СПОСОБ РАССТАНОВКИ ЛОПАТОК РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ
TURBINE UNIT ROTOR BLADE ARRANGEMENT METHOD

Предлагаемое изобретение относится к авиадвигателестроению и энергомашиностроению и может найти применение при статической балансировке рабочих колес роторов преимущественно с широкохордными закрученными лопатками на стадии их сборки.
Известна расстановка лопаток по патенту РФ №2082072, дата публикации 1997.06.20, при которой лопатки сортируют с последующим попарным отбором лопаток с близкими параметрами и устанавливают их во взаимно противоположных пазах диска лопаточного колеса.
Однако учет только скалярных величин статических моментов без учета их направлений приводит к неравномерному распределению статических моментов по окружности рабочего колеса турбомашины, появлению на нем «тяжелых» мест, приводящих к увеличению начального дисбаланса, характеризующего качество сборки ротора, и увеличению массы грузов, компенсирующих данный дисбаланс, а следовательно, массы ротора.
Наиболее близким является способ расстановки лопаток ротора турбомашины по заявке на изобретение № 2003122557, дата публикации 2005.01.10, согласно которому измеряют радиальный, тангенциальный и осевой статические моменты каждой лопатки множества, предназначенных для оснащения ротора, определяют суммарный статический момент каждой лопатки, классифицируют их в пары и лопатки выбранных пар устанавливают на роторе с диаметрально противоположным расположением лопаток пары.
При данном способе расстановки лопатки выбранных пар последовательно устанавливают на роторе. Однако в результате последовательной расстановки большая разность величин суммарных статических моментов некоторых соседних лопаток может привести к концентрации напряжений в местах их закрепления, что при определенных условиях (большие окружные скорости, циклическая работа турбомашины) может приводить к разрушению ободной части колеса с вырывом материала в местах замкового соединения лопаток.
Техническим результатом изобретения является снижение величины начального дисбаланса ротора на стадии его сборки за счет упорядоченной расстановки лопаток, приводящей к равномерному распределению статических моментов по окружности диска.
Технический результат достигается тем, что в способе расстановки лопаток ротора турбомашины, при котором измеряют радиальный, тангенциальный и осевой статические моменты лопаток множества, предназначенных для его оснащения, определяют суммарный статический момент каждой лопатки, классифицируют их в пары и устанавливают на диске ротора с диаметрально противоположным расположением лопаток пары, в отличие от известного лопатки классифицируют в пары, последовательно отбирая из множества лопаток пары с наибольшими или наименьшими значениями суммарных статических моментов, и устанавливают выбранные пары лопаток на роторе, начиная с пары с наибольшими значениями суммарных статических моментов лопаток, в порядке убывания значений суммарных статических моментов лопаток в парах, при этом после установки каждой пары лопаток изменяют направление обхода ротора, а лопатки пары устанавливают рядом с ранее установленной парой лопаток таким образом, чтобы лопатки с наибольшими суммарными статическими моментами в соседних парах располагались в противоположных полуплоскостях диска ротора.
Лопатки могут быть классифицированы в пары, если предварительно расположить их в ряд в порядке возрастания или убывания величин их суммарных статических моментов, последовательно отбирая из него пары лопаток, начиная с лопатки с наибольшим или наименьшим значением суммарного статического момента.
Лопатки могут быть установлены таким образом, чтобы векторы сумм векторов суммарных статических моментов лопаток соседних пар были расположены в противоположных полуплоскостях диска ротора.
Дополнительно для ротора, имеющего не менее двух рабочих колес, определяют направление вектора суммы векторов суммарных статических моментов лопаток каждого рабочего колеса и расставляют рабочие колеса таким образом, чтобы векторы сумм суммарных статических моментов лопаток соседних колес были противоположно направлены.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема ротора с расставленными лопатками.
Способ осуществляют следующим образом.
Измеряют радиальный, тангенциальный и осевой статические моменты каждой лопатки множества, предназначенных для его оснащения. Определяют суммарный статический момент каждой лопатки как сумму ее радиального, тангенциального и осевого статических моментов.
Лопатки классифицируют в пары, последовательно отбирая из множества лопаток пары с наибольшими или наименьшими значениями суммарных статических моментов. Например, предварительно располагают лопатки в ряд в порядке возрастания или убывания величин их суммарных статических моментов, затем последовательно отбирают из полученного ряда пары соседних лопаток, начиная с лопатки с наибольшим или наименьшим значением суммарного статического момента. При нечетном количестве лопаток ротора оставшаяся, не имеющая пары лопатка имеет наименьший суммарный статический момент из всего множества лопаток, предназначенных для оснащения ротора.
Лопатки выбранных пар устанавливают в пазы диска ротора с диаметрально противоположным расположением лопаток пары, начиная с пары с наибольшими значениями суммарных статических моментов лопаток, в порядке убывания значений суммарных статических моментов лопаток, входящих в пару. При этом после установки каждой пары лопаток изменяют направление обхода ротора, а лопатки пары устанавливают рядом с ранее установленной парой лопаток таким образом, чтобы лопатки с наибольшими суммарными статическими моментами в соседних парах (лопатка с наибольшим суммарным статическим моментом устанавливаемой пары и лопатка с наибольшим суммарным статическим моментом ранее установленной пары) располагались в противоположных полуплоскостях диска ротора. При такой расстановке векторы сумм векторов суммарных статических моментов лопаток соседних пар расположены в противоположных полуплоскостях А и В диска ротора (см. чертеж).
При нечетном количестве лопаток ротора непарная лопатка устанавливается в оставшийся свободным паз диска ротора.
Дополнительно для ротора, имеющего по крайней мере два рабочих колеса, определяют направление вектора суммы векторов суммарных статических моментов лопаток каждого рабочего колеса и расставляют рабочие колеса таким образом, чтобы векторы сумм векторов суммарных статических моментов лопаток соседних колес были противоположно направлены.
Пример реализации способа.
Для расстановки на роторе, имеющем одно рабочее колесо, 10 лопаток, предназначенных для его оснащения, из 15 лопаток множества.
Измеряют величины радиальных, тангенциальных и осевых статических моментов 15 лопаток. Определяют (по правилам векторной алгебры) суммарный статический момент каждой лопатки как сумму радиального, тангенциального и осевого статических моментов. Определяют величину дисперсии (разброс полученных значений суммарных статических моментов относительно их среднего значения). Выбирают 10 лопаток для оснащения ротора, для которых выполнялось заданное условие по принятой величине разброса (Таблица).
Лопатки располагают, например, в порядке убывания величин их суммарных статических моментов. Затем последовательно, начиная с лопатки с наибольшим значением суммарного статического момента, отбирают из полученного ряда пары соседних лопаток: I пара - лопатки №1 и №2; II пара - лопатки №3 и №4; III пара - лопатки №5 и №6; IV пара - лопатки №7 и №8; V пара - лопатки №9 и №10.
Далее берут I пару лопаток с наибольшими значениями суммарных статических моментов лопаток (№1 и №2) пары и устанавливают их в диаметрально противоположные пазы диска ротора (см. чертеж).
Таблица
№ пары
№ лопатки, i
Суммарный статический момент лопатки, S<sub>i</sub>, кг·м
I
1
2,1·10<sup>-4</sup>
2
2,0·10<sup>-4</sup>
II
3
1,9·10<sup>-4</sup>
4
1,8·10<sup>-4</sup>
III
5
1,7·10<sup>-4</sup>
6
1,6·10<sup>-4</sup>
IV
7
1,5·10<sup>-4</sup>
8
1,4·10<sup>-4</sup>
V
9
1,3·10<sup>-4</sup>
10
1,2·10<sup>-4</sup>
Из оставшегося множества лопаток берут следующую II пару лопаток (№3 и №4) и устанавливают их на роторе с диаметрально противоположным расположением лопаток пары рядом с I парой лопаток, при этом изменяют расположение лопаток в паре таким образом, чтобы лопатка №3 с наибольшим суммарным статическим моментом II пары и лопатка №1 с наибольшим суммарными статическим моментом I пары были расположены в противоположных полуплоскостях А и В диска ротора (см. чертеж).
Из оставшегося множества лопаток берут следующую - III пару лопаток, изменяют направление обхода ротора и устанавливают лопатки пары на роторе в диаметрально противоположные пазы диска рядом с I парой лопаток таким образом, чтобы лопатка №5 с наибольшим суммарным статическим моментом III пары и лопатка №1 с наибольшим суммарным статическим моментом I пары были расположены в противоположных полуплоскостях диска ротора.
Далее подобным образом устанавливаем лопатки IV пары (№7 и №8) и лопатки V пары (№9 и №10).
1
4
3
2
7
4
3
8
7
10
8
9
10
5
6
9
5
2
1
6
-4
-4
-4
-4
-4
Проверяем эффективность расстановки. Определяем суммы суммарных статических моментов соседних лопаток ротора, расположенных в противоположных полуплоскостях (круговых секторах) диска ротора: S+S=S+S=3,9·10; S+S=S+S=3,3·10; S+S=S+S=2,7·10; S+S=S+S=2,9·10; S+S=S+S=3,7·10.
Суммы суммарных статических моментов соседних роторов, расположенных в противоположных круговых секторах диска ротора, равны, что свидетельствует об отсутствии «тяжелых» мест на роторе и о равномерном распределении значений суммарных статических моментов лопаток по его окружности.
Изобретение позволяет уменьшить начальный дисбаланс ротора и, тем самым, повысить качество его сборки, уменьшить количество балансировочных грузов, приводящее к снижению массы ротора, что особенно актуально для авиадвигателестроения, и повысить надежность ротора за счет уменьшения разности между величинами суммарных статических моментов соседних, приводящей к снижению нагружения обода рабочего колеса в местах их закрепления. Изобретение может быть использовано для рабочих колес, укомплектованных лопатками сложной формы (закрученных, стреловидных), например, используемых в вентиляторе современного авиационного ГТД.