Оптимизация выбора и использования балансировочного оборудования при изготовлении роторов современных энергетических машин

УДК 621

ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫБОРА И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БАЛАНСИРОВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ РОТОРОВ СОВРЕМЕННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИН

А.Ф. Ивашин, И.А. Кривошеев, Е.В. Осипов

Проведен анализ и предложены рекомендации по выбору балансировочного оборудования и оптимальному его использованию при изготовлении роторов энергетических машин. Предложен критерий определения оптимальной массы контрольного и тарировочного ротора на примере балансировочного станка ВМ-010

Ключевые слова: энергетическая машина, ротор турбины, балансировка, оптимизация

ВВЕДЕНИЕ

К современным энергетическим машинам, энергоустановкам летательных аппаратов (ЛА) предъявляются высокие требования по надёжности, точности, ресурсу и долговечности. Одновременно с этим увеличивается и скорость вращения роторов многих энергетических машин. Так, решение проблемы обеспечения высокой компактности и малоразмерности энергоагрегатов топливоподачи в современной ракетно-космической технике при их высоких рабочих параметрах возможно достичь путём повышения частоты вращения ротора. Однако, при этом возникают сложности. Так, при частоте 50 об/сек и разности расстояний между центром тяжести ротора и осью вращения 0,1 мм давления на подшипники будут соответствовать весу ротора. При увеличении частоты вращения до 100 об/сек давления на подшипники будут в четыре раза превосходить статические, а при скорости до 500 об/сек - в 100 раз больше веса ротора [1]. Современные же тур-бонасосные агрегаты (ТНА) и турбонасосные гидроагрегаты (ТНГА), применяемые в ракетно-космической технике, имеют частоты вращения ротора 1000 об/сек и более. В связи с этим, их подшипники даже при небольшом смещении центра тяжести ротора воспринимают сильнейшие нагрузки. В результате снижается ресурс работы подшипников и надёжность изделия в целом.

В связи с этим, проблемы балансировки энергетических машин, высокоточного уравновешивания механизмов с достижением минимального уровня остаточного дисбаланса име-

Ивашин Александр Федорович - ОАО "ВПК"НПО машиностроения" - КБ "Орион", Главный специалист Кривошеев Игорь Александрович - УГАТУ, декан факультета АД, д-р техн. наук, проф., научный руководитель НИЛ САПР-Д, e-mail: krivosh@sci.ugatu.ac.ru Осипов Евгений Владимирович - ОАО "ВПК"НПО машиностроения" - КБ "Орион", инж.-констр. I к., канд. техн. наук, e-mail: evgeny.osipov@mail.ru

ют крайне важное значение. Вместе с тем, данная проблема является и одной из самых сложных в современной технике. Для её решения на протяжении уже нескольких десятков лет разрабатываются и совершенствуются методы и балансировочное оборудование [2-4].

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Известные методы балансировки [5] делятся:

- по назначению - балансировка деталей, жестких и гибких собранных роторов, роторов на объектах (например, роторов крупных энергетических паровых и газовых турбин);

- по величине частоты вращения балансируемого ротора - низкочастотная и высокочастотная балансировка;

- по числу плоскостей коррекции - балансировка в одной, двух и трех плоскостях;

- по способу корректировки масс - уменьшением, добавлением или перестановкой корректирующих масс.

Совершенство метода балансировки определяется значением показателя снижения дисбаланса за единичную корректировку масс, величиной остаточного дисбаланса в плоскости осуществления коррекции и продолжительностью балансировки [5]. Метод балансировки ротора выбирается на стадии проектирования.

Оборудование балансировочное делится:

- по назначению - для статической и динамической балансировки;

- по режиму работы - дорезонансное, заре-зонансное и резонансное;

- по порогу чувствительности - нормальной и повышенной точности.

Для повышения качества и эффективности балансировки роторов энергетических машин разных конструкций проводятся исследования и изобретаются новые, всё более совершенные способы [6-9]. Так, автором настоящей статьи был получен патент на новый способ балансировки ротора турбины [9]. В данном изобрете-

нии предложена формула расчёта оптимальной массы балансировочного пояса ротора турбины, позволяющая минимизировать массу ротора, что имеет большое значение для энергоагрегатов ракетно-космической техники. Другим достоинством изобретения является возможность уже на начальном этапе производства выявлять заготовки с геометрическими отклонениями, которые не позволят отбалансировать турбину на завершающем этапе изготовления, после механической обработки. Последнее экономит значительные материальные средства, так как сводит к минимуму брак дорогостоящих деталей.

2. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО БАЛАНСИРОВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

При выборе средства балансировки энергетических машин приходится учитывать много факторов, к числу которых относятся диаметры ротора и цапфы, расстояние между опорами, диапазон частот вращения при балансировке. Особенно важно при подборе балансировочного станка, кроме перечисленных факторов, учитывать величину массы ротора, которую можно отбалансировать на этом станке. Масса ротора должна попадать в диапазон между минимальной и максимальной массой роторов, на балансировку которых рассчитан станок, согласно его техническим характеристикам

Мтп ^Мр ^ Мтах

Выход за пределы данного диапазона приведёт к потере точности балансировки, повышенному износу деталей станка и выходу его из строя. Следует избегать балансирования роторов в крайних диапазонах массы, так как при этом увеличится погрешность и снизится точность балансировки.

На рисунке 1 для ряда широко известных балансировочных станков представлена область охватываемого ими диапазона масс балансируемых роторов с указанием нижнего и верхнего пределов. Из графика видно, что верхний предел массы растёт значительно интенсивней нижнего предела, соответственно, увеличивается и диапазон балансируемых масс.

Выбрать оптимальное балансировочное оборудование можно, проанализировав поставленные перед предприятием задачи. Если существует потребность в уравновешивании разных роторов энергетических машин, сильно отличающихся по типоразмеру, массе и не предъявляется повышенных требований к точности балансировки, то рационален выбор бо-

лее универсального станка, например, ВМ-050 (рисунок 1) с широким диапазоном масс балансируемых на нём роторов: М = 0,5 + 50 кг. Если

же требуется повышенная точность балансировки, то балансировочное оборудование следует выбирать повышенной точности. При этом диапазон балансируемых масс роторов будет более узким. К таким станкам относится, например, ВМ-010 (рисунок 1) с диапазоном масс балансируемых роторов М = 0,03 + 8 кг.

Рис. 1. Верхний и нижний пределы масс роторов для разных балансировочных станков

Балансировочный станок ВМ-010 российской фирмы "Диамех 2000" оптимально подошёл для балансировки высокооборотных роторов энергетических машин - ТНА и ТНГА, требующих высокоточной балансировки. Роторы обоих агрегатов имеют расчетную частоту вращения п=1000 об/сек, их масса равна МР шА~1 кг и МР тнга~1,2 кг. Тип роторов - консольный. Массы роторов удовлетворяют условию (1): 0,03<1<8,0 и 0,03<1,2<8,0.

3. ОПТИМИЗАЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БАЛАНСИРОВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Осуществление процесса балансировки роторов требует обязательного наличия в комплекте со станком тарировочного (объектового) и контрольного роторов [10-13].

Тарировочный ротор является одним из серийных роторов, используемых для тарирования балансировочного станка [14], т. е. регулирования, при котором цену деления индикатора дисбаланса связывают с единицами коррекции, выбранными для плоскостей коррекции ротора. Тарировочный ротор используется для настройки станка на балансировку ротора определённой геометрии и массы. Собирается ротор из тех же деталей, с учётом тех же требований, что и серийный ротор [5]. Для каждого

типа балансируемых роторов изготавливается свой тарировочный ротор. При этом он должен быть сбалансирован минимум на класс точнее серийного ротора.

Контрольный ротор применяется для проверки балансировочного станка [14]. Для универсальных балансировочных станков, к числу которых относится ВМ-010, нужно использовать контрольный ротор, масса которого находится в нижней трети диапазона допустимых масс уравновешиваемых роторов [12].

Диапазон допустимых масс уравновешиваемых роторов станком ВМ-010 равен ДМР = МР тх - МР = 8,0 - 0,03 = 7,97 « 8 кг.

Тогда, с учётом рекомендаций [12], найдём верхнюю границу массы контрольного ротора МР коНтр = ДМ/3 = 8/3 « 2,7 кг. Т. е. масса контрольного ротора для балансировочного станка ВМ-010 должна находиться в диапазоне: 0,03 < МР КОНТР < 2,7. По таблице размеров,

массы и допустимых частот вращения для роторов консольного типа [12] этому диапазону соответствует масса контрольного ротора

мр контр = 2,2 кг.

Схематично данный контрольный ротор показан на рисунке 2. На нём обозначены: цифрой 1 - расположение резьбовых отверстий N в плоскостях коррекции для установки контрольных грузов, буквами обозначены размеры контрольного ротора.

Так как универсальные балансировочные станки предназначены для балансировки роторов разной массы в диапазоне от Мтт до Мтах, ГОСТ 20076-2007 [12] предусматривает несколько номеров роторов со своей массой и геометрическими размерами, перекрывающими эти диапазоны. Данные контрольные роторы универсальны для диапазонов масс, но не являются оптимальными. В рассматриваемом случае балансировочный станок ВМ-010 необходим для балансировки конкретных роторов ТНА и ТНГА консольного типа с массой, соответственно, 1 кг и 1,2 кг. Спроектировать оптимальный контрольный ротор такой массы возможно путём масштабирования размеров ротора с массой Мр контр = 2,2 кг, указанных в

[12]. С учётом приведенной на рисунке 1 зависимости и нормального закона рассеяния (закон Гаусса) [15], находим, что оптимальная масса контрольного ротора должна находиться в диапазоне 1,2 < МР коНТР опТ < 2,2 и равна

мр контр опт ~ 1>9 кг.

I_ д _в

Рис. 2. Схема контрольного ротора консольного типа

В [12] сделано допущение, что положение центра масс Уа может быть изменено при условии, что центр масс останется на консольной части ротора и сохранятся положения отверстий N между опорами. Однако, как следует из проведенных авторами экспериментов, для максимального приближения к реальным условиям испытаний, оптимальное расположение центра масс контрольного ротора должно соответствовать испытываемому ротору. Поэтому при разработке контрольного ротора необходимо учитывать фактические положения центров масс роторов Уа, которые предстоит балансировать на выбранном балансировочном станке, в рассматриваемом случае, ВМ-010.

ВЫВОДЫ

Из изложенного выше следует, что при выборе оборудования для балансировки роторов энергетических машин нужно рассмотреть весь перечень роторов изготавливаемых предприятием, учесть наибольшую и наименьшую массу, тип, размеры и требуемую точность балансировки роторов. При этом, чем уже будет диапазон масс балансируемых роторов ДМР = МР тах -МР т;„, тем большей будет точность балансировочного станка. Однако, следует избегать балансировки в крайних диапазонах масс, так как при этом возрастёт погрешность и снизится точность результатов.

Для балансировки высокооборотных роторов энергетических машин рекомендуется использовать балансировочные станки с меньшим охватываемым диапазоном масс, учитывая приведенные на рисунке 1 пределы масс роторов для разных станков.

Предложен критерий, по которому определена оптимальная масса контрольного ротора для проверки выбранного, в рассматриваемом случае, балансировочного станка ВМ-010. Данная масса будет находиться

в диапазоне 1,2 < mр контр опт < 2,2, и равна

1,9 кг. При разработке контрольного ротора нужно учитывать фактическое положение центров масс роторов энергетических машин, которые предстоит балансировать.

Литература

1. Теория и конструкция балансировочных машин / Под ред. В.А. Щепетильникова. - М.: МАШГИЗ, 1963. -444 с.

2. Уравновешивание роторов и механизмов: [Сб. статей] / Под ред. В.А. Щепетильникова. - М.: Машиностроение, 1978. - 320 с.

3. Левит М.Е., Максименко А.И. Повышение эффективности балансировки роторов. В сб.: "Колебания и балансировка роторных систем". Под ред. канд. техн. наук А.А. Гусарова. М., "Наука", 1974, с. 69-76.

4. Основы балансировочной техники. Том 2. М., "Машиностроение", 1975, с. 179-252.

5. Балансировка деталей и узлов / М.Е. Левит, В.М. Рыженков. - М.: Машиностроение, 1986. - 248 с.

6. Патент Ш №2010101771, Е04Б 29/66, 2011 г.

7. Патент Ш №2428651, Б42Б 10/60, 2011 г.

8. Патент Ш №2419773, 001М 1/00, 2011 г.

9. Патент Ш №2503935, 001М 1/34, 2014 г.

10. ГОСТ 19534-74. Балансировка вращающихся тел. Термины. - М., 1974. - 47с.

11. ОСТ 92-4255-85. Роторы агрегатов подачи. Статическая и динамическая балансировка.

12. ГОСТ 20076-2007. Вибрация. Станки балансировочные. Характеристики и методы их проверки.

13. Руководство по эксплуатации ВМ 010С-2.004.000 РЭ. Балансировочный станок модели ВМ 010 с виброизмерительным прибором "Сапфир-2". - М., 2012. - 56 с.

14. ГОСТ 19534-74. Балансировка вращающихся тел. Термины.

15. Допуски и посадки. Справочник. В 2-х ч. / В.Д. Мягков, М.А. Палей, А.Б. Романов, В.А. Брагинский. - 6-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1983. Ч. 2. - 448 с.

ОАО "ВПК"Научно производственное объединение машиностроения"- конструкторское бюро "Орион", г. Уфа

Уфимский государственный авиационный технический университет

CHOICE OPTIMIZATION AND USING BALANCING EQUIPMENT FOR MAKING MODERN ENERGY TRANSFORMATING MACHINES' ROTORS

A.F. Ivashin, I.A. Krivosheev, E.V. Osipov

We have analyzed the findings and given some recommendations how to choose balancing equipment for making modern energy transforming machines' rotors. We have suggested defining the optimal mass of the reference and taring rotor taking as a sample a balancing machine BM-010

Key-words: an energy transforming machine, a turbine rotor, balancing adjustment, optimization