CC BY
64
Машиностроение и машиноведение
DOI 10.25987/VSTU.2019.15.2.019 УДК 621.828.3 (035)
ПОГРЕШНОСТИ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В.М. Рыженков, В.В. Тихомиров
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
г. Москва, Россия
Аннотация: рассмотрены возможные причины возникновения основных погрешностей балансировки при изготовлении роторных систем газотурбинных двигателей. К ним относятся погрешности от несовмещения установочных баз при сборке роторов и погрешности в технологической системе «станок+оснастка+ротор». Как показывают расчёты, погрешности от несовмещения баз (монтажные дисбалансы) могут многократно превышать допустимые. Измерение биений посадочных мест роторов, расчёт и установка соответствующих корректирующих масс во многих случаях позволяют достаточно точно компенсировать монтажные дисбалансы. Если же достигнутая при этом точность не соответствует техническим требованиям к ротору, то при балансировке следует использовать специальные технологические оправки, а погрешности в системе «станок+оснастка+ротор» определять экспериментально-аналитическими методами. Поверку паспортной точности балансировочного оборудования осуществляют в соответствии с рекомендациями ISO контрольными роторами трёх основных типов. В серийном производстве погрешности оценивают с помощью тарировочных роторов, геометрически и физически подобных выпускаемым. При экспериментальных исследованиях кроме определения дисбалансов следует измерять значения и угловые положения (фазы) биения контрольных поверхностей роторов. Разработанные в результате проведённых исследований рекомендации позволят выявить доминирующие погрешности балансировки, определить и устранить их причины, что без существенных затрат может обеспечить заметное повышение качества выпускаемых двигателей
Ключевые слова: газотурбинный двигатель, определение погрешностей балансировки ротора, уменьшение погрешностей балансировки
Введение
Балансировка - обязательная операция технологического процесса производства деталей, сборочных единиц и роторов двигателей. Технические требования чертежей устанавливают допустимые остаточные дисбалансы, способы коррекции масс и установочные базы при балансировке сборочных единиц и роторов. По объективным, а чаще по субъективным причинам, заданные установочные базы не совпадают с осью ротора в составе роторных каскадов -ротора низкого давления и ротора высокого давления. Несовмещение баз приводит к погрешностям балансировки, назовём которые погрешностями первого рода.
Балансировку выполняют в технологической системе «балансировочный станок+ оснастка+ротор», в которой возникают производственные погрешности [1] - погрешности второго рода. Эти погрешности разделяют на три группы: 1) неточности балансировочного станка; 2) погрешности установки ротора в приспособлении; 3) погрешности установки приспособления на станке.
Погрешности первого рода определяются расчётным способом, а второго рода - экспериментально - аналитическими методами.
1. Погрешности балансировки от несовмещения баз
В газотурбинных двигателях роторы низкого давления состоят из роторов компрессора (КНД) (рис. 1) и турбины (ТНД), соединение которых осуществляется посредством фланцев, по эвольвентным шлицам или с помощью шли-цевого промежуточного вала. На эксплуатационных режимах работы несущими поверхностями этих роторов являются поверхности цапф (или внутренние беговые дорожки подшипников) и профили шлицев. Линии, соединяющие центры этих поверхностей, образуют геометрическую ось ротора. При несовмещении геометрической оси с балансировочной осью возникает погрешность балансировки, называемая монтажным дисбалансом. Его значение зависит от геометрии масс ротора и точности изготовления шлицев. На рис. 2 показано положение несовмещённых геометрической и балансировочной осей ротора.
© Рыженков В.М., Тихомиров В.В., 2019
Рис. 1. Ротор компрессора низкого давления
Эксцентриситет центра масс ротора определяется по формуле:
ест = е 1/Ь, (1)
а угол между осями:
© = е / К (2)
Ротор КНД
Бгш ЦМ
Ротор ТНД
Рис. 2. Несоосность осей роторов низкого давления. А, Б - опоры; ЦМ - центр масс; ГОР - геометрическая ось ротора; БОР - балансировочная ось ротора
Значение и угол монтажных дисбалансов вычисляется по следующим формулам: главный вектор дисбалансов
Dcт = трот ест, (3)
главный момент дисбалансов
= (1э - 1о) ©. (4)
Здесь трот - масса ротора, 1Э, 1О - соответственно экваториальный и полярный моменты инерции ротора.
Рассмотрим пример расчёта монтажных дисбалансов ротора КНД. Исходные данные для расчёта:
масса - 180 кг;
моменты инерции - 14 и 5 кгм2;
расстояние от цапфы до шлицев - 700 мм, расстояние от шлицев до центра масс ротора -230 мм;
допустимый эксцентриситет делительной окружности шлиц Эв.100 х 2,5 х 40 S4 - 0,025 мм (25 мкм);
допустимые остаточные дисбалансы в плоскостях опор - 120 гмм и 255 гмм (класс точности балансировки G3).
В результате расчётов по формулам (1...4) получаем предельно возможные монтажные дисбалансы: DСТ = 3020 гмм, MD = 320000 гмм2, а в плоскостях опор - 1380 гмм и 1570 гмм.
Монтажный дисбаланс может превышать допустимый остаточный во много раз. Но его можно уменьшить расчётным способом. Рассмотрим это на примере ротора ТНД, который балансируют относительно баз (опор) А и Б (рис. 2). Порядок выполнения работ следующий.
1) Измерить значение и фазу радиального биения профиля шлицев А0 относительно контрольной поверхности вала. В качестве такой поверхности выбирается наиболее точная по форме поверхность.
2) Установить ротор на балансировочный станок базами А и Б.
3) Измерить величину и фазу радиального биения контрольной поверхности А1 относительно поверхностей вала А и Б.
4) Вычислить несоосность Д0 и перекос ©0 балансировочной и геометрической осей ротора в плоскости крепления вала к колесу ступени ротора по формулам:
Л0 = 0,5 (А0+А1) [мкм] (5)
00 = Д0 : L х 10-3 [рад.] (6)
Здесь А, А, 0 - векторные величины.
5) Вычислить главный вектор Dcт и главный момент дисбалансов Мд, возникающие от несовмещения геометрической и балансировочной осей ротора ТНД.
6) Вычислить уравновешивающие массы, компенсирующие монтажный дисбаланс, и установить их в плоскостях коррекции.
После компенсации монтажного дисбаланса ротор балансируют до допустимых остаточных дисбалансов и снимают уравновешивающие массы.
Точность этого способа зависит от погрешности измерения величин и фаз биений. В производственных условиях измерение биений поверхностей обычно выполняют по 8-ми рав-норасположенным точкам окружности с погрешностью около 2 мкм. Если расчётный способ компенсации монтажного дисбаланса не удовлетворяет требуемой точности балансировки, то тогда надо балансировать ротор относительно геометрической оси. Для реализации такой балансировки требуется специальная оснастка - шлицевая цанговая оправка, которая устанавливается на шлицы вала и является балансировочной базой ротора.
2. Производственные погрешности балансировки роторов
2.1. Неточности балансировочного станка
Проверку точности балансировочного станка выполняют по рекомендациям ISO 21940-21 с контрольными роторами типа А, В или С и набором контрольных грузов для этих роторов. Основной показатель точности станка - минимально достижимый остаточный дисбаланс, который выражается через удельный дисбаланс в гмм/кг. Его допустимое значение для станков нормальной точности - 0,4 гмм/кг.
Балансировка конкретного ротора ведётся в технологической системе «балансировочный станок+оснастка+ротор». Поэтому неточность станка будет зависеть от погрешностей измерительной системы, системы привода, наличия паразитной массы оснастки и геометрии масс ротора. Значение и угол этой погрешности находится экспериментально-аналитическим способом с помощью тарировочного ротора -одного из серийных роторов, используемого для тарирования технологической системы. Порядок выполнения экспериментальных работ следующий:
1) Сбалансировать тарировочный ротор до допустимых остаточных дисбалансов постановкой временных грузов. Измерить главный вектор DCT ост и главный момент MD ОСТ остаточных дисбалансов.
2) Выключить привод станка, ослабить натяжение приводного ремня. Натянуть приводной ремень, включить привод станка, измерить главный вектор DCTi и главный момент MD дисбалансов.
3) Вычислить изменение показаний главного вектора и главного момента дисбалансов по формулам:
Аю = Dcтl - Dcт ост (7)
Аш = - ост (8)
4) Повторить работы по п. 1.3 четыре раза.
В результате получаем пять векторов статических: Ат , А2; , А3; , А4; , А5; и момент-ных: Аш , А2М , А3М , А4М , А5М дисбалансов.
Неточность балансировочного станка - постоянная, систематическая и случайная производственные погрешности вычисляются по методике анализа точности технологических операций. Отличительная особенность методики для выявления погрешностей балансировки заключается в том, что значение дисбаланса подчиняется закону распределения Рэлея, а угла дисбаланса - закону равной вероятности [2].
Исходные данные для расчёта - допустимый остаточный дисбаланс ротора и экспериментально-расчётные данные.
Порядок расчёта:
1) Найти поле рассеяния значений дисбалансов V = Амакс - Амин.
2) Вычислить дисперсию s1 = Дмин + У/к выборки, где коэффициент к, зависящий от закона распределения параметра. Для закона Рэ-лея при доверительной вероятности 95% он равен 2,45.
3) Вычислить среднее значение погрешности ДСР = 1,256 s1.
4) Вычислить среднее значение БСРт и дисперсию S2 теоретического распределения значения допустимого остаточного дисбаланса. Здесь поле рассеяния равно значению допустимого остаточного дисбаланса ротора.
5) Определить наличие постоянной погрешности по значению коэффициента ц = БСРт - ДСР > 0^2; систематической - по отношению дисперсий S2/ s1 и критерию F- распределения.
2.2. Погрешности установки приспособления на станке
Балансировочные приспособления применяют для соединения со станком балансируемого ротора. Они бывают универсальными и специальными. Первые - приводные валы, роликовые и косовалковые опоры, ленточные ремни и т.п., обычно прилагаются в качестве принадлежностей к станкам заводом-изготовителем.
Специальные приспособления проектируют и изготавливают для конкретной технологической системы. К ним относят: технологические опоры, балансировочные оправки, балан-
сировочные рамки, технологические корпуса и др. [3]. Основное требование к конструкции приспособления - обеспечить заданную точность балансировки ротора. Это требование выдвигает задачи об ожидаемой точности, которую способно обеспечить приспособление, и о точности самого приспособления. При изготовлении элементов приспособления и его сборке возникают производственные погрешности. Поэтому перед вводом в эксплуатацию и периодически эти погрешности необходимо находить экспериментальным путём с помощью тарировочного ротора.
Методика определения погрешностей установки приспособления на станке состоит в следующем.
1) Сбалансировать тарировочный ротор до допустимых остаточных дисбалансов постановкой временных грузов. Измерить главный вектор DCT ОСТ и главный момент MD ОСТ остаточных дисбалансов.
2) Снять приспособление с ротором с опор станка и вновь установить.
3) Натянуть приводной ремень, включить привод станка, измерить главный вектор DCTi и главный момент MD дисбалансов. Сбалансировать ротор до допустимых значений дисбалансов.
4) Вычислить изменение показаний по формулам (7) и (8).
5) Повторить работы по п. 1...4 четыре раза.
В результате получить пять векторов статических: Аш, A2D, A3D, A4D, A5D и моментных: Аш, A2M, A3M, A4M, A5M дисбалансов.
Расчёт погрешностей установки приспособления на станке выполняется в порядке, изложенном в п. 2.1.
2.3. Погрешности установки ротора в приспособлении
В приспособление (балансировочную рамку или технологический корпус) ротор устанавливают на технологические опоры качения или скольжения. Погрешности установки обусловлены точностью геометрии подшипников, перекосом колец, их посадками на вал и в корпус приспособления.
Методика определения погрешностей установки ротора в приспособление аналогична вышеизложенным. Ротор несколько раз снимают и вновь устанавливают в исходное положение в приспособлении и измеряют его дисбалансы. Обработку экспериментальных данных выполняют по методике анализа точности технологических операций (см. п. 2.1).
Отличительная особенность экспериментальных работ состоит в том, что кроме дисбалансов нужно определять величины и фазы биений контрольных поверхностей ротора, находить связь между биениями и дисбалансами и использовать её при монтаже ротора в приспособлении. Например, после перестановки ротора турбины высокого давления (ТВД) на рамке изменение биений составило:
по контрольной поверхности ротора 77 мкм/ 65о,
по роликовому подшипнику 11 мкм/ 23о,
а изменение дисбаланса - 75 гмм/189о. Для ротора компрессора высокого давления (КВД) получены аналогичные результаты: биение контрольной поверхности ротора изменилось на 47 мкм / 32 о, а изменение дисбаланса на 45
гмм/ 88 о.
Коэффициент влияния биения на дисбаланс ротора - отношение изменения дисбаланса к изменению биения и соответственно равен для ротора ТВД - 1,0 гмм/мкм/124о, ротора КВД - 1,0 гмм/мкм/66о.
Примечание: все расчёты выполнены для главного вектора дисбалансов ротора.
3. Результаты экспериментальных работ по определению производственных погрешностей технологических систем «станок+оснастка+ротор»
Производственные погрешности определялись для трёх технологических систем:
A. Вертикальный дорезонансный станок + оправка + рабочее колесо ТВД с параметрами
- минимально достижимый остаточный дисбаланс станка 1,0 гмм/кг;
- допустимый остаточный дисбаланс рабочего колеса не более 500 гмм;
- масса рабочего колеса 91 кг.
Б. Горизонтальный дорезонансный станок + оправка + ротор ТВД с параметрами
- минимально достижимый остаточный дисбаланс станка 0,4 гмм/кг;
- допустимые остаточные дисбалансы ротора ТВД не более 400 гмм (статический) и 200 гмм (моментный);
- масса ротора 200 кг.
B. Горизонтальный зарезонансный станок + (рамка + оправка) + ротор КВД. Параметры системы:
минимально достижимый остаточный дисбаланс станка 0,3 гмм/кг;
допустимые остаточные дисбалансы ротора тВД не более 80 гмм (статический) и 100 гмм (моментный);
масса ротора 41 кг.
Полученные экспериментально-расчётные данные сведены в табл. 1.
таблица 1 Суммарные производственные погрешности балансировки роторов
Сравнение значений суммарных производственных погрешностей с допустимыми остаточными дисбалансами ротора показывает возможность его балансировки дисбалансами в данной технологической системе. Суммарные производственные погрешности технологических систем А и Б превышают допустимые остаточные дисбалансы балансируемых в них роторов.
Доминирующая элементарная погрешность находится как векторная разность последующей и предыдущей погрешностей. Результаты расчётов элементарных погрешностей представлены в табл. 2.
таблица 2
Элементарные производственные погрешности технологических систем
Доминирующими элементарными погрешностями в технологической системе А является установка ротора в приспособлении, в технологической системе Б - установка приспособления на станке, в технологической системе В нет доминирующей погрешности.
Заключение
1. Для уменьшения погрешности балансировки от несовмещения балансировочной оси с геометрической осью ротора рекомендуем компенсировать монтажный дисбаланс до балансировки ротора.
2. Для уменьшения производственных погрешностей балансировки рекомендуем:
2.1. При проектировании технологической системы вычислять ожидаемую точность главного вектора и главного момента балансировки ротора.
2.2. При вводе в эксплуатацию и периодически определять элементарные погрешности экспериментально-аналитическим способом с помощью тарировочного ротора.
3. Окончательный контроль остаточных дисбалансов выполнять после полной разборки и сборки технологической системы.
Литература
1. Левит М.Е., Рыженков В.М. Балансировка деталей и узлов. М.: Машиностроение, 1986. 248 с.
2. Глейзер А.И. Вероятностные аспекты динамики и уравновешивания роторных систем. тольятти: толПИ, 1993. 183 с.
3. Справочник по балансировке/ М.Е. Левит, Ю.А. Агафонов, Л.Д. Вайнгортин и др.; Под общ. ред. М.Е. Левита. М.: Машиностроение, 1993. 464 с.
4. Разработка и внедрение в производство технологии снижения вибраций роторных узлов тВД-1500 и РД-600. Отчёт об ОКР (заключительный) МАИ, 2003. 65 стр., 5 рис., 1 приложение.
5. Исследование причин повышенных вибраций двигателя НК-38Ст и разработка рекомендаций по их устранению. Отчёт об ОКР (заключительный) МАИ, 2012. 25 стр., 3 рис.
№ технологическая Вид погреш- Погрешность
пп система ности Значение, гмм Угол,
1 А Установка ротора в приспособлении 540 243
2 Б Установка приспособления на станке 1095 27
3 В Установка приспособления на станке 85 260
Установка ротора в приспособлении 78 134
№ пп технологическая система Погрешность балансировки, гмм/ о
статическая | моментная
Неточности станка
1 А 126/230 (1,4 гмм/кг) -
2 Б 31/114 (0,16 гмм/кг) 30/44
3 В 17/83 (0,4 гмм/кг) -
Погрешности установки приспособления на станке
4 Б 1125/27 670/272
5 В 70/254 -
Погрешности установки ротора в приспособлении
6 А 664/240 -
7 В 75/189 22/210
Поступила 17.01.2019; принята к публикации 21.03.2019
Информация об авторах
Рыженков Валентин Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры технологии производства двигателей летательных аппаратов, Московский авиационный институт (125993, Россия, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4), тел. +7(985)983-38-33, e-mail: balans@list.ru
Тихомиров Владимир Владимирович - канд. техн. наук, доцент кафедры технологии производства двигателей летательных аппаратов, Московский авиационный институт (125993, Россия, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4), тел. +7(915)342-32-89, e-mail: tihomirov@mai.ru
ERRORS FOR BALANCING ROTORS OF GAS TURBINE ENGINES V.M. Ryzhenkov, V.V. Tikhomirov
Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia
Abstract: the possible causes of the main balancing errors in the manufacture of rotary systems of gas turbine engines are considered. These include errors from the misalignment of the installation bases when assembling rotors and errors in the "machine + rigging + rotor" technological system. As the calculations show, the errors from the misalignment of the bases (mounting imbalances) can be many times higher than the allowable ones. Measurement of the beats of the rotor seats, the calculation and installation of the corresponding corrective masses in many cases can quite accurately compensate for mounting imbalances. If the accuracy achieved at the same time does not meet the technical requirements for the rotor, then when balancing, special technological mandrels should be used, and the errors in the "machine + tooling + rotor" system should be determined by experimental and analytical methods. The verification of passport accuracy of the balancing equipment is carried out in accordance with the ISO recommendations of the control rotors of three main types. In serial production, errors are estimated using calibration rotors that are geometrically and physically similar to those produced. In experimental studies, in addition to determining imbalances, the values and angular positions (phases) of the beating of the control surfaces of the rotors should be measured. The recommendations developed as a result of the research will reveal the dominant balancing errors, identify and eliminate their causes, which, without significant costs, can provide a noticeable improvement in the quality of the engines produced
Key words: gas-turbine engine, definition of errors of rotor balancing, reduction of balancing errors
References
1. Levit M. Ye., Ryzhenkov V. M. "Balancing parts and assemblies" ("Balansirovka detaley i uzlov"), Moscow, Mashinostroenie, 1986, 248 p.
2. Glazer A.I., "Probabilistic aspects of dynamics and balancing of rotary systems" ("Veroyatnostnye aspekty dinamiki i uravnove-shivaniya rotornykh system"), Tolyatti, TolPI, 1993, 183 p.
3. Levit M.E., Agafonov Yu.A., Weingortin L.D. et al., ed. Levit M.E. "Handbook of balancing" ("Spravochnik po balansirovke"), Moscow, Mashinostroenie, 1993, 464 p.
4. "Development and introduction into the production of vibration reduction technology for TVD-1500 and RD-600 rotor assemblies" ("Razrabotka i vnedrenie v proizvodstvo tekhnologii snizheniya vibratsiy rotornykh uzlov TVD-1500 i RD-600"), Report on Experimental Design Work (final) of MAI, 2003, 65 p.
5. "Study of the causes of increased vibration of the NK-38CT engine and development of recommendations for their elimination" ("Issledovanie prichin povyshennykh vibratsiy dvigatelya NK-38ST i razrabotka rekomendatsiy po ikh ustraneniyu"), Report on Experimental Design Work (final) of MAI, 2012, 25 p.
Submitted 17.01.2019; revised 21.03.2019
Information about the authors
Valentin M. Ryzhenkov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Moscow Aviation Institute (4 Volokolamskoe shosse, Mos-cow 125993, Russia), tel. +7 (985) 983-38-33, e-mail: balans@list.ru
Vladimir V. Tikhomirov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Moscow Aviation Institute (4 Volokolamskoe shosse, Mos-cow 125993, Russia), tel. +7 (915) 342-32-89, e-mail: tihomirov@mai.ru
