книги из ГПНТБ / Куинджи А.А. Автоматическое уравновешивание роторов быстроходных машин

гибов вообще не влияет. Исходя из этих принципиальных сооб­ ражений, А. Мельдаль предлагает следующую методику балан­

ортогональности уравновешенность на первых критических обо­ ротах не нарушится. Затем переходят к следующим критическим оборотам и т. д.

Поскольку динамический прогиб ротора на любых произволь

•пых оборотах может быть представлен как сумма прогибов на критических режимах, умноженных на коэффициент, зависящий от числа оборотов, то ротор, уравновешенный на всех критиче­ ских оборотах, будет вести себя как уравновешенный на любых оборотах. Практически достаточно уравновесить ротор, имеющий п масс, на (я+1) критических скоростях, чтобы он вел себя как уравновешенный во всем рабочем диапазоне оборотов.

Идеи А. Мельдаля легли в основу многих последующих раз­ работок методов балансировки гибких и быстроходных роторов.

Вопросам теории и практики балансировки гибких и быстро­ ходных роторов посвящены работы [19, 18, 56, 10, 30, 31 и др.].

Теоретически метод уравновешивания по собственным фор­ мам прогиба предполагает устранение всех резонансных режи­ мов в рабочем диапазоне, но на практике при использовании это­ го метода встречается ряд трудностей.

Чтобы определить собственные формы колебаний расчетным путем, нужно знать параметры системы: жесткость ротора, опор

19

и подшипников, массы элементов и т. д., что весьма затрудни­ тельно. Экспериментально определить собственные формы также не представляется возможным, поскольку формы прогиба рото­ ра при вынужденных колебаниях, как правило, не совпадают с собственными формами колебаний.

Метод уравновешивания роторов по собственным формам колебаний принципиально неприменим для роторов, на которых установка балансировочных грузов по всей длине не представ­ ляется возможной.

деленная строго по одной из собственных форм, не изменяет неуравновешенность, распределенную, по другим собственным формам колебаний. Между тем, это условие не выполняется, если грузы возможно устанавливать только на определенном участке по длине ротора.

Роторы ряда турбомашин, в том числе и авиационных ГТД, сложной барабанной конструкции нередко являются нелинейны­ ми системами с нестабильными характеристиками. Это обстоя­ тельство еще более усложняет применение для них метода ба­ лансировки по собственным формам колебаний, поскольку он теоретически применим лишь для линейных систем.

Метод балансировки по собственным формам колебаний ро­ торов предполагает, что ротор на резонансном режиме имеет плоскую форму упругой линии.

Как показали в своих исследованиях Б. С. Стечкин, А. Н. Огу­ речников и Я. Г. Пановко, для линейных систем справедлив постулат Видлера, который гласит: если линейная система с ли­ нейной силой трения возбуждается и возбуждающие силы малы по сравнению с силами инерции, тогда система движется на резонансном режиме так же, как п при свободных колебаниях, т. е. на резонансном режиме упругая линия лежит в одной пло­ скости.

Судя по экспериментальным данным, полученным при иссле­ довании ряда роторов авиационных ГТД в М АИ , поведение упру­ гой линии ротора простой конструкции достаточно хорошо согла­ суется с этими выводами, в то время как упругая линия некоторых составных роторов барабанной конструкции имеет простран­ ственную форму на всех режимах, включая и резонансный (рис. 9). Это можно объяснить сложностью и нестабильностью конструкции ротора, которая приводит к перераспределению

масс в работе.

Таким образом, балансировка по собственным формам про­ гиба роторов турбомашин сложной конструкции нередко являет­ ся весьма затруднительной.

Идея А. Мельдаля и экспериментальные данные по исследо­ ванию роторов авиационных ГТД, полученные в М АИ , послужи­

20

ли основой при разработке метода уравновешивания роторов

ГТД по их реальным формам прогибов.

Метод М АИ разработан для уравновешивания таких роторов ГТД, У которых в рабочем диапазоне появляются заметные про­

гибы.

Рис. 9. Эпюры прогибов на резонансных режимах роторов разлнчных двигателей:

3. ИССЛЕДОВАНИЯ НА ВАКУУМНОМ СТЕНДЕ МАИ

Перечисленные теоретические и экспериментальные данные по исследованию быстроходных роторов послужили основой при разработке методики и стенда для уравновешивания роторов

ГТД по их реальным формам прогибов в'о всем диапазоне обо­ ротов.

Для вращения роторов компрессоров и турбин современных турбомашин с рабочей скоростью при нормальном атмосферном давлении требуется мощность ,до 50— 100 тыс. л. с. (36,8— 73,6 мВт). Раскрутка таких роторов в вакуумной камере при давлении 1—5 мм рт. ст. (133—665 Па) может быть произве­ дена при мощности, в 500— 1000 раз меньшей. Поэтому основой балансировочного стенда М АИ является вакуумная камера.

О П И С А Н И Е С Т Е Н Д А М АИ

Стенд состоит из следующих систем: вакуумной, системы при­ вода, системы смазки и измерительной.

Вакуумная камера, в которой помещается исследуемый ро­ тор, может быть различной конструкции. Для ряда роторов мож­ но не делать вакуумной камеры, а, предусмотрев необходимые уплотнения, создать вакуум в корпусе ротора. Так, например, при исследовании вибраций ротора компрессора двигателя ВК-1 вакуумной камерой успешно служил корпус компрессора, снаб­ женный тремя уплотняющими дисками, уплотнением манжетно­ го типа на валу компрессора и заглушками на патрубках

(рис. 10).

21

Но иногда вопрос об уплотнении корпуса не удается решить с достаточной надежностью и целесообразным становится созда­ ние специальной вакуумной камеры. Для исследований вибра­ ций осевых компрессоров различного типа вакуумная камера вы­ полнена в виде самостоятельной конструкции. Камера представ­ ляет собой стальной цилиндр, закрывающийся с торцов дисками (рис. 11). В переднем диске имеется корпус манжетного уплот-

Рис. 10. Схема вакуумном установка на базе двигателя ВК-1:

ная система

нения, которое создает герметичность на валике привода. Кпоме этого, в диске предусмотрен люк для установки балансировоч­ ных грузов. Диск .крепится к фланцу камеры болтами. Гермети­ зация в этом соединении достигается прокладкой жгута из ва­ куумной резины диаметром 2—3 мм. На заднем диске установ­ лен специальный кок, через который выводят все электрические коммуникации, маслопроводы, и к нему же присоединяются трубопроводы от вакуумных насосов. Кроме зтого, :в самом дис­ ке имеется отверстие для откачивающей магистрали масляной системы.

По наружной поверхности камеры расположено, несколько силовых стрингеров, связанных косынками. Конструкция двух боковых стрингеров усилена косынками, на них укреплены че­ тыре установочные цапфы, которыми камера крепится к раме, установленной на фундаментной плите. Внутри камеры прива­ рены два кольцевых шпангоута, на которых через переходные кольца или опоры устанавливается исследуемый ротор. Выбор способа крепления ротора в камере обусловлен требованием совпадения частотных характеристик системы — исследуемый ротор и вакуумная камера с частотной характеристикой, полу­ ченной при натурных стендовых испытаниях полностью собран­

22

ной турбомашнны. В камере имеется люк для быстрого доступа к ротору при размещении балансировочных грузов и несколько десятков отверстий для установки емкостных датчиков. При проектировании камеры необходимо произвести проверочные расчеты на прочность и устойчивость.

Вакуумная система предназначена для ооздания и поддержа­ ния необходимого разрежения в вакуумной камере. Эта дель достигается созданием простых и надежных уплотнений на всех разъемах и люках камеры, во всех вакуумных магистралях и

пакеты манжетных уплотнений. Кроме этого, необходимо по воз­ можности меньше устанавливать в рабочем объеме узлы, дета­ ли и магистрали из материалов, выделяющих газ в вакууме (ре­ зина, хлорвинил, пластолит, эбонит, электрические провода во всех видах изоляции и т. п.), так как большое количество выде­

трубопроводов установлены шланги из вакуумной резины. Для создания разрежения в рабочем объеме используются форвакуумные насосы типа ВН-1, позволяющие получить в рабочем

23

объеме величиной 2,5 м3 разрежение порядка 1—2 мм рт. ст. (133—266 Па) за 3—5 мин.

Система привода предназначена для раскрутки ротора до рабочей скорости. В системе предусмотрена регулировка време-

Рис. 12. Принципиальная схема вакуумного балансировочного стенда

ные емкостные датчики

ни выхода на максимальные обороты. Включением электродви­ гателя 3 (рис. 12) системы привода и выводом пускового реоста­ та 4 производится плавный набор оборотов. Для тонкой регули­

24

ровки оборотов имеется шунтовой реостат 5. Электродвигатель соединен с ротором через мультипликатор 2 и обгонную муфту. Последняя необходима для исключения влияния системы приво­ да на колебания исследуемого ротора.

Система смазки состоит из двух автономных циркуляцион­ ных систем. Первая предназначена для смазки подшипников, расположенных в зоне нормального атмосферного давления; вторая — для смазки подшипников, расположенных в зоне раз­ режения (в вакуумной камере).

В первой системе (см. рис. 12) имеется двухступенчатый масляный насос 26, в который поступает масло из бака 24 через кран 25. Из нагнетающей ступени насоса масло через фильтр 29 подается к подшипникам. Для регулировки рабочего давления масла имеется редукционный клапан 28. Откачивающая ступень насоса подает масло из сливных полостей обслуживаемых меха­ низмов через радиатор 30 в расходный бак 24.

Особенностью второй масляной системы является смазка и охлаждение подшипников, находящихся в зоне разрежения. Вы­ бор схемы маслосистемы и типа смазки, способной работать в таких условиях, представляет серьезные затруднения. В резуль­ тате исследований была выбрана схема, представленная на рис. 12, и тип смазки — смазка № 6 на силиконовой основе.

Во второй системе применен одноступенчатый насос 33, по­ дающий смазку к подшипникам ротора. Из расходного бака 31 смазка поступает на вход насоса и затем,- пройдя под давлением

мотеком.

В случае 'внезапного прекращения работы второй масляной системы включается аварийная система, позволяющая удовлет­ ворительно смазать и охладить подшипники во время вынуж­ денной остановки основной масляной риетемы. Аварийная система работает следующим образом: сжатый воздух, устремля­ ясь из баллона 40 в бак 41, выталкивает находящуюся там смаз­ ку через фильтр 42 и обратный клапан 36 к подшипникам.

Вся измерительная аппаратура, применяемая на вакуумном стенде, делится на две самостоятельные группы. К первой'груп­ пе относится аппаратура, измеряющая и регистрирующая ам­ плитуду вибраций: вибродатчики 6 и 7 сейсмического типа, стрелочные индикаторы вибраций 21 типа СИВ-3 и шлейфовый осциллограф 22\ аппаратура, регистрирующая изменение ампли­ туды и фазы прогиба ротора: емкостные датчики 16, предвари­ тельные усилители 17, усиливающие сигнал с емкостных датчи­ ков, электронные осциллографы 18. К этой же группе относятся датчики и указатели числа оборотов ротора.

25

Ко второй группе относится вся измерительная аппаратура, позволяющая осуществлять контроль за работой всех систем установки: вакуумной, привода, смазки. Приборы этой группы представляют собой стандартные манометры, термометры, ва­ куумметры, вольтметры и амперметры.

Измерение и регистрация величины вибрации, а также про­ верка и тарировка этой аппаратуры выполняются по общепри­ нятым методикам. Поэтому остановимся лишь на описании ра­ боты емкостной измерительной аппаратуры, служащей для из­ мерения амплитуды и фазы прогиба ротора.

Рассмотрим, как работает измеритель прогибов ИП-1.

Рис. 13. Блок-схема емкостной аппаратуры для измерения прогиба:

/—емкостный датчик ступени; 2—емкостный датчик отметчика масла; 3—усилитель ступени; •/—усилитель отметчика; 5—»электронный осциллограф

Измеритель прогибов предназначен для измерения переме­ щений ротора и их регистрации во всем диапазоне рабочих оборотов. Определение прогиба ротора производится графоана­ литическим способом путем сопоставления трех или более ос­ циллограмм перемещений ротора в нескольких плоскостях. Блоксхема аппаратуры представлена на рис. 13.

Емкостные датчики 1 устанавливаются в нескольких поясах вращения исследуемого ротора, против лопаток ступеней. Дат­ чики с помощью микрометрических устройств могут переме­ щаться по направлению к оси ротора, что необходимо для тари­ ровки аппаратуры.

При вращении ротора лопатки ступени, проходя мимо дат­ чика, изменяют его емкость. Эти изменения преобразуются в пе­ ременное напряжение, которое усиливается усилителем 3 и по­ дается на вход электронного осциллографа 5.

Для определения направления прогиба используется допол­ нительный емкостный датчик 2, называемый отметчиком места. На валу ротора устанавливается металлический шип, в плоско­ сти вращения которого находится датчик отметки нуля. При вращении ротора, в момент прохождения шипа мимо датчика, на выходе усилителя отметки нуля 4 образуется импульс напряже­ ния, который подается также на модулирующий электрод элек­ тронного осциллографа. Одновременно импульс отметки нуля ис­

26

пользуется при 'Синхронизации развертки осциллографа, что позволяет получить устойчивое изображение осциллограммы, показанной на рис. 14.

Эта осциллограмма дает возможность судить о поведении ступени в целом на разных режимах работы и о состоянии каж-

Рпс. 14. Фотографии осциллограмм, полученных при помощи емкостной аппаратуры:

а—прогиб существует; б—нет прогиба

дой лопатки (вытяжка лопаток, разброс по длине и т. д.). Н а­ правление перемещения ротора отсчитывается непосредственно по экрану осциллографа, а оценка величины прогиба произво­ дится по значению коэффициента модуляции.

Тарировка измерителя производится на малых оборотах с помощью микрометрического устройства и заключается в опре­ делении зависимости амплитуды осциллограммы на экране ос­

27

циллографа от величины зазора между датчиком и торцами лопаток на стенде. Так как коэффициент модуляции не зависит от скорости вращения ротора, тарировка, проведенная на малых оборотах, будет справедлива во всем диапазоне скоростей.

Рассмотрим работу емкостного датчика.

Рис. 15. Схема преобразователя:

/—датчик; 2—лопатка ступени компрессора

На рис. 15 представлена эквивалентная схема, представляю­ щая собой R C цепочку, в которой напряжение на конденсаторе U с связано с изменением емкости Сд уравнением:

d t

где

к= a t = — ;

ткпг

Слаб — емкость соединительного кабеля; Сдщах— максимальная емкость датчика;

а— толщина лопатки;

п— скорость вращения ротора;

г— радиус ступени ротора с лопатками.

Подставляя в выражение (24) значение t= т, получим вели­ чину амплитудного значения напряжения, развиваемого датчи­ ком :

Анализ последнего выражения позволяет сделать следующие выводы.

28