СПОСОБ БАЛАНСИРОВКИ АЭРОДИНАМИКИ ЛОПАТОЧНОГО КОЛЕСА Российский патент 2007 года по МПК G01B5/20 

Изобретение относится к областям изготовления и балансировки роторов газотурбинных двигателей и паровых турбин.

Целью балансировки аэродинамики всех лопаточных колес перед сборкой ротора является снижение вибрации изделия, повышение его ресурса и экономичности.

Аэродинамика лопатки - это взаимодействие ее с рабочей средой в виде воздуха, газа или пара, выражающееся у турбинной лопатки - образованием крутящего момента, у компрессорной лопатки - образованием момента сопротивления вращению. Любой из этих моментов - это произведение силы на радиус вращения среднего сечения лопатки. Теорема теоретической механики говорит, что действие момента связано с действием радиально направленной к оси вращения силы, параллельной и равной силе момента. Момент, создаваемый лопаткой, и адекватная спутница - радиальная сила, естественно, зависят от геометрии лопатки.

В связи с несовершенством технологии изготовления лопаток, включающей полировку вручную, лопатки неидентичны по геометрии пера и углу установки профиля и, как следствие, неидентичны по величине радиальной силы.

Хаотичное расположение на диске лопаток с разными радиальными силами приводит на рабочих оборотах к существенному дисбалансу радиальных сил отдельных лопаточных колес и в целом всего ротора. Таким образом, аэродинамика лопаточных колес - это не только "производство" моментов относительно оси вращения, но и действие на ось вращения радиальных сил, которые без взаимоуравновешивания являются источником вибрации. Геометрическая сумма дисбаланса радиальных сил ротора и дисбаланса массы ротора, приводит к вращению ротора с биением, которое расшатывает подшипники и корпус изделия, создавая вынужденную вибрацию на частоте оборотов, с наибольшей амплитудой в направлении наименьшего момента инерции изделия.

При динамической балансировке массы ротора на повышенных оборотах участвует в искаженном виде и дисбаланс аэродинамики ротора, что чревато скрытой неустойчивостью равновесия (аэродинамика "уходит" "под крышу массы"). При повышении оборотов до рабочих, из-за различия зависимости от оборотов центробежных сил и аэродинамики, ротор начинает вращаться с биением и трясти изделие. Это явление еще раз показывает необходимость балансировки аэродинамики лопаточных колес перед сборкой ротора.

Решение задачи балансировки аэродинамики лопаточного колеса со съемными лопатками сводится к поиску способа разделения (сортировки) лопаток по "величине" аэродинамики, подбору групп лопаток, одинаковых по аэродинамике, и установке их на ободе диска взаимоуравновешенно.

Первые шаги в этом направлении сделаны изобретениями 1758405, кл. G01В 5/20, 1992 г. и 2082072, кл. G01B 5/20, 1994-1997 гг., в которых изложен способ балансировки лопаточного колеса машины путем подбора пар одинаковых лопаток по углу хорды (в определенном сечении пера) к плоскости вращения колеса и установку их во взаимно противоположные пазы диска. Для замера угла применено сложное контрольно-измерительное устройство, использование которого весьма трудоемко.

В предлагаемом изобретении разработан более широкий круг элементов балансировки аэродинамики лопаточного колеса. К известной схеме равновесной установки лопаток в диске с четным числом пазов разработаны еще две схемы равновесия: для диска с нечетным, но кратным 3, или 5, или 7 и т.д. числом пазов и для диска с нечетным и некратным числом пазов. Три схемы равновесия охватывают любые числа пазов.

Разработан высокопроизводительный способ сравнительной оценки величины амплитуд радиальных сил лопаток при их подборе к схеме равновесия. Подбор лопаток выполняют на предварительно собранном и отбалансированном по массе лопаточном колесе при его вращении воздействием локальной моделью рабочей среды на перо одной лопатки. В момент воздействия модели рабочей среды на лопатку - ее радиальная сила приводит к микроперемещению вала лопаточного колеса. Микроперемещение вала фиксируется электромагнитным датчиком и осциллографом с синхронизацией развертки луча от оборота лопаточного колеса. Синхронизация развертки позволяет нумеровать лопатки и соответствующие импульсы радиальных сил на экране осциллографа.

Разработан прием балансировки аэродинамики лопаточного колеса с несъемными лопатками. По числу лопаток (как по числу пазов) определяют схему равновесия. Вращая отбалансированное по массе колесо, анализируют полноту совпадения радиальных сил лопаток со схемой равновесия. Лопатки, не вписывающиеся в схему равновесия, механически дорабатывают. Результаты доработок лопаток контролируют по амплитудам радиальных сил в соответствии со схемой равновесия. После балансировки аэродинамики механической доработкой балансируют массу колеса.

На чертеже приведена схема частичной модернизации станка динамической балансировки для подбора и проверки лопаток по радиальным силам, где 1 - лопаточное колесо с несъемными лопатками, 2 - стальной вал с фланцами, 3 - патрубок подвода модели рабочей среды, 4 - электромагнитный датчик микроперемещений вала от радиальных сил лопаток, 5 - датчик синхроимпульсов, 6 - возбудитель синхроимпульсов (головка винта МЧ-М5), 7 - дифференцирующая цепь с возможностью отключения, 8 - осциллограф, 9 - подпружиненный скользящий подшипник, 10 - примеры различия амплитуд радиальных сил лопаток, С = 0,1 мкФ при числе лопаток около 10 и 0,01 мкФ - около 100.

Объем модернизации зависит от конструкции станка. В любом случае модернизация должна предусмотреть:

1) облегченный вал для центрирования, крепления и вращения лопаточного колеса;

2) возможность балансировки массы лопаточного колеса;

3) подвод к лопатке колеса локальной модели рабочей среды в направлении наибольшей аэродинамической нагрузки;

4) датчик микроперемещений вала от радиальной силы обдуваемой лопатки. Радиальная сила параллельна направлению действия модели рабочей среды. Возможно использование вибродатчика пригодной конструкции;

5) электронно-лучевой осциллограф;

6) устройство синхронизации развертки луча от оборота лопаточного колеса;

7) дифференцирующую цепь между датчиком радиальных перемещений вала и осциллографом для отсечки возможных низкочастотных помех от биения вала;

8) отсутствие резонанса подвесок подшипников вала лопаточного колеса с применяемыми оборотами;

9) для стабилизации оборотов вала лопаточного колеса при вращении от модели рабочей среды предусмотреть участие электродвигателя станка.

Выбор числа оборотов лопаточного колеса. Если лучевая трубка осциллографа с послесвечением, то достаточно 50-100 об. в мин при обычной трубке 200-300 об. в мин.

Нумерация лопаток и соответствующих импульсов радиальных сил на экране осциллографа "начинается" с импульса синхронизации развертки луча. От этого импульса возможна синхронизация кадра при фотографировании экрана, при этом экспозиция должна быть не короче времени полного оборота лопаточного колеса.

Подбор групп лопаток, одинаковых по амплитудам радиальных сил, целесообразно выполнять из лопаток в секторе не более четверти круга лопаточного колеса (в целях снижения влияния биения вала на точность подбора).

Изобретение относится к балансировочной технике и может быть использовано для балансировки лопаточных колес, для снижения эксплуатационной разбалансировки. Способ заключается в подборе лопаток по амплитудам радиальных сил при вращении колеса от локальной модели рабочей среды и последующей переустановки лопаток в пазы диска взаимоуравновешенно. Балансировку лопаточного колеса с несъемными лопатками выполняют механической доработкой отдельных лопаток, не вписывающихся по амплитудам радиальных сил в схему равновесия, соответствующей числу лопаток как числу пазов, с последующей балансировкой массы лопаточного колеса. Технический результат заключается в снижении эксплуатационной разбалансировки лопаточного колеса, повышении ресурса работы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ балансировки аэродинамики лопаточного колеса с целью снижения вибрации изделия, заключающийся в подборе на предварительно собранном колесе одинаковых лопаток по параметру, эквивалентному аэродинамике, и в переустановке их во взаимно противоположные пазы диска с четным числом пазов, отличающийся тем, что подбор по аэродинамике пар и групп лопаток выполняют по амплитудам радиальных сил при вращении лопаточного колеса локальной моделью рабочей среды в виде струи сжатого воздуха, действующей в пределах площади пера одной лопатки в момент фиксирования ее радиальной силы.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для дисков с нечетным и кратным 3, или 5, или 7 и т.д. числом пазов схему равновесия осуществляют подбором и звездообразной установкой равных по радиальным силам троек, пятерок и т.д. лопаток, а для дисков с нечетным и некратным числом пазов схему равновесия осуществляют следующим подбором лопаток и их установкой: лопатки со средним значением радиальных сил данного колеса - в пазы произвольно, пары лопаток с равными отклонениями от средних, одна вверх, другая вниз - только в рядом расположенные пазы.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что лопаточному колесу с несъемными лопатками соответствует в зависимости от числа лопаток как от числа пазов определенная схема равновесия, по которой балансируют аэродинамику лопаточного колеса путем механической доработки отдельных лопаток, не вписывающихся в схему установки лопаток, повышенными радиальными силами.