РОТОР С КОМПЕНСАТОРОМ ДИСБАЛАНСА
ROTOR WITH OUT-OF-BALANCE COMPENSATOR

Изобретение относится к балансировочной технике в общем машиностроении и, в частности, может быть использовано для балансировки роторов турбомашин.
При работе турбомашины из-за дисбаланса вращающихся частей всегда возникают вибрации ротора, которые существенно снижают коэффициент трения и могут приводить к смещению балансировочных грузов от положения, выбранного при балансировке ротора.
На ротор и балансировочные грузы, кроме всего прочего, воздействуют значительные аэродинамические силы от перемешивания воздуха в турбомашине.
К смещению балансировочных грузов также могут приводить различные температурные расширения грузов и колеса, выполненных из различных материалов.
Установлено, что уравновешивание вращающихся частей машин посредством добавления корректирующих грузов позволяет уменьшить нагрузки на подшипники машин и таким образом повысить их ресурс. Это особенно важно для высокооборотных машин и двигателей, когда сброс/приемистость оборотов ротора во время работы достигает несколько тысяч оборотов в секунду.
Известно устройство (авт. свид. СССР №200857, F16F 15/32, 09.04.1966), содержащее груз в форме сегмента со стопорной пластиной, установленной в проточку диска ротора, где цилиндрический выступ пластины входит в отверстие, имеющееся в бурте диска ротора с радиальными и окружными пазами. Однако в отверстиях на бурте диска, служащих для постановки контровок и являющихся концентраторами напряжений, после определенного времени работы в диапазоне высоких центробежных сил, температур и вибраций возникают трещины, приводящие к разрушениям дисков и авариям с тяжелыми последствиями.
Известна роторная машина (патент США №8 177 487, F01D 25/04, 04.05.2009 и его аналог - патент РФ №2010 117 015, F01С 1/00, 30.04.2010), содержащая вращающуюся часть с кольцевой канавкой и балансировочный груз. Канавка имеет основание и боковые наклонные стороны, сходящиеся друг к другу от основания с образованием проема.
Балансировочный груз имеет корпус с наклонными сторонами и расположен в указанной канавке с возможностью перемещения в окружном направлении при взаимодействия наклонных сторон груза с наклонными сторонами канавки. Балансировочный груз закреплен в канавке резьбовыми стопорами.
Установка позволяет бесступенчато балансировать роторную машину. Однако в условиях воздействия на ротор и груз пульсирующих нагрузок надежность крепления балансировочного груза резьбовыми стопорами недостаточна.
Наиболее близким из известных устройств по технической сущности и достигаемому результату является устройство компенсации дисбаланса колеса, содержащее балансировочный груз, выполненный в виде сегмента и устанавливаемый в проточку диска ротора с радиальными и окружными пазами (авт. свид. СССР №624130, G01М 1/32, 09.03.1977). Груз выполнен с буртом для закрепления его в окружном пазу и с радиальными выступами, размеры и расположение которых соответствует размерам и расположениям радиальных пазов. Изобретение повышает надежность и срок службы диска. Однако при односторонней установке груза в канавке, когда сброс/приемистость оборотов ротора во время работы достигает несколько тысяч оборотов в секунду, надежность крепления груза значительно снижается.
Предложенное изобретение решает следующие задачи:
- упрощение и удешевление балансировки ротора;
- уменьшение нагрузки на подшипники ротора турбомашины за счет повышения точности и стабильности балансировки колеса;
- повышение надежности крепления балансировочного груза в колесе и срока службы колеса турбомашины.
Поставленные задачи решаются тем, что ротор с компенсатором дисбаланса содержит, например, рабочее колесо ступени турбомашины и компенсатор дисбаланса колеса в виде балансировочного груза. Балансировочный груз выполнен в форме сегмента со стопорным элементом. Колесо имеет, по меньшей мере, с одной стороны в теле выемку с кольцевым внешним поднутрением, а снаружи напротив поднутрения по торцу колеса кольцевой выступ с пазами. Причем сегмент внешней поверхностью установлен во внешнем поднутрении выемки колеса и зафиксирован отгибом стопорного элемента в паз выступа.
В соответствии с изобретением:
- внешняя поверхность сегмента выполнена конической, соосной продольной оси колеса, расширяющейся в сторону тела колеса;
- внутренняя поверхность сегмента в поперечном сечении изготовлена торообразной;
- стопорный элемент сегмента выполнен в виде отгибной лапки;
- выемка колеса дополнительно имеет кольцевое внутреннее поднутрение с наружным буртом, концентричное кольцевому внешнему поднутрению, причем сегмент внутренней поверхностью установлен во внутреннем поднутрении выемки;
- кольцевые поверхности внешнего и внутреннего поднутрений выемки колеса соответственно конгруэнтны круговым внешней и внутренней поверхностям сегмента;
- пазы размещены извне наружного выступа внешнего поднутрения выемки;
- отгибная лапка расположена на свободной стенке сегмента под наружным кольцевым выступом колеса и зафиксирована на последнем с осуществлением деформации лапки в паз.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, так как:
- выполнение внешней поверхности сегмента конической, соосной продольной оси ротора, расширяющейся в сторону тела колеса, и расположение сегмента внешней поверхностью в идентичном внешнем поднутрении колеса обеспечивает при работе турбомашины надежное дополнительное соединение сегмента с колесом за счет большой силы трения, возникающей на сопряженных поверхностях от действия центробежных сил. Это позволяет избежать смещения сегмента (груза) в процессе эксплуатации высокооборотных турбомашин и тем самым предотвратить их разбалансировку, а следовательно, и, как минимум, дорогой внеплановый ремонт;
- изготовление внутренней поверхности сегмента в поперечном сечении торообразной и расположение сегмента этой поверхностью во внутреннем поднутрении выемки колеса исключает выпадение сегмента из внутреннего поднутрения выемки в неподвижном состоянии турбомашины, что улучшает надежность крепления балансировочного груза в колесе, повышает точность и стабильность балансировки колеса и уменьшает при работе турбомашины нагрузки на подшипники ротора;
- выполнение стопорного элемента сегмента в виде отгибной лапки дополнительно повышает надежность фиксации балансировочного груза в колесе за счет прижатия отгибной лапки к поверхности паза центробежными силами, возникающими при работе турбомашины;
- выполнение кольцевых поверхностей внешнего и внутреннего поднутрений выемки колеса соответственно конгруэнтными круговым внешней и внутренней поверхностям сегмента обеспечивает повышение точности установки груза в колесе и стабильности балансировки колеса;
- размещение пазов извне наружного выступа внешнего поднутрения выемки позволяет обеспечить доступ к установке балансировочных грузов в колесе и креплению лапок грузов в пазах без снятия ротора с балансировочного станка;
- расположение отгибной лапки на свободной стенке сегмента под наружным кольцевым выступом колеса и фиксирование ее на выступе с осуществлением деформации лапки в паз дополнительно обеспечивает упрощение и удешевление балансировки ротора без снятия его с балансировочного станка.
Развитие совокупности существенных признаков изобретения для частных случаев его выполнения дано далее.
Расположение оси каждого паза в плоскости продольной оси колеса под острым углом к последней может обеспечивать равномерное расположение лапки при деформации в пазу без нагружения сегмента во внешнем и внутреннем поднутрениях колеса.
Поверхность каждого паза может быть выполнена в виде части торовой, конической или цилиндрической поверхностей. Форма паза определяется конструкцией и быстроходностью ротора и обеспечивает плавность деформации лапки груза в паз колеса без трещинообразования.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:
- упрощена и удешевлена балансировка ротора;
- уменьшена нагрузка на подшипники ротора и повышена быстроходность турбомашины за счет повышения точности и стабильности балансировки колеса;
- повышены надежность крепления балансировочного груза в колесе и срок службы колеса турбомашины.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции и работы ротора турбомашины с компенсатором дисбаланса на фиг.1-6, где:
на фиг.1 изображено продольное сечение колеса, содержащего балансировочный груз, установленный во внешнем и внутреннем поднутрениях выемки колеса;
на фиг.2 - балансировочный груз в сечении до установки в колесо;
на фиг.3 - вид на балансировочный груз со стороны отгибной лапки;
на фиг.4 - вид на тыльную сторону колеса с пазами, размещенными извне наружного выступа внешнего и паза внутреннего поднутрений;
на фиг.5 - сечение груза, установленного в поднутрении выемки колеса и зафиксированного от смещения деформацией отгибной лапки в паз наружного выступа внешнего поднутрения выемки колеса;
на фиг.6 - вид на вариант доработки по массе балансировочного груза.
Ротор с компенсатором дисбаланса, изображенный на фиг.1, содержит, например, рабочее колесо 1 ступени турбомашины и компенсатор дисбаланса колеса в виде балансировочного груза 2. Груз 2 (см. фиг.2, 3) выполнен в форме сегмента со стопорным элементом 3. Колесо 1 имеет, по меньшей мере, с одной стороны в теле выемку 4 с кольцевым внешним поднутрением 5, а снаружи напротив поднутрения 5 по торцу колеса - кольцевой выступ 6 с пазами 7 (см. фиг.4). Причем сегмент 2 внешней поверхностью 8 установлен во внешнем поднутрении 5 выемки 4 колеса 1 и зафиксирован отгибом стопорного элемента 3 в паз 7 выступа 6. Внешняя поверхность 8 сегмента 2 выполнена конической, соосной продольной оси колеса 1, расширяющейся в сторону тела колеса. Внутренняя поверхность 9 сегмента 2 в поперечном сечении изготовлена торообразной. Стопорный элемент 3 сегмента 2 выполнен в виде отгибной лапки. Выемка 4 колеса 1 дополнительно имеет (см. фиг.1, 5) кольцевое внутреннее поднутрение 10 с наружным буртом 11, концентричное кольцевому внешнему поднутрению 5. Причем сегмент 2 внутренней поверхностью 9 установлен во внутреннем поднутрении 10 выемки 4. Кольцевые поверхности внешнего 5 и внутреннего 10 поднутрений выемки 4 колеса 1 соответственно конгруэнтны (см. фиг.2) внешней 8 и внутренней 9 поверхностям сегмента 2. Пазы 7 размещены (см. фиг.4) извне наружного выступа 6 внешнего поднутрения 5 выемки 4. При этом отгибная лапка 3 расположена на свободной стенке сегмента 2 под наружным кольцевым выступом 6 колеса 1 и зафиксирована на последнем с осуществлением деформации лапки 3 в паз 7. Ось каждого паза 7 расположена в плоскости продольной оси колеса 1 под углом к последней (не показано). Поверхность каждого паза 7 может быть выполнена в виде части торовой, конической или цилиндрической поверхности, что определяется конструкцией и быстроходностью ротора турбомашины.
Для установки балансировочных грузов (сегментов) 2 в поднутрения 5 и 10 выемки 4 на наружном бурте 11 поднутрения 10 имеется радиальный паз 12 (см. фиг.5).
Грузы (сегменты) 2 изготавливаются, например, точением колец из материалов различной плотности, например алюминия, титана, стали и других материалов, и вырезаются по ширине, равными или меньшими по размерам ширины паза 12 в бурте 11.
Ротор устанавливают на балансировочный станок. Подобранные по массе один или несколько грузов 2 (из наборов различной плотности) через паз 12 (см. фиг.5) устанавливают в кольцевую выемку 4 колеса 1, образованную кольцевыми внешним 5 и внутренним 10 поднутрениями и перемещают в окружном направлении до места, определенного на балансировочном станке до постановки груза 2. Затем лапка 3 груза 2 частично деформируется с фиксацией в паз 7 выступа 6 (см. фиг.4) с возможностью, в случае необходимости, скорректировать массу груза 2 и его угловое местоположение.
После достижения необходимой величины дисбаланса рабочего колеса лапка 3 окончательно деформируется до контакта с поверхностью паза 7 в кольцевом выступе 6.
В случае невозможности подбора груза 2 необходимой массы можно установить на колесо 1 диаметрально противоположно два груза другой массы с разницей в массе, равной необходимой, например, алюминиевый, титановый или стальной груз 2. Кроме того, необходимую массу груза 2 можно получить за счет его доработки снятием лишнего материала, например, как показано на фиг.6.
Подбор необходимого груза 2 выполняется без снятия ротора с балансировочного станка.
При работе турбомашины груз 2 своей конической внешней поверхностью 8 контактирует со скольжением с конической поверхностью внешнего поднутрения 5 выемки 4 диска 1 и надежно поджимается центробежными силами своими конгруэнтными поверхностями к поверхностям выемки 4 колеса 1. Это в совокупности с фиксацией груза 2 деформацией лапки 3 в паз 7 при воздействии на лапку 3 центробежных сил позволяет надежно крепить балансировочный груз 2 на колесе 1 в окружном направлении при сбросе/приемистости оборотов ротора во время эксплуатации в составе, например, высокооборотного авиадвигателя, где сброс/приемистость достигают несколько тысяч оборотов в секунду.