СПОСОБ МОНТАЖА РОТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF MOUNTING GAS TURBINE ENGINE ROTOR

Изобретение относится к роторным газотурбинным машинам и может быть использовано при монтаже их роторов, в том числе у высокооборотных газотурбинных двигателей, у которых критические частоты вращения роторов находятся в рабочем диапазоне частот вращения.
Из уровня техники известно, что одной из основных проблем надежной работы газотурбинных машин является устранение резонанса их роторов на критических частотах вращения, которые связаны с колебаниями ротора без изгиба вала за счет упругого деформирования опоры. Когда реакция на опоре от возбуждающих сил, приводящих к резонансу (центробежные силы от неуравновешенной массы ротора и гироскопические моменты роторных дисков), становится равной силе упругого сопротивления опоры, поперечные перемещения вала ротора значительно возрастают.
Устранение резонанса роторов на критических частотах их вращения достигается различным образом, например за счет выведения критических частот (отстройка роторов) из рабочего диапазона вращения роторов.
Так, например, известны методы изменения критических частот вращения роторов, при которых они теряют устойчивость (резонанс) за счет изменения конструкции: массовых, геометрических характеристик, жесткостей опор (см. Назаренко Ю.Б. Динамика роторов газотурбинных двигателей: монография / Ю.Б. Назаренко. - М., 2014. - 43 с. и 51 с.).
Данные способы отстройки от резонанса двигателей при наличии критических частот вращения, находящихся в рабочем диапазоне, крайне сложны в реализации. Это связано, в основном, с отсутствием возможности проводить конструктивные изменения на существующих двигателях и в ограничении возможности увеличения жесткости опор для роторов, работающих на жестких опорах.
Известен способ монтажа ротора газотурбинного двигателя, согласно которому его устанавливают в подшипниковых опорах качения, причем в одной из его опор используют подшипник с овальной беговой дорожкой кольца подшипника, связанного силовыми элементами со статором двигателя, а установку подшипника на опоре осуществляют таким образом, что большая ось овала беговой дорожки кольца совпадает с направлением силы тяжести ротора. При этом жесткость опоры и параметр овала дорожки качения кольца подшипника выбирают из соотношений, которые обеспечивают гашение колебаний ротора на критических частотах его вращения (см. патент РФ №2528789, кл. F02C 7/06, кл. F01D 25/16, 2014 г., - наиболее близкий аналог).
В результате анализа известного способа необходимо отметить, что он недостаточно эффективен в случаях наступления резонанса при превышении веса ротора его центробежной силы на опоре из-за отсутствия возможности подъема ротора в вертикальном направлении, что не позволяет реализовать смещение вала ротора в радиальном направлении, достаточное для устранения реакции на опоре и резонанса ротора.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности работы двигателя за счет обеспечения монтажа его ротора таким образом, что на критических частотах его вращения обеспечивается гарантированное устранение резонанса ротора.
O
k
max
min
max
min
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе монтажа ротора газотурбинного двигателя, согласно которому вал ротора посредством подшипников качения устанавливают с возможностью вращения в опорах, причем для монтажа вала ротора на опоре, которая определяет критическую частоту вращения, используют подшипник роликовый с овальной беговой дорожкой кольца и задают параметр овала беговой дорожки кольца подшипника, при котором обеспечивается устранение резонанса ротора на критической частоте его вращения, новым является то, что установку подшипника с овальной беговой дорожкой внутреннего кольца осуществляют на валу ротора таким образом, что малая ось овала беговой дорожки кольца совпадает с направлением смещения центра масс ротора, а параметр овала µ, равный разности максимального и минимального его диаметров, задают в диапазоне от минимального значения  и до максимального значения , где m - масса ротора, приходящаяся на опору с овальной дорожкой качения; δ - статический дисбаланс ротора, приходящийся на опору с овальной дорожкой качения; J - осевой момент инерции ротора при его угловом перемещении в вертикальном направлении относительно опоры с круговыми дорожками качения подшипника; ω - круговая критическая скорость вращения ротора; L - пролет ротора; С - жесткость опоры с овальной дорожкой качения; µ - параметр овала дорожки качения кольца подшипника, µ=(D-D); D и D - максимальный и минимальный диаметр овальной дорожки качения; g - ускорение свободного падения.
Сущность заявленного способа поясняется чертежом, на котором представлена схема силовых воздействий ротора (собственный вес mg и центробежная сила Fц) на опору при вращении внутреннего кольца с овальной дорожкой качения подшипника (θ - угол поворота внутреннего кольца относительно внешнего, равный θ=ω·t), а также реакция опоры R.
Заявленный способ осуществляют следующим образом.
При монтаже ротора двигателя вал ротора устанавливают в опоры, выполненные в статоре двигателя. Для обеспечения вращения ротора относительно статора монтаж ротора в опорах осуществляют посредством подшипников качения.
На опоре, которая определяет критическую частоту вращения ротора (как правило, это наиболее нагруженная опора и определение критической частоты вращения не является сложным у специалистов), устанавливают подшипник роликовый, с круговой беговой дорожкой внешнего кольца, которое силовыми элементами связывают со статором двигателя и овальной беговой дорожкой внутреннего кольца, которое устанавливают на валу ротора.
Для обеспечения достижения указанного выше технического результата важно установить на валу ротора кольцо подшипника с овальной беговой дорожкой таким образом, чтобы малая ось овала беговой дорожки совпадала с направлением смещения центра масс ротора "е" (см. чертеж) относительно оси его вращения. Смещение центра масс ротора относительно оси его вращения и направление смещения определяет его дисбаланс и устанавливается для каждого ротора после его изготовления.
Для монтажа ротора на второй, менее нагруженной, опоре используют стандартный подшипник с круговыми беговыми дорожками его колец, и монтаж ротора на второй опоре осуществляется традиционно.
Как показали исследования, приведенные выше действия, обеспечивающие монтаж ротора в опорах, приводят к тому, что в процессе вращения ротора при превышении веса ротора, приходящегося на опору с овальным кольцом подшипника, величины центробежной силы от дисбаланса, силовое взаимодействие вала ротора через внутреннее кольцо и ролики с наружным кольцом и опорой будет всегда происходить в нижней половине внешнего кольца и определяться по вертикальной оси подшипника постоянной величиной веса ротора и центробежной силой, изменяющейся по гармоническому закону.
Переменная составляющая нагрузки от ротора на опору будет определять гармоническое колебание опоры, и при наступлении равенства собственной частоты колебаний опоры и частоты вынужденной силы наступает резонанс ротора, который определяется по стандартным методикам (см. Назаренко Ю.Б. Критическая частота вращения ротора низкого давления двигателя АИ-222-25 // Двигатель. - Москва. - 2015, №1. - С. 20-21).
При вращении внутреннего кольца подшипника, связанного с валом ротора от т. А, когда малая ось овала направлена горизонтально и в этом же направлении действует центробежная сила ротора на опоре и до вертикального положения малой оси (т. В), когда центробежная сила направлена вниз, образующийся зазор между кольцами подшипника будет мгновенно компенсирован упругим перемещением опоры вверх и реакция опоры устранится. Колебания опоры под действием гармонически изменяющейся величины центробежной силы ротора в вертикальном направлении на резонансной частоте погашаются. Однако это будет происходить при параметре овала, при котором будет реализовываться полное устранение реакции опоры.
Для получения указанного выше технического результата важно определить минимальное и максимальное значения параметра овала (µ) кольца подшипника, при которых будет реализовываться гарантированное устранение резонанса ротора.
max
min
max
min
Параметр овала характеризует разность максимального и минимального значений диаметров овала кольца подшипника, то есть µ=(D-D), где D и D - значения максимального и минимального диаметров овальной беговой дорожки кольца подшипника.
Как показали исследования, минимальное значение параметра овала беговой дорожки внутреннего кольца подшипника может быть определено по следующей зависимости ,
O
k
max
min
max
min
где m - масса ротора, приходящаяся на опору с овальной дорожкой качения; δ - значение статического дисбаланса ротора, приходящегося на опору с овальной дорожкой качения; J - осевой момент инерции ротора при его угловом перемещении относительно опоры с круговыми дорожками качения подшипника; ω - круговая критическая скорость вращения ротора; L - пролет ротора; C - жесткость опоры с овальной дорожкой качения подшипника; µ - параметр овала дорожки качения кольца подшипника, µ=(D-D); D и D - максимальный и минимальный диаметр овальной дорожки качения; g - ускорение свободного падения.
При меньшем значении параметра овала беговой дорожки полного устранения упругого деформирования опоры не произойдет и резонанс ротора не будет устранен.
Как показали исследования, максимальное значение параметра овала может быть определено по следующей зависимости:
При значении параметра овала, большем максимального, вал ротора под действием радиального ускорения получает радиальную скорость, что вызывает при контакте динамический удар и формирует хаотичное движение ротора. Это дополнительно ухудшает работу ротора на критической частоте вращения.
Нахождение параметра овала в интервале указанных значений позволяет гарантированно обеспечить устранение резонанса ротора по первой форме колебаний.
Значения параметров овала беговой дорожки, при которых обеспечивается гарантированное устранение резонанса ротора, полученные экспериментальным путем, подтверждаются и проведенными расчетами (см. Назаренко Ю.Б. Критическая частота вращения ротора низкого давления двигателя АИ-222-25 // Двигатель. - Москва. - 2015, №1. - С. 20-21).
Пример такого расчета приведен ниже.
Упругое смещение опоры на вертикальной оси при горизонтальном расположении малой оси и действии центробежной силы вдоль малой оси овала будет определяться только весом ротора на опоре
где m - масса ротора, приходящаяся на опору с овальным кольцом подшипника; C - жесткость опоры с овальной дорожкой качения подшипника; g - ускорение свободного падения.
При расположении малой оси овала горизонтально вес ротора компенсируется реакций опоры.
Принимаем уравнение контура кольца овальной формы в виде (см. чертеж)
O
R=R+Δsin(ωt),
max
min
где Δ - параметр овала дорожки качения кольца подшипника, Δ=(D-D)/2.
mg
При угловом перемещении малой оси овальной беговой дорожки от горизонтального до вертикального положения от т. А до т. В и при параметре овала Δ беговой дорожки кольца, равном упругому смещению опоры Δ, реакция опоры будет уменьшаться по синусоидальному закону, а на вал ротора вертикально будет действовать неуравновешенная сила
K
F=mg·sin(ωt).
1
2
Эта сила приведет к перемещению вала ротора на опоре, которая определится без учета упругого отпора опоры за четверть оборота вала (от t=0 до t=T/4) из выражения
где ε - угловое ускорение ротора при его перемещении относительно опоры с круговыми кольцами в вертикальном направлении
O
J - осевой момент инерции ротора при его угловом перемещении относительно опоры с круговыми кольцами,
m - масса ротора, приходящаяся на опору с овальным кольцом подшипника,
i
i
K
K
m и x - масса и координата диска относительно опоры с круговыми дорожками качения; Т - период одного оборота вала, T=2π/ω; ω - круговая критическая скорость вращения ротора; L - пролет ротора.
Перемещение вала ротора под действием неуравновешенной силы на опоре вызывает дополнительную величину упругого отпора опоры F=Δ·C, изменение которой принимаем по линейному закону от 0 до максимального значения F=Δ·C·t/T/4, и с учетом этого отпора перемещение вала ротора на опоре составит
Из последнего выражения получаем перемещение вала ротора на опоре с учетом упругого отпора опоры
Кроме этого, за данный отрезок времени на вал ротора будет действовать центробежная сила, которая приведет к его перемещению в вертикальном направлении
Минимальный параметр овала определится как сумма упругого деформирования опоры от действия собственного веса ротора, когда малая ось овала находится в горизонтальном положении, перемещения опоры от собственного веса ротора при угловом перемещении малой оси овальной беговой дорожки от горизонтального (т. А) до вертикального положения (т. В) и от центробежной силы от неуравновешенной массы ротора за четверть периода вращения внутреннего кольца подшипника
max
min
max
min
где µ=(D-D); D и D - максимальный и минимальный диаметр овальной дорожки.
Максимальное значение параметра овала определится при условии отсутствия дополнительного упругого отпора вала ротора на опоре при вертикальном перемещении вала ротора от собственного веса, когда приращение контура овальной дорожки качения будет превышать перемещение вала ротора от собственного веса за четверть оборота ротора. Параметр овала в этом случае определится
Заявленный способ будет более понятен из приведенного ниже примера.
Пример реализации способа проведен на модели, имитирующей ротор компрессора низкого давления газотурбинного двигателя.
Масса ротора (сосредоточенная) равна m=25.2 кг и удалена от опоры на расстоянии b=0.056 м при длине пролета ротора, равной L=0.227 м. Это соответствует массе ротора, приходящейся на опору с овальной дорожкой качения, равной m=31.4 кг.
-5
8
K
Дисбаланс ротора на опоре δ=6·10 кг·м. Жесткость опоры составляет С=1.35·10 Н/м. Критическая частота ротора составила 212 Гц, а угловая критическая скорость вращения ротора ω=1332 рад/с (см. Назаренко Ю.Б. Критическая частота вращения ротора низкого давления двигателя АИ-222-25 // Двигатель. - Москва. - 2015, №1. - С. 20-21).
Осевой момент инерции ротора при его угловом перемещении в вертикальной плоскости относительно опоры с круговыми кольцами (вторая опора) составит
Минимальное значение параметра овала будет равно
Максимальное значение параметра овала беговой дорожки составит
При любом значении параметра овала, находящемся в указанном диапазоне, обеспечивается устранение резонанса ротора.
Приводили ротор во вращение на критической угловой скорости вращения 1332 рад/с при параметре овала беговой дорожки внутреннего кольца роликового подшипника, равном µ=9 мкм. На данной частоте вращения ротора при указанном выше параметре овала явлений резонанса не наблюдалось.
При значении параметра овала беговой дорожки подшипника, меньшем его минимально установленного значения, явление резонанса устранить не удавалось.
При значении параметра овала беговой дорожки подшипника, большем его максимально установленного значения, динамическое поведение ротора на критической частоте его вращения ухудшается.
Как показали проведенные испытания, при вращении внутреннего кольца подшипника, связанного с валом ротора от т. А, когда малая ось овала направлена горизонтально и в этом же направлении действует центробежная сила ротора на опоре и до вертикального положения малой оси (т. В) (см. чертеж), реакция опоры при выбранных параметрах овала устраняется за четверть оборота вращения ротора. Резонансные колебания опоры под действием гармонически изменяющейся величины центробежной силы ротора в вертикальном направлении на резонансной частоте в этом случае отсутствуют.
Применение данного способа позволяет гарантированно предотвратить резонанс ротора на критических частотах его вращения.