller and by reducing of the time interval between the times when each preceding and each subsequent dynamic impact on the impeller is achieved. In this case, the nature of the dynamic loads which, during the test, act on the impeller of the fan, is similar to the nature of the dynamic operating loads. The idea of the invention is further clarified by describing a concrete example of carrying out the method according to the present invention.

Förfarandet för hàllfasthetsprovning av löphjul hos fläktar utmärkes av att löphjulet hos en fläkt ut- sättes för dynamiska belastningar genom att detta för- sättes i torsionssvängníngar, vilkas period och amplitud varierar mellan 5-10_3s och 10-15 respektive mellan 2° och 10°.The method for strength testing of impellers in fans is characterized in that the impeller of a fan is subjected to dynamic loads by this being subjected to torsional oscillations, the period and amplitude of which vary between 5-10_3s and 10-15 and between 2 ° and 10 °, respectively.

Torsionssvängningarnas för tillfället aktuella period (frekvens) och amplitud bör väljas på ett sådant sätt, att de centrifugaltröghetskrafter, som inverkar på det provade löphjulet i det fall torsionssvängningarnas ampli- tud svarar mot gränsvärdet, är lika med de centrifugal- krafter, som inverkar på löphjulet under de aktuella driftförhällandena, varvid torsionssvängningarnas period _(frekvens) och amplitud i varje konkret fall bestämmes av löphjulets konstruktiva utformning. Genom att egen- svängningsfrekvensen hos konstruktionselement i den mon- terade fläktens löphjul enligt försöksresultaten ligger mellan 10 och 200 Hz är det lämpligt, att provningen genomföras i resonansdrifttillstàndet. För att man skall kunna åstadkomma detta resonansdrifttillstånd för provning av de mest belastadc elementen i löphjulet är det lämpligt, att torsionssvängningarnas period varierar mellan 5-10_3s och 10-1 av det aktuella konstruktionselementets egensvängnings- s varvid denna period kontrolleras i beroende 4 61 10 15 20 25 30 35 479 4 frekvens, samtidigt som provningen utföres. För åstad- kommande av den dynamiska belastning, som är ekvivalent med den aktuella driftbclastningen, är det lämpligt, att man alstrar torsionssvängningarna med löphjulet såväl roterande som stillastående. Det är i detta fall viktigt, att man erhåller den maximala centrifugaltröghetskraften, samtidigt som torsionssvängningarnas amplitud är lika med gränsvärdet.The current period (frequency) and amplitude of the torsional oscillations should be chosen in such a way that the centrifugal inertia forces acting on the tested impeller, in case the amplitude of the torsional oscillations corresponds to the limit value, are equal to the centrifugal forces acting on the impeller. under the current operating conditions, the period _ (frequency) and amplitude of the torsional oscillations being determined in each specific case by the design of the impeller. Since the natural oscillation frequency of structural elements in the impeller of the mounted fan is between 10 and 200 Hz according to the test results, it is suitable that the test is carried out in the resonant operating state. In order to be able to achieve this resonant operating condition for testing the most loaded elements in the impeller, it is suitable that the period of the torsional oscillations varies between 5-10_3s and 10-1 of the natural oscillations of the relevant structural element, this period being controlled in dependent 4 61 10 15 20 25 30 35 479 4 frequency, at the same time as the test is performed. In order to achieve the dynamic load which is equivalent to the current operating load, it is suitable to generate the torsional oscillations with the impeller both rotating and stationary. In this case, it is important to obtain the maximum centrifugal inertia force, at the same time as the amplitude of the torsional oscillations is equal to the limit value.

Det föreslagna förfarandet för hállfasthetsprovning av löphjul hos fläktar genomföras i följande ordnings- följd.The proposed procedure for strength testing of impellers in fans is carried out in the following order.

För det löphjul som skall provas bestämmas i förväg (på i och för sig känt sätt, exempelvis genom beräkning eller genom försök) egensvängningsfrekvensen hos hela löphjulet och hos dess enskilda konstruktionselement, exempelvis skovlar, skivor och nav.For the impeller to be tested, the natural oscillation frequency of the entire impeller and of its individual structural elements, such as vanes, discs and hubs, is determined in advance (in a manner known per se, for example by calculation or by experiment).

Därefter förinställes den önskade provningstiden.Then the desired test time is preset.

Det tidsintervall löphjulet undcrkastas de mángfaldiga dynamiska belastningarna bör väljas under hänsynstagande till provningens syfte och slag.The time interval the impeller is subjected to the manifold dynamic loads should be selected taking into account the purpose and type of the test.

Detta tidsintervall av inverkningarna på löphjulet kan väljas exempelvis utgående från att löphjulet hinner arbeta ett bestämt antal cykler som är lika med det mot- svarande antalet starter under drifttidcn för fläkten i fråga. Alternativt kan provningen genomföras tills löphjulet förstörs.This time interval of the impacts on the impeller can be selected, for example, on the basis that the impeller has time to operate a certain number of cycles which is equal to the corresponding number of starts during the operating time of the fan in question. Alternatively, the test can be performed until the impeller is destroyed.

Därefter anbringas det för provning avsedda löp- hjulet på en axel till en drivanordning, som kan utgöras av en valfri, för drivning av en fläkt avsedd drivanord- ning, varefter man bestämmer egensvängningsfrekvensen hos det element i löphjulet, som undersökes under denna provningscykel. Detta element kan utgöras av såväl det mest belastade konstruktionselementet i fläkten som av ett valfritt annat element, vars funktionssäkerhet är av aktuellt intresse för forskaren. På drivanordningens axel åstadkommas periodiskt varierande vridmoment, vilka i fläktens löphjul alstar torsionssvängningar, vilkas 3 1 period och amplitud varierar mellan 5-10- s och 10- s U ß! 10 20 25 30 35 461 479 5 respektive mellan 2° och l0°. Härvid förinställes tor- sionssvängningsfrekvensen hos drivanordningens axel på ett sådant sätt, att den är lika med egensvängníngsfrek- vensen hos löphjulet eller hos dess aktuella konstruk- tionselement. Torsionssvängningsamplituden bör väljas på ett sådant sätt, att löphjulets svängningsamplitud är mellan 2° och 10°, under det att löphjulets spännings- tillstånd skall vara sådant, att deformationerna hos konstruktionselement i löphjulet ligger inom det elastiska deformationsområdet. Det provade elementets deformation i spänningstillståndet bestämmes genom vilken känd metod som helst, exempelvis genom töjningsmätning. Det provade löphjulets svängningsamplitud mätes på ett valfritt känt sätt, exempelvis med hjälp av ett mätmikroskop. Sedan löphjulets bestämda torsionssvängningsfrekvens och -ampli- tud förinställts, utsätter man det provade elementet i löphjulet för de dynamiska belastningarna under ett bestämt tidsintervall. Eftersom frekvensen av de påtvungna torsionssvängningarna hos drivanordningens axel samman- faller med egensvängningsfrekvensen hos det provade kon- struktionselementet i fläktens löphjul, medverkar de ökade dynamiska belastningarna till att avsevärt minska provtiden.The impeller to be tested is then mounted on a shaft of a drive device, which may be an optional drive device for driving a fan, after which the natural oscillation frequency of the element of the impeller examined during this test cycle is determined. This element can consist of both the most loaded construction element in the fan and of any other element, the functional safety of which is of current interest to the researcher. On the shaft of the drive device, periodically varying torques are produced, which in the impeller of the fan generate torsional oscillations, the period and amplitude of which of 1 1 vary between 5-10 s and 10 s U ß! Between 20 ° and 10 °. In this case, the torsional oscillation frequency of the shaft of the drive device is preset in such a way that it is equal to the natural oscillation frequency of the impeller or of its current structural element. The torsional oscillation amplitude should be selected in such a way that the oscillation amplitude of the impeller is between 2 ° and 10 °, while the tension state of the impeller should be such that the deformations of structural elements in the impeller are within the elastic deformation range. The deformation of the tested element in the stress state is determined by any known method, for example by elongation measurement. The oscillation amplitude of the tested impeller is measured in any known manner, for example by means of a measuring microscope. After the impeller's determined torsional oscillation frequency and amplitude are preset, the tested element in the impeller is subjected to the dynamic loads for a specified period of time. Since the frequency of the forced torsional oscillations of the shaft of the drive device coincides with the natural oscillation frequency of the tested structural element in the impeller of the fan, the increased dynamic loads contribute to a considerable reduction of the test time.

Exempel 1 Man genomförde hållfasthetsprovning av en produk- tionssats av sex löphjul med en ytterdiameter av 800 mm hos en radialfläkt. På i och för sig känt sätt, exempelvis med hjälp av en kurva över sambandet mellan svängnings- amplituden och Frekvensen bestämdes egensvängningsfrek- vensen hos löphjulets skovel vid det ställe, där skoveln var fäst vid den bakre skivan. Skovelns så bestämda egen- svängningsfrekvens utgjorde ca 16 Hz. Därefter förin- ställdes en bestämd torsionssvängningsamplitud hos löp- hjulet. I detta syfte anordnades löphjulet i förväg pà en axel till en drivanordning, varefter ett töjnings- känsligt motstånd limmades på löphjulets skovel. Det .Jfr- C-\ 10 15 20 ._à .fn *J \O 6 töjningskänsliga motståndet inkopplades i en mätkrets för mätning av töjningen (den relativa längdökningen).Example 1 A strength test was carried out on a production batch of six impellers with an outer diameter of 800 mm in a radial fan. In a manner known per se, for example by means of a curve over the relationship between the oscillation amplitude and the Frequency, the natural oscillation frequency of the impeller of the impeller was determined at the place where the impeller was attached to the rear disc. The vane's so determined natural oscillation frequency was about 16 Hz. Then a certain torsional oscillation amplitude of the impeller was preset. For this purpose, the impeller was arranged in advance on a shaft of a drive device, after which an elongation-sensitive resistor was glued to the impeller of the impeller. The elongation-sensitive resistor was connected in a measuring circuit for measuring the elongation (the relative length increase).

Pà axeln alstrades torsionssvängningar med en frekvens av 16 Hz genom steglös ändring av torsionssvängningsampli- tuden inom gränserna av mellan 2° och 4°. Man har kunnat konstatera, att de av det töjningskänsliga motståndet avkända spänningarna uppnår sitt maximum, när torsions- svängningsamplituden utgör 4°. På grund av att dessa spänningar visade sig vara lägre än de spänningar, som alstrades under inverkan av de sammanlagda belastningarna under de verkliga driftförhàllandena, alstrade man pà drivanordningens axel ytterligare ett konstant vridmoment M, vars värde valdes på ett sådant sätt, att de i skov- larna uppträdande spänningarna blev lika med de spänningar, som alstrades av belastningarna under de verkliga drift- förhållandena (av driftbelastningarna). Därefter påbörjades provningen av varje löphjul i fläkten. Drivanordningens axel sattes i rotation på ett sådant sätt, att man på axeln alstrade det konstanta vridmomentet M och torsions- 25 och en amplitud svängningar med en period av 6,25-10- av 4°.Torsional oscillations were generated on the shaft with a frequency of 16 Hz by steplessly changing the torsional oscillation amplitude within the limits of between 2 ° and 4 °. It has been found that the stresses sensed by the strain-sensitive resistance reach their maximum when the torsional oscillation amplitude is 4 °. Because these voltages were found to be lower than the voltages generated under the influence of the total loads under the actual operating conditions, a further constant torque M was generated on the shaft of the drive device, the value of which was chosen in such a way that in the voltages occurring became equal to the voltages generated by the loads under the actual operating conditions (of the operating loads). Then the testing of each impeller in the fan began. The shaft of the drive was set in rotation in such a way as to produce on the shaft the constant torque M and the torsional and amplitude oscillations with a period of 6,25-10- of 4 °.

Den medeltid för provningar, i beroende av vilken man bedömde löphjulets resurs, utgjorde 16 timmar.The average time for tests, depending on which the impeller's resource was assessed, was 16 hours.

Claims

1. 461 479 CLAIMS Procedure for strength testing of impellers in fans, in which the impeller of a fan is subjected to dynamic loads, characterized in that the dynamic loads are caused to act on the impeller of the fan by this being subjected to torsional oscillations, the period of which and amplitude varies between 5-10_3s and 10-15 "respectively between 2 ° and 10".