Способ автоматической многовекторной балансировки рабочих колёс турбомашин и устройство для его реализации Российский патент 2023 года по МПК G01M1/16 G01M1/38 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для автоматического балансирования роторов турбомашин.

Все турбомашины испытывают на себе действие инерционных сил, обусловленных неизбежным формированием неуравновешенных масс, то есть дисбаланса, в процессе изготовления и эксплуатации деталей и узлов, даже при условии первоначальной идеальной балансировки. Следствием дисбаланса является повышенный шум и вибрация. Вибрация, возникающая при работе машин и механизмов, являются источником переменных сил, действующих на элементы машины, создавая дополнительные динамические нагрузки на детали, увеличивают их износ, значительно снижают срок службы, оказывают неблагоприятное физиологическое воздействие на человека. Колебания могут привести к возникновению явления резонанса и вызвать полное разрушение механизма. Эксплуатационные показатели ухудшаются из-за поглощения энергии вибрацией корпуса и опорами механизма. Чрезмерные колебания могут передаваться на смежные машины и существенно вредить их точности и правильному функционированию. Для уменьшения неуравновешенности при изготовлении, ремонте, эксплуатации производят балансировку тел вращения путем уменьшения переменных сил за счёт изменения массы или геометрии.

Известен способ автоматического уравновешивания турбомашин (Патент РФ №2158907), заключающийся в частичном заполнении балансировочного пространства ротора уравновешивающей массой, в качестве которой используют легкоплавкие вещества, способные неоднократно изменять свое агрегатное состояние, принимать жидкое состояние и под действием инерционных сил перемещаться в балансировочном пространстве, занимать в области закритического режима вращения ротора положение, противоположное неуравновешенной массе ротора, и затвердевать до полной их фиксации в балансировочном пространстве при отводе теплоты. Изменения агрегатного состояния легкоплавкого вещества до первоначальной текучести производится посредством подвода дополнительной энергии с последующим отводом для полного затвердевания. [1]

Недостаток способа заключается в том, что он не может постоянно пассивно устранять дисбаланс, т.к. после первоначального застывания и балансирования неминуемо образуется новый дисбаланс, для устранения которого потребуется заново придать легкоплавкому веществу жидкое состояние за счёт подвода дополнительной энергии, что, в свою очередь, осложняет способ и устройство для его реализации.

Наиболее близким по исполнению к предлагаемому способу автоматической балансировки является способ, реализуемый в устройстве шаровой конструкции состоящей из уравновешивающей массы в виде шаров, размещенных во втулке конической формы (Куинджи А. А., Колосов Ю. А., Народицкая Ю. И. Автоматическое уравновешивание роторов быстроходных машин. М., «Машиностроение», 1974, 152 с.). Эта конструкция уравновешивает ротор с вертикальной осью вращения и устанавливается на вал ротора. При неподвижном роторе шары находятся в нижней части обоймы под действием сил тяжести. С увеличением скорости, они под действием центробежной силы перемещаются в направлении противоположном избыточной неуравновешенной массы, тем самым устраняя неуравновешенность движущихся частей. [2]

Данный способ обеспечивает постоянную пассивную балансировку, которая не требует остановки ротора, вмешательства человека и дополнительного оборудования, т.е. является полностью независимым способом балансировки.

Однако, вышеуказанный способ и устройство для его реализации позволяет устранять дисбаланс только в плоскости вращения колеса ротора, конструктивно не позволяет устранять поперечные колебания и соответственно динамические моменты, особенно опасные для турбомашин с широкими лопатками рабочих колёс.

Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке принципиально нового способа балансирования и создание устройства для его реализации, позволяющей устранять дисбаланс в направлениях всех 6 степенях свободы.

Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является автоматическая многовекторная балансировка рабочих колёс турбомашин, и как результат:

- снижение виброскорости

- увеличение срока службы АВО

- снижение динамических нагрузок позволяет снизить удельную металлоёмкость.

Данная задача решается за счет того, что способ автоматической многовекторной балансировки рабочих колёс турбомашин позволяет в устройствах, его реализующих, уравновешивающую массу перемещать как в плоскости вращения рабочего колеса, так и в плоскостях параллельных оси вращения, независимо друг от друга под действием радиальных и тангенциальных инерционных сил, обусловленных неуравновешенными массами до их полного уравновешивания. Устройство для реализации способа включает в себя уравновешивающую массу, закреплённую в плоскости вращающейся втулки рабочего колеса турбомашины, при этом уравновешивающая масса состоит из металлических шаров, расположенных в полом тороиде, и свободно закреплена упругодемпфирующими связями симметрично по оси вала рабочего колеса турбомашины, а роль упругодемпфирующих связей выполняют пружины и демпферы, расположенные в плоскости вращения рабочего колеса турбомашины, либо по образующей цилиндра, симметричного оси вращения рабочего колеса.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают, и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:

На фиг. 1 изображено устройство, в составе рабочего колеса, для реализации способа автоматической многовекторной балансировки рабочих колёс турбомашин.

На фиг. 2 изображен вид А с местным разрезом устройства, реализующего предложенный способ автоматической многовекторной балансировки рабочих колёс турбомашин.

На фиг. 3 изображено устройство в составе рабочего колеса для реализации способа автоматической многовекторной балансировки рабочих колёс турбомашин в состоянии динамической уравновешенности во время вращения.

Устройство для автоматической многовекторной балансировки рабочих колёс турбомашин, включающее в себя уравновешивающую массу, состоящую из металлических шаров 1, расположенных в полом тороиде 2, свободно закреплённую упругодемпфирующими связями в виде пружин и демпферов 3, симметрично по оси вала рабочего колеса турбомашины 4. За счет принципиально новой конструкции крепления уравновешивающей массы, состоящей из металлических шаров 1, расположенных в полом тороиде 2 с шестью степенями свободы, позволяющей ей перемещаться в любом направлении, совершая как поступательные, так и вращательные движения, то есть многовекторно, в зависимости от действия динамических неуравновешенных масс вращающегося рабочего колеса турбомашины 4, а так же благодаря упругодемпфирующим связям в виде пружин и демпферов 3, расположенных в плоскости вращения рабочего колеса (см. Фиг.2 поз.3 слева), либо по образующей цилиндра (см. Фиг.2 поз.3 справа), симметричного оси вращения рабочего колеса конструктивно позволяющим уравновешивать и демпфировать поперечные колебания, обусловленные моментами сил, возникающими от неуравновешенных масс.

Благодаря такому способу и устройству для его реализации уравновешивающая масса, состоящая из металлических шаров 1, расположенных в полом тороиде 2 и свободно закрепленная упругодемпфирующими связями симметрично по оси вала рабочего колеса турбомашины, роль которых выполняют пружины и демпферы 3, расположенные в плоскости вращения рабочего колеса турбомашины 4, либо по образующей цилиндра, симметричного оси вращения рабочего колеса, при вращении ротора рабочего колеса турбомашины 4, под действием центробежных сил переместится, занимая такое положение, которое пространственно противоположно неуравновешенной части ротора и способствует смещению центра тяжести системы к оси вращения (фиг. 3).

Таким образом, ротор становится полностью сбалансированным по всем 6 степеням свободы, устраняя тем самым вибрации от радиальных и тангенциальных сил и поперечных моментов, т.е. осуществляя многовекторную балансировку.

Патент РФ №2158907 «СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УРАВНОВЕШИВАНИЯ РОТАТИВНЫХ СИСТЕМ»

Куинджи А. А., Колосов Ю. А., Народицкая Ю. И. Автоматическое уравновешивание роторов быстроходных машин. М., «Машиностроение». 1974г. 152с.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для автоматического балансирования роторов турбомашин. Способ автоматической многовекторной балансировки рабочих колёс турбомашин включает в себя перемещение балансировочных грузов в плоскости, перпендикулярной оси вращения, под действием неуравновешенных масс, создающих центробежные силы, причём уравновешивающую массу перемещают как в плоскости вращения рабочего колеса, так и в плоскостях, параллельных оси вращения, независимо друг от друга и поворачивают относительно трёх осей, одна из которых является осью вращения рабочего колеса, а две другие лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения, под действием радиальных и тангенциальных инерционных сил, обусловленных неуравновешенными массами до их полного уравновешивания. Устройство для автоматической многовекторной балансировки рабочих колёс турбомашин включает в себя уравновешивающую массу, закреплённую в плоскости вращающейся втулки рабочего колеса турбомашины, при этом уравновешивающая масса состоит из металлических шаров, размещённых в полом тороиде, и свободно закреплена упругодемпфирующими связями симметрично по оси вала рабочего колеса турбомашины, а роль упругодемпфирующих связей выполняют пружины и демпферы, расположенные в плоскости вращения рабочего колеса турбомашины. Конструктивное расположение пружин и демпферов по образующей цилиндра, симметричной оси вращения рабочего колеса, и жёстко связанных с полым тороидом также обеспечивает автоматическую многовекторную балансировку рабочих колёс турбомашины. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ автоматической многовекторной балансировки рабочих колёс турбомашин, включающий в себя перемещение балансировочных грузов в плоскости, перпендикулярной оси вращения, под действием неуравновешенных масс, создающих центробежные силы, отличающийся тем, что уравновешивающие массы перемещают как в плоскости вращения рабочего колеса, так и в плоскостях, параллельных оси вращения, независимо друг от друга и поворачивают относительно трёх осей, одна из которых является осью вращения рабочего колеса, а две другие лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения, под действием радиальных и тангенциальных инерционных сил, обусловленных неуравновешенными массами до их полного уравновешивания.

2. Устройство для автоматической многовекторной балансировки рабочих колёс турбомашин, включающее в себя уравновешивающую массу, закреплённую в плоскости вращающейся втулки рабочего колеса турбомашины, отличающееся тем, что уравновешивающая масса состоит из металлических шаров, размещённых в полом тороиде, и свободно закреплена упругодемпфирующими связями симметрично по оси вала рабочего колеса турбомашины, при этом роль упругодемпфирующих связей выполняют пружины и демпферы, расположенные в плоскости вращения рабочего колеса турбомашины.

3. Устройство автоматической многовекторной балансировки рабочих колёс турбомашин по п.2, отличающееся тем, что пружины и демпферы расположены по образующей цилиндра, симметричной оси вращения рабочего колеса.