Файл: Куинджи А.А. Автоматическое уравновешивание роторов быстроходных машин.pdf

Повышение эффективности и точности балансировки имеет смысл лишь тогда, когда ротор способен сохранять в рабочих ус­ ловиях первоначальную уравновешенность. На практике нередко уравновешенность ротора, достигаемая ценой больших усилий, нарушается даже после заводских испытаний.

Причины разбалансировки роторов в рабочих условиях раз­ личны — влияние температурного поля, осевые силы, раскрытие стыков (т. е. нестабильность конструкции), удлинение лопаток н дисков, качка лопаток и т. д. Установить аналитическую зависи­

ротора имеет рациональный выбор конструкции соединения дис­ ков между собой, тщательный подбор материала и посадки дис­ ков, цапф, соединительных колец. В штифтовых соединениях — выбор натягов по штифтам, чистоты поверхности, точности изго­ товления штифта и отверстия. Немаловажное значение имеет од­ нородность материала деталей и так далее.

2. Создание методов и средств уравновешивания роторов на ходу.

Так как установить соотношения между основными и второ­ степенными связями, влияющими на динамику ротора, не пред­ ставляется возможным, а нередко суммарное влияние бесчислен­ ного множества второстепенных связей бывает настолько значи­ тельным, что именно оно и определяет динамику системы, то

64

необходимо разрабатывать такие методы уравновешивания быст­ роходных роторов, при которых будет совершенно безразлично происхождение дисбаланса. Он должен устраняться независимо от причин, вызывающих этот дисбаланс. Причем, так как дисба­ ланс меняется по оборотам и растет в процессе эксплуатации, вновь разрабатываемые методы балансировки должны предус­ матривать возможность уравновешивания роторов на ходу, без остановки машины.

5. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ АВТОМАТИЧЕСКИХ УРАВНОВЕШИВАЮЩИХ

УСТРОЙСТВ И УСТРОЙСТВ С ДИСТАНЦИОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Исследования, проведенные в М АИ , показали, что в процес­ се работы турбомашпны у ротора может нарушиться первона­ чальная уравновешенность, особенно при появлении деформаций в диапазоне рабочих оборотов, что свойственно роторам соЬременных ГТД. По этой причине ротор, уравновешенный на какомлибо одном режиме, может оказаться неуравновешенным во время эксплуатации.

Если разбалансировка ротора происходит медленно и ротор

.по характеру своей работы допускает временные остановки, то его уравновешивание производят обычным образом.

Однако, если дисбаланс быстро растет, а остановка ротора по каким-либо причинам является недопустимой и дальнейшая экс­ плуатация машины грозит катастрофой, то ротор необходимо балансировать на ходу, без его остановки.

Целесообразность балансировки ротора на ходу во время его эксплуатации особенно очевидна в тех случаях, когда остановка ротора связана с большими затратами (например, при переба­ лансировке роторов турбомашин электростанций, где простой ге­ нератора эквивалентен потере электроэнергии и поэтому обхо­ дится очень дорого).

Все это указывает одновременно и на актуальность исследо­ ваний по дистанционному уравновешиванию роторов на ходу. Стремление к снижению размеров и веса роторов, приходящих­ ся на единицу мощности в современных машинах, приводит к увеличению их рабочих скоростей, а это, в свою очередь, расши­ ряет класс машин с гибкими роторами, методы уравновешивания которых еще находятся в стадии разработок.

Учитывая свойства вращающейся неуравновешеннойсисте­ мы, можно сформулировать следующие требования [19], кото­ рым должно отвечать идеальное устройство для автоматического уравновешивания (АУУ).

1. Устройство должно обеспечивать полную компенсацию наи­ большей возможной в машине неуравновешенности.

2. Устройство должно максимально устранять неуравновешен­ ность в машине, т. е. остаточная неуравновешенность должна быть минимальной.

3.Дополнительная неуравновешенность не должна вноситься устройством ни на каких режимах работы машины.

4.Автоматическое уравновешивающее устройство (АУУ) дол­ жно эффективно работать как ниже, так и выше критической скорости, а также вблизи критической скорости, так как здесь чувствительность к неуравновешенности наибольшая. Должен быть обеспечен плавный переход машины через критическую ско­

рость.

5. Устройство должно автоматически реагировать па пзмене-

. нне неуравновешенности в процессе работы.

6.Работа устройства должна быть обеспечена как при верти­ кальном, так и при горизонтальном положениях уравновешивае­ мого ротора.

7.При уравновешивании ротора должны уменьшаться не

только реакции опор, но и изгибающие усилия в роторе.

Если скорость вращения ротора больше критической, то, ког­ да нет жидкости в камере, он отклонится от вертикальной оси опоры на величину а в сторону, противоположную неуравнове­ шенности. Если же балансировочная камера частично заполнена жидкостью, то она перетечет в наиболее удаленную от оси вра­ щения часть камеры (противоположную положению неуравнове­ шенности) и будет способствовать приведению центра тяжести системы к оси вращения.

На рис. 54 показан экстрактор с подобным АУУ при скоро­ сти вращения выше критической.

Недостатком А УУ Леблана является то, что при вращении системы на оборотах ниже критических увеличивается ее неурав­ новешенность. Это привело к необходимости усовершенствова­ ния устройства. В усовершенствованном устройстве уравновеши­ вающая жидкость поступает в балансировочную обойму лишь в закритической области, поэтому они не ухудшают неуравнове­ шенность на малых скоростях, но и не облегчают условия пере­ хода через критическую скорость.

На скоростях выше критической все эти устройства достаточ­ но эффективно уменьшают вибрацию машины и автоматически компенсируют изменения неуравновешенности.

66

2. АУУ Дункан. Действие жидкостного А УУ Дункан основа­ но на следующих положениях (рис. 55). В заполненном жидко­ стью сосуде, вращающемся вокруг оси, проходящей через его центр тяжести, на элементарный объем dV = rdadrdh действует

центробежная сила

где б — плотность жидкости;

г— расстояние от элементарного объема до оси вращения;

h — высота слоя жидкости;

ы — угловая скорость вращения; da — элементарный угол, в котором

заключен объем.

страктора

Созданное объемом приращение давления на площадке

При постоянной скорости, если пренебречь гидростатическим давлением и сжимаемостью жидкости, давление на расстоянии от осп вращения

Изолируем от остальной жидкости жесткой стенкой, не имею­ щей массы и толщины, цилиндрический объем жидкости с мас­

сон Mi, диаметром D и высотой h. Равновесие сил и давлений снаружи и внутри оболочки это не нарушит.

Внутри оболочки действуют симметричное относительно осп цилиндра внутреннее давление и центробежные силы, равнодей­ ствующая которых, равная haо2, приложена к центру оболочки. Ома стремится сместить цилиндр по радиусу от осп вращения. Эти силы уравновешиваются силами, действующими на наруж­ ную поверхность. Одна группа противодействует разрыву обо­ лочки, другая — уравновешивает центробежные силы, предот­ вращая перемещение цилиндра. Если заполнить оболочку более легкой жидкостью с массой М, то силы, действующие внутри,— уменьшатся, а силы, действующие снаружи, — не изменятся. Внутреннее давление снизится в результате уменьшения плотно­ сти и избыточное наружное давление воспримет оболочка.

Центробежные силы внутри оболочки уменьшатся пропорцио­ нально изменению массы и равнодействующая их будет равна М/чо2. Появится составляющая, стремящаяся переместить обо­ лочку к оси вращения, равная .F = (M ,—М ) а о2, которая исчезнет только при совпадении центра тяжести с осью вращения. Этот принцип будет действителен и для оболочки другой формы, за­ полненной телом непостоянной плотности.

На рис. 55 изображена условная схема устройства, работаю­ щего по изложенному принципу. Здесь поплавок — контейнер 1 с неуравновешенной массой 2 помещен в сосуд 3 с тяжелой жид­ костью; поплавок может свободно перемещаться по радиусу под давлением жидкости. Для полного уравновешивания скорости жидкости и контейнера должны быть одинаковы.

Устранение неуравновешенности происходит в результате дав­ ления на поверхность контейнера, равнодействующая которого приложена к центру тяжести вытесненной жидкости.

Рассмотрение свойств АУУ Дункан показывает, что оно мо­ жет быть применено к машинам с вертикальным расположением ротора. Уравновешивание в этом устройстве выполняется только для контейнера с грузом и жидкости.

Большим преимуществом АУУ Дункан является то, что оно достаточно эффективно компенсирует неуравновешенность как ниже, так и выше критической скорости.

3. АУУ Сирля. Из свойств упругой вращающейся системы сл дует, что при наличии трения вектор прогиба ротора отстает от вектора неуравновешенности на некоторый угол ф, величина которого зависит от величины трения и скорости вращения ро­ тора. Величина угла ф изменяется от нуля при малых скоростях

до к при высоких скоростях, проходя через значение-^- на кри­

тической скорости. Поэтому АУУ должно подавать уравновеши­ вающую жидкость с учетом разности фаз прогиба и дисбаланса.

В предложенной Сирлем конструкции сделана попытка соз­ дать АУУ, в котором учитывается изменение угла запаздывания

68