CC BY
58
УДК 62.251:608.2
ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИЧЕСКОЙ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ
ТУРБОНАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Д. С. Швецова, Т. А. Королёва Научный руководитель - В. П. Назаров
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: darya.shvetsova@yandex.ru
Рассмотрены особенности динамической балансировки роторов турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей, а также предложено направление усовершенствования существующих методов балансировки.
Ключевые слова: турбонасосные агрегаты, дисбаланс, неуравновешенность, балансировочное оборудование, устранение дисбаланса, снятие металла.
PARTICULARITIES OF THE DYNAMIC BALANCING OF ROTORS OF TURBOPUMP UNITS IN LIQUID ROCKET ENGINE
D. S. Shvetsova, T. A. Korolyova Scientific Supervisor - V. P. Nazarov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: darya.shvetsova@yandex.ru
The paper deals with the particularities of the dynamic balancing in liquid rocket engine. We proposed the way to improve existing methods of the balancing.
Keywords: turbopump units, disbalance, lack of balance, balancing equipment, removal of disbalance, cutting of metal
Турбонасосные агрегаты современных жидкостных ракетных двигателей являются высо-конагруженными энергетическими узлами. Их основной задачей является стабильная подача компонентов топлива в камеру сгорания на всех режимах работы двигателя и при всех условиях полета летательного аппарата. В современных двигателях частота вращения ротора турбонасос-ного агрегата превышает 20 000 об/мин. Несовпадение центра масс с осью вращения ротора вызывает при вращении появление вибрационных нагрузок, кратных частоте вращения. Эти нагрузки снижают долговечность подшипников и могут привести к разрушению всего двигателя при определенной величине дисбалансов.
В технологии производства турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей процесс определения значений и углов дисбалансов ротора и уменьшения величины неуравновешенной массы называют балансировкой ротора. На практике в производстве ТНА применяется два вида балансировки. Статическая - заключается в использовании комплекса технологических операций по определению места и установки балансировочных грузов с целью уменьшения главного вектора дисбалансов невращающегося ротора с определением массы балансировочного груза. После статической проводится динамическая балансировка. Статическую балансировку ротора ТНА в сборе не проводят, так как при этом не выявляется моментная неуравновешенность ротора с деталями, распределенными в осевом направлении. Окончательная, динамическая, балансировка основана на установлении взаимосвязи реакций в опорах вращающегося ротора с дисбалансом масс и включает целый ряд операций, конечная цель которых заключается
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
в определении положения и массы балансировочных грузов, в их удалении с целью уменьшения дисбаланса до регламентируемого технической документацией [1].
Процесс динамической балансировки состоит из двух основных этапов:
- измерение дисбаланса;
- устранение дисбаланса с заданной точностью путем корректировки масс.
В зависимости от конструкции ротора, заданной точности его балансировки, применяемого оборудования и многих других факторов используют различные методы балансировки.
Многоплоскостная балансировка является основным способом динамической балансировки многомассовых упругодеформируемых роторов ТНА. Дисбалансы ротора при этом уменьшают в нескольких (более двух) плоскостях коррекции.
При балансировке жестких роторов, масса которых ограниченно развита вдоль оси вращения, используется уменьшение дисбаланса ротора в двух плоскостях коррекции. К этим роторам относятся роторы в сборе (пакеты ротора) ТНА и бустерных насосных агрегатов различного назначения. Технологически балансировка может выполняться на предварительно настроенных и ненастроенных станках [2].
Современное балансировочное оборудование позволяет весьма значительно снизить дисбаланс ротора, однако с экономической точки зрения чрезмерное завышение требований к качеству балансировки невыгодно. Поэтому решение вопроса - до какой степени целесообразно снизить дисбаланс ротора - должно быть найдено исходя из компромисса между техническими и экономическими требованиями.
Для учета погрешности оценки дисбаланса разработан ГОСТ ИСО 1940-1-2007 [3]. Для сравнения из ГОСТа приведены некоторые примеры (см. таблицу).
Рекомендуемые классы точности балансировки для жестких роторов
Виды машин (роторов) Класс точности балансировки
Приводные коленчатые валы (конструктивно не уравновешенные) на жестких опорах G 250
Детали автомобилей: колеса, колесные диски, колесные пары, трансмиссии G 40
Авиационные газовые турбины G 6.3
Газовые и паровые турбины G 2.5
Гироскопы G 0.4
Принципы определения дисбалансов одинаковы для различных машин, однако, способы их устранения различны. Эти способы делятся на три группы: устранение дисбаланса с увеличением массы ротора, устранение без изменения массы ротора и устранение с уменьшением массы ротора. Для пакетов роторов турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей, как правило, используют механические, электрофизические и электрохимические методы удаления металла. Тогда как в авиации дисбалансы роторов устраняют методом добавления металла.
Для выполнения операций динамической балансировки применяются балансировочные станки - информационные машины для определения центробежных сил или моментов этих сил, действующих на вал ротора.
Существуют станки фирмы Шенк (SCHENCK) из серии HS 10-40, HS 10 Twin. Они позволяют определять и корректировать дисбаланс непосредственно на станке с помощью добавления массы (например, крепление металлических скоб, приварка пластин) или удалением массы (например, высверливание, фрезеровка, шлифовка). Также может быть использовано как ручное, так и полуавтоматическое оборудование для коррекции.
Таким образом, направление развития данных станков состоит в полной автоматизации процесса снятия металла в целях сокращения числа операций в технологических процессах, уменьшения влияния человеческого фактора, а также рационализации использования рабочего пространства в цехах, т. е. чем меньше единиц техники и людей будет задействовано в выполнении одной определенной задачи, тем более компактным будет производство.
Библиографические ссылки
1. Голованова В. В., Резанова М. В., Крушенко Г. Г. Балансировка вращающихся узлов некоторых агрегатов космических аппаратов // Решетневские чтения : материалы XI Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. празднованию 55-летия Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. М. Ф. Решетнева (6-10 апреля 2015 г., Красноярск) : в 2 т. Т. 2. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015.
2. Назаров В. П. Балансировка роторов турбонасосных агрегатов : учеб. пособие / под ред. проф. М. В. Краева ; Сиб. гос. аэрокосмич. акад. Красноярск, 1995. 128 с.
3. ГОСТ ИСО 1940-1-2007. Вибрация. Требования к качеству балансировки жестких роторов. Часть 1. Определение допустимого дисбаланса. М. : Изд-во стандартов, 2007. 22 с.
© Швецова Д. С., Королёва Т. А., 2017
