СПОСОБ БАЛАНСИРОВОЧНОГО КОНТРОЛЯ РОТОРОВ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01M1/32 

Изобретение относится к балансировочной технике и может быть использовано в машиностроении и на предприятиях авиационного моторостроения для балансировочного контроля роторов турбореактивных двигателей в заводских условиях на номинальных оборотах.

В настоящее время балансировка роторов турбореактивных двигателей (ТРД) осуществляется на малых оборотах, во много раз более низких, чем рабочие обороты ротора при его работе в двигателе.

Причиной указанного положения является резко возрастающее с повышением числа оборотов ротора на испытательном стенде (балансировочном станке) сопротивление воздушной среды, создающей по достижении ротором номинальных оборотов огромные тормозящие моменты.

Для преодоления тормозящих моментов, создаваемых воздушной средой при вращении ротора турбореактивного двигателя (ТРД) с полным набором (комплектом) лопаток на диске и сообщения ротору в процессе его заводской балансировки оборотов, равных рабочим оборотам двигателя, пришлось бы мощность привода балансировочного станка довести до величин, соизмеримых либо равных мощности самого турбореактивного двигателя, что, разумеется, практически совершенно исключено.

Существующие методы и соответствующие им технология и средства балансировки роторов турбореактивных двигателей (ТРД) на многократно пониженных оборотах (800-1000 об/мин вместо номинальных 15000 и более об/мин) не только не позволяют создать условий балансировки, совершенно идентичных реальным рабочим режимам ротора в двигателе и, следовательно, обеспечить объективный контроль степени неуравновешенности и качества балансировки в заводских условиях; при 15-20-кратном снижении числа оборотов ротора по сравнению с его рабочими оборотами, наряду с многократным количественным снижением ускорений и действующих на ротор усилий (центробежных, вызванных дисбалансами, с радиальными вибрациями) и соответствующим значительным уменьшением чувствительности регистрирующей и индикаторной систем испытательного стенда, происходит и существенное, резко прогрессирующее с уменьшением скорости, качественное искажение картины динамического распределения нагрузок, ибо с ростом оборотов ротора быстро развиваются и затем резко начинают проявлять себя эффекты, практически не регистрируемые при многократно сниженных оборотах, применяемых в настоящее время при балансировке (перемещения вала вдоль оси - гироскопический и другие эффекты с соответствующими вибрациями и динамическими деформациями вала и диска ротора).

Недостатки используемых низкоскоростных методов балансировки и заводского контроля роторов ТРД находят свое отражение как в повышенной аварийности, так и в резко сокращенном эксплуатационном ресурсе двигателей.

Невозможность сообщения ротору ТРД с полным, насаженным на его диск набором лопаток, номинальных (рабочих) чисел оборотов в процессе раздельной заводской балансировки ротора - с одной стороны, и совершенная неполноценность балансировки, осуществляемой на многократно пониженных оборотах - с другой, привели к появлению метода раздельной попарной балансировки (калибровки) диаметрально располагаемых на диске ротора лопаток. В соответствии с этим способом процесс балансировки ротора, несущего 2n лопаток, распадается на n последовательных разделенных балансировочно-подборных циклов, в ходе каждого из которых балансировке подвергаются лишь две диаметрально располагаемых друг относительно друга лопатки при исключении остальных. По мере завершения поочередной попарной подгонки (подборка лопаток) осуществляется полная сборка ротора.

Указанный способ попарной балансировки лопаток используется в основном для их калибровки по весу и рассортировки. Вместе с преимуществом этого приема, состоящим в возможности проведения контроля на повышенных оборотах, - что обусловливается одновременным наличием всего двух лопаток на роторе и резко пониженным сопротивлением воздуха, допускающим достижение высоких оборотов при относительно небольшой мощности двигателя балансировочного станка, - существенными недостатками способа попарной балансировки лопаток являются: его крайне низкая производительность, большое число дополнительных, побочных операций (монтажных, сборочно-разборочных), высокая трудоемкость процесса балансировки при недостаточно полной компенсации неуравновешенностей и дисбаланса ротора в сборе, когда суммарно сказывается ряд не учитываемых при попарной балансировке факторов.

С целью снижения мощности привода балансировочного станка и приближения числа оборотов ротора в процессе балансировки к рабочим числам оборотов ТРД при полном наборе лопаток на диске ротора, - в отдельных, исключительных случаях для проведения научно-исследовательских и экспериментальных работ применяются уникальные вакуумные установки - герметизируемые помещения с вакуум-насосом (вакуум-камеры), в которых помещают балансировочный станок с контролируемым ротором. Изъятие воздуха и исключение создаваемого им сопротивления вращению ротора позволяют осуществить балансировочный контроль на рабочих оборотах двигателя при малых мощностях привода балансировочного станка.

Как свидетельствуют литературные источники (см. , в частности, книгу "Балансировка машин и приборов" под. ред. д.т.н. проф. В.А.Щепетильникова, Москва, изд. "Машиностроение", 1979, стр. 99), "На заводах роторы балансируются на разгонно-балансировочных стендах, оснащенных современным балансировочным оборудованием. Роторы генераторов балансируются в воздушной среде при атмосферном давлении, а турбинные роторы балансируются в вакууме" (раздел "Особенности балансировки роторов турбоагрегатов" упомянутого литературного источника).

Указанный известный способ балансировочного контроля роторов ТРД с полным набором лопаток на рабочих оборотах двигателя, а также использование для такого контроля вакуум-камеры могут рассматриваться соответственно в качестве прототипов как для заявляемого способа балансировочного контроля, так и для устройства, реализующего этот способ.

Существенные недостатки известного процесса балансировочного контроля с использованием вакуум-камеры состоят как в чрезвычайной сложности и дороговизне оборудования и самого процесса балансировки, так и в весьма низкой оперативности, производительности метода, его высокой трудоемкости, обусловленной необходимостью многократного создания и снятия вакуума в помещении-камере с балансировочным станком в процессе балансировочного контроля. Указанные обстоятельства регламентируют применение указанного способа-прототипа в основном областью исследовательского контроля и регистрации характера и степени дисбаланса роторов ТРД в условиях научных учреждений, ограничивая в то же время возможность реального широкого использования этого способа для процесса серийной балансировки в производственных условиях. К недостаткам процесса балансировочного контроля с использованием вакуум-камеры следует отнести также исключение возможности непосредственного приближения операторов к исследуемому ротору в процессе его вращения.

Предметом настоящей заявки являются способ и устройство для балансировочного контроля роторов турбореактивных двигателей, существенными преимуществами которых является то, что исследуемый ротор с полным набором (комплектом) лопаток, установленных на роторе, и при сведенных к минимуму энергетических затратах на привод ротора во вращение, что сочетается с устранением заявляемыми способом и устройством таких принципиальных недостатков их прототипов, как необходимость создания вакуума вокруг исследуемого ротора с применением специального оборудования и вакуум-камеры. К важным преимуществам заявляемого способа и осуществляющего его устройства следует отнести также обеспечиваемые ими максимальную простоту и минимальную стоимость как необходимого оборудования, так и самого процесса балансировочного контроля, оперативность и удобство которого на максимальных рабочих оборотах ротора с полным комплектом лопаток обеспечивается при возможности непосредственного допуска операторов-контролеров к исследуемому объекту (вращающемуся ротору).

Охарактеризованные преимущества заявляемого способа и осуществляющего его устройства перед их прототипами обусловлены тем, что в соответствии с предлагаемым способом при контроле на степень и характер динамической неуравновешенности исследуемого ротора с полным набором лопаток на максимальных рабочих оборотах ротора и при сведенных к минимуму энергетических затратах на привод ротора во вращение - воздух, расположенный в пространственных промежутках между лопатками ротора, изолируют от окружающей ротор внешней воздушной среды таким образом, чтобы при вращении ротора воздух в промежутках между его лопатками абсолютно синфазно перемещался с диском ротора.

Согласно заявляемому техническому решению в устройстве для балансировочного контроля роторов турбореактивных двигателей, содержащем приводную часть стенда испытательной установки для исследуемого ротора с полным набором установленных на его диске лопаток и сенсорные элементы с узлами индикации динамической неуравновешенности, от окружающей внешней воздушной среды экранирован весь диск ротора с полным набором лопаток, либо частично экранирована периферийная область диска ротора, несущая лопатки, внешней герметизированной оболочкой, выполненной в виде аэродинамического экрана-обтекателя, связанного с исследуемым ротором или с его валом и имеющего внешнюю поверхность круговой симметрии.

Экран-обтекатель заявляемого устройства выполнен в виде двух прозрачных полудисков из полиамида, фибергласса или капроволокна, надетых с обеих сторон диска на вал ротора и сочлененных своими периферийными круговыми областями с помощью быстроразъемного соединения.

Существенные отличительные признаки устройства для реализации заявляемого способа состоят, кроме того, в том, что осевые профили обоих полудисков экрана-обтекателя выполнены с различными радиусами скругления для обеспечения различной механической жесткости полудисков, при этом периферийное сочленение полудисков экрана-обтекателя выполнено в виде кругового зубчатого зацепления - концентрической защелки, образованной круговыми внутренними выступами Г-образного профиля у периферийной кромки полудиска с меньшей механической жесткостью и соответствующими концентрическими проемами в форме желобообразных углублений с наклонным профилем у периферийной кромки полудиска с большей механической жесткостью.

Существо заявляемого способа и путь его реализации с помощью предлагаемого устройства поясняются прилагаемым чертежом, где а) представлен общий конструктивный вид подлежащего балансировочным испытаниям ротора 1 с полным набором лопаток, а также охватывающий ротор экран, выполненный в виде легкого составного герметизируемого диска-обтекателя, образованного левым 2 и правым 3 полудисками; б) изображен разрез периферийной части полудисков 2 и 3 в месте их взаимного сочленения.

Экран-обтекатель, состоящий из надеваемых на вал ротора - по обе стороны от диска ротора - полудисков 2 и 3, полностью закрывает ротор 1, либо может закрывать только круговую кромку диска ротора со связанными с ним лопатками, и выполняется из полиамида, фибергласса или капроволокна.

Сочленяемые у своей кромки легкие прозрачные полудиски 2 и 3 экрана-обтекателя имеют сальниковые уплотнения 4, 5 (манжеты) у оси ротора и уплотняющие прокладки 6, 7 в местах взаимного сочленения полудисков в их периферийной части.

Как видно из чертежа, выполненная конфигурация осевых профилей полудисков 2 и 3 экрана-обтекателя обусловливает различную степень механической жесткости полудисков - большую для левого полудиска (2) и относительно меньшую для правого (3).

Это в процессе вращения, вследствие больших спрямляющих усилий, действующих на правый (3) полудиск, и соответствующих деформаций последнего относительно левого (2) полудиска, приводит под действием развивающихся центробежных сил к увеличению сцепления между обеими частями экрана-обтекателя - как по центру, так и в периферийных областях полудисков.

Возрастающему с увеличением числа оборотов испытуемого ротора 1 механическому сцеплению между полудисками 2 и 3 экрана-обтекателя способствует и примененное в рассматриваемом устройстве конструктивное исполнение системы сочленения полудисков 2, 3, которое образовано в виде концентрической защелки, осуществляемой с помощью выступов Г-образного профиля 8 у кромки одного из полудисков (3) и соответствующего им кругового желобообразного углубления 9 с наклонным профилем - у кромки другого полудиска (2).

В процессе вращения вследствие большей деформации спрямления правого полудиска 3 относительно левого 2, Г-образные выступы 8 этой части экрана-обтекателя (полудиска 3) углубляются до упора в углубление концентрического желоба 9 левого полудиска 2, обусловливая жесткое сцепление периферийных областей полудисков экрана-обтекателя.

Таким образом, различная жесткость полудисков, а также примененная конфигурация профиля дискового экрана-обтекателя и характер сочленения его частей обеспечивают при совместном вращении полудисков 2, 3 лишь усиление взаимосвязи и сцепления между ними, что сочетается с быстроразъемностью сочленения полудисков экрана и возможностью быстрого доступа к рабочей части ротора в процессе его балансировочных испытаний.

Оперативности процесса балансировки роторов с помощью описываемого устройства наряду с быстроразъемностью экрана-обтекателя способствует его оптическая прозрачность. Заявляемый способ и реализующее его устройство обеспечивают возможность оценки и контроля характера и степени дисбаланса ротора с полным набором лопаток при скоростях вращения на балансировочном станке, соответствующих максимальным рабочим оборотам турбореактивных двигателей, при минимальной (многократно сниженной - в 100 и более раз) мощности привода балансировочного станка, при минимальной сложности оборудования, непосредственном допуске людей к контролируемому на больших оборотах ротору и при высокой оперативности процесса балансировочного контроля.

Практические испытания заявляемых способа и устройства в производственных условиях на предприятиях авиационного моторостроения подтвердили следующие оперативно-технологические преимущества объектов настоящей заявки, которые определяют многосторонний положительный эффект рассматриваемого технического решения:
а) балансировка роторов осуществляется на высоких оборотах, равных номинальным и предельно допустимым рабочим оборотам роторов в двигателях с полной идентификацией режима заводского контроля и рабочих режимов роторов при их работе в турбореактивных двигателях (полная реализация в процессе стендового контроля эксплуатационных скоростных условий);
б) максимальное снижение мощности привода балансировочного станка при наличии на диске ротора полного комплекта лопаток и номинальных оборотах ротора;
в) простота и экономичность оборудования, технологическая оперативность процесса испытаний, безопасность и удобство процесса балансировочного контроля, исключающего опасные завихрения воздуха и обеспечивающего возможность непосредственно близкого допуска операторов к испытательному стенду с контролируемым ротором;
г) максимальные оперативность и простота процесса балансировочного контроля, минимальные трудоемкость и затраты материальных средств в сочетании с прецизионной точностью комплексной балансировки ротора и обусловливаемыми ею высоким качеством и повышенным эксплуатационным ресурсом турбореактивного двигателя.

Изобретение предназначено для использования в балансировочной технике в машиностроении, на предприятиях авиационного моторостроения. При балансировочных испытаниях на степень и характер динамической неуравновешенности при максимальных рабочих оборотах ротора турбореактивных двигателей воздух, расположенный в промежутках между лопатками ротора, изолируют от окружающей ротор внешней воздушной среды так, чтобы воздух в интервалах между лопатками синфазно перемещался с диском ротора, исключая вовлечение во вращение окружающей среды и возможность создания ею практически заметных тормозящих моментов. Устройство содержит приводную часть стенда испытательной установки для исследуемого ротора с полным набором установленных на его диске лопаток и сенсорные элементы с узлами индикации динамической неуравновешенности. От окружающей внешней воздушной среды экранирован весь диск ротора с полным набором лопаток либо частично экранирована периферийная область диска ротора, несущая лопатки, внешней герметизированной оболочкой, выполненной в виде аэродинамического экрана-обтекателя, связанного с исследуемым ротором или с его валом и имеющего внешнюю поверхность круговой симметрии. Экран-обтекатель может быть выполнен в виде двух прозрачных полудисков из полиамида, фибергласса или капроволокна, надетых с обеих сторон диска на вал ротора и сочлененных своими периферийными круговыми областями с помощью быстроразъемного соединения. Технический результат - упрощение контроля, повышение его оперативности и удобства. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ балансировочного контроля роторов турбореактивных двигателей, заключающийся в том, что исследуемый ротор с полным набором установленных на его диске лопаток подвергают контролю на степень и характер динамической неуравновешенности путем сообщения ротору оборотов, соответствующих его максимальным скоростным режимам эксплуатации, и сведения к минимуму энергетических затрат на вращение исследуемого ротора, отличающийся тем, что для сведения к минимуму энергетических затрат на вращение ротора воздух, расположенный в пространственных промежутках между лопатками ротора, изолируют от окружающей ротор внешней воздушной среды таким образом, что при вращении ротора воздух в промежутках между его лопатками абсолютно синфазно перемещается с диском ротора. 2. Устройство для балансировочного контроля роторов турбореактивных двигателей, содержащее приводную часть стенда испытательной установки для исследуемого ротора с полным набором установленных на его диске лопаток и сенсорные элементы с узлами индикации динамической неуравновешенности, отличающееся тем, что от окружающей внешней воздушной среды экранирован весь диск ротора с полным набором лопаток, либо частично экранирована периферийная область диска ротора, несущая лопатки, внешней герметизированной оболочкой, выполненной в виде аэродинамического экрана-обтекателя, связанного с исследуемым ротором или с его валом и имеющего внешнюю поверхность круговой симметрии. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что экран-обтекатель выполнен в виде двух прозрачных полудисков из полиамида, фибергласса или капроволокна, надетых с обеих сторон диска на вал ротора и сочлененных своими периферийными круговыми областями с помощью быстроразъемного соединения. 4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что осевые профили обоих полудисков экрана-обтекателя выполнены с различными радиусами округления для обеспечения различной механической жесткости полудисков, при этом периферийное сочленение полудисков экрана-обтекателя выполнено в виде кругового зубчатого зацепления - концентрической защелки, образованной круговыми внутренними выступами Г-образного профиля у периферийной кромки полудиска с меньшей механической жесткостью и соответствующими концентрическими проемами в форме желобообразных углублений с наклонным профилем у периферийной кромки полудиска с большей механической жесткостью.