СПОСОБ НИЗКООБОРОТНОЙ БАЛАНСИРОВКИ МАССЫ И АЭРОДИНАМИКИ ВЫСОКООБОРОТНОГО ЛОПАТОЧНОГО РОТОРА
PROCEDURE FOR LOW SPEED MASS BALANCING AND AERODYNAMICS OF HIGH SPEED VANE ROTOR

Изобретение относится к областям изготовления, сборки и балансировки высокооборотных лопаточных роторов, преимущественно, роторов газотурбинных двигателей и паровых турбин, балансировку массы которых в связи с механо-энергетическими проблемами выполняют на оборотах во много раз ниже рабочих.
Целью изобретения является снижение радиальной вибрации высокооборотного лопаточного ротора - главного источника вибрации изделия и объекта, на котором оно установлено.
Существующая практика балансировки массы лопаточного ротора заключается во вращении ротора на балансировочном станке, в подборе массы балансировочного (компенсационного) груза и закреплении его в диаметрально-противоположном направлении к вектору дисбаланса, показываемому балансировочным станком. Это естественно и эффективно только для гладких валов и лопаточных роторов со случайно уравновешенной аэродинамики лопаток, когда вектор дисбаланса в полной мере является центробежной силой неуравновешенной массы (дисбаланса массы). При вероятной «скрытой» неуравновешенности аэродинамики лопаток, радиальная сила аэродинамического дисбаланса, складываясь геометрически с центробежной силой дисбаланса массы, образуют «смещенный» вектор дисбаланса, не совпадающий с направлением центробежной силы дисбаланса массы. И при расположении компенсационного груза против такого вектора дисбаланса, показываемого балансировочным станком, закладывается перекос центробежных сил груза и дибаланса массы, ничему не мешающий, если рабочие обороты равны балансировочным. Но при многократном повышении оборотов перекошенные центробежные силы, квадратично увеличиваясь, своей равнодействующей образуют высокооборотный очаг радиальной вибрации лопаточного ротора.
«Скрытый» аэродинамический дисбаланс приводит к оформлению вынужденной высокой норме на допустимую вибрацию.
Таким образом, аэродинамический дисбаланс вреден-грозен не величиной, относительно небольшой (из-за чего многие склонны им пренебрегать), а возникающим перекосом центробежных сил - ролью своеобразного катализатора высокооборотной радиальной вибрации лопаточного ротора.
На чертеже приведен пример взаимодействия сил при общепринятой балансировке массы и как оно меняется при увеличении оборотов в 3 раза. (Пунктирные построения по другому поводу). Обозначения на чертеже: ОМ - центробежная сила дисбаланса массы; ОА - радиальная сила аэродинамического дисбаланса, под углом, для примера, 90° к ОМ, величиной 0,5 ОМ; вектор ОД - вектор дисбаланса, показываемый балансировочным станком; вектор ОГ - центробежная сила компенсационного груза, поставленного против дисбаланса ОД, образующая угол перекоса «α» с направлением центробежной силы дисбаланса массы ротора; С=0,5 - относительная величина аэродинамического дисбаланса - отношение радиальной силы аэродинамического дисбаланса к центробежной силе дисбаланса массы на оборотах балансировки массы. При увеличении оборотов в 3 раза центробежные силы увеличиваются в 9 раз, и их перекос образует равнодействующую OR. Вычитая из OR возросшую линейно радиальную силу аэродинамического дисбаланса в 3 раза (ОА1), получим, в итоге, вектор разбаланса О - ВР, который оказался в 3 раза больше исходной центробежной силы дисбаланса массы, которую стремились уравновесить.
При дальнейшем повышении оборотов рост кратности вектора О - ВР более стремителен, например, при оборотах выше балансировочных в 5, 10, 20 и 40 раз - вектор разбаланса больше исходной центробежной силы дисбаланса массы в 10, 45, 190 и 780 раз, соответственно (при С=0,5).
Из изложенного следует, что существующая технология балансировки массы высокооборотного лопаточного ротора не соответствует ожиданиям качественного уравновешивания ротора и нуждается в обязательном совершенствовании, например, по предлагаемому изобретению, по которому балансировку массы высокооборотного лопаточного ротора выполняют после устранения неуравновешенности аэродинамики лопаток. Прототип не найден.
Собранное лопаточное колесо или собранный многоколесный ротор контролируют на наличие аэродинамического дисбаланса вращением на балансировочном станке, сначала на оборотах балансировки массы и затем на оборотах в 2 раза ниже (последовательность "названных" оборотов любая) - с фиксированием величин и угловых положений векторов дисбалансов.
Отсутствие образования угла между векторами дисбалансов (при изменении величины вектора дисбаланса в 4 раза) свидетельствует об отсутствии аэродинамического дисбаланса. Угол между векторами дисбалансов, возникающий при перемене числа оборотов, говорит о наличии аэродинамического дисбаланса, а величина угла - приближенно о его относительной величине. Величина угла зависит также и от величины изменения числа оборотов, что показано на чертеже, слева - вверху, пунктиром.
При наличии аэродинамического дисбаланса - для его устранения и выполнения качественной балансировки массы ротора-векторы дисбалансов, зафиксированные при контроле ротора на аэродинамический дисбаланс, графически разделяют на геометрические слагаемые путем допостроения параллелограммов сил, диагоналями которых являются векторы дисбалансов (с углом между ними), исходящие из центральной точки. Сторона параллелограмма, прилежащая к большему вектору дисбаланса, полученному при больших оборотах, является направлением центробежной силы дисбаланса массы колеса (ротора), а сторона, прилежащая к меньшему вектору дисбаланса, является направлением радиальной силы аэродинамического дисбаланса.
Используя направление радиальной силы аэродинамического дисбаланса, определяют угловое положение середины сектора (с углом около 90°), в котором сосредоточены лопатки с повышенной аэродинамикой, создающих аэродинамический дисбаланс, который устраняют механической доработкой свободных торцов лопаток в пределах допуска на длину. Сначала дорабатывают торцы, наиболее отстоящие от оси вращения ротора (колеса), чередуя доработки с контролем на аэродинамический дисбаланс (по уменьшению и исчезновению угла между векторами дисбалансов), не снимая ротор с балансировочного станка. После устранения аэродинамического дисбаланса балансируют массу ротора.
Во избежание проблем со снятием слоя металла с торцов лопаток - их длину при изготовлении выдерживают ближе к верхнему пределу, а резонансные частоты - ближе к нижнему.
Устранение аэродинамического дисбаланса в роторе (колесе) из лопаток с бандажными полками выполняют механической доработкой кромок лопаток. При невозможности доработки кромок (из-за специального покрытия поверхности перьев лопаток) устранение аэродинамического дисбаланса выполняют перестановкой половины лопаток (через одну) из сектора «доработки» на противоположную сторону колеса, с контролем на аэродинамический дисбаланс.
Для реализации изобретения наиболее приемлем балансировочный станок модели МС 9717 ДН - 4 (Минского завода, выпуска 1998 г.) или аналоги с цифровым показом величины и углового положения вектора дисбаланса, с плавным изменением числа оборотов.
В заключение описания изобретения необходимо отметить, что предлагаемый способ раздельных балансировок аэродинамики и массы высокооборотного лопаточного ротора является радикальной мерой для снижения его радиальной вибрации в несколько раз. А программирование компьютера по аналитическому разделению векторов дисбалансов на слагаемые небалансов открывает возможность создания более совершенного станка для динамических балансировок аэродинамики и массы высокооборотного лопаточного ротора