Уравновешивание роторов

Ротор двигателя считается полностью уравновешенным, если на Остановившемся режиме работы его опоры испытывают действие постоянных по величине и направлению нагрузок (сил, моментов).

В реальных роторах ГТД при их вращении всегда действуют инерционные силы и моменты от неуравновешенных масс, которые являются следствием неточности изготовления, неоднородности материала, упругих и остаточных деформаций элементов ротора. Эти нагрузки передаются на опоры, дополнительно нагружая подшипники, и вызывают вибрацию двигателя, самолета, ослабление стыков, течь в местах единения трубопроводов, дополнительный шум и утомление экипажа и пассажиров.

Уравновешивание роторов ГТД сводится к уравновешиванию у них вращающихся масс.

При статической неуравновешенности ротора (рис. 53.1.) его ц. т. не лежит на оси вращения, а смещен от нее на расстояние е. При вращении такого ротора возникает неуравновешен­ная центробежная сила

где т — масса ротора;

— угловая скорость;

е — эксцентриситет, т. е. расстояние от оси вращения до ц. т. ро­тора.

Эта сила постоянна по величине, но переменна по направлению. Статическое уравновешивание сводится к совмещению ц. т. ротора с осью вращения.

Рис. 53.1. Виды неуравновешенностей ротора:

а —статическая; б—динамическая; в — общий случай неуравновешенности

При динамической неуравновешенности ро­тора (рис. 53.1., б) возникают неуравновешенные инерционные силы и моменты от этих сил. Общий ц. т. при этом лежит на оси вращения, поэтому такой ротор является статически уравновешенным. Однако при вращении возникает неуравновешенная пара центробежных сил с моментом М_н вокруг точки 5:

где р — расстояние от оси вращения до ц. т. масс ротора;

а — осевое расстояние между массами ротора.

Этот момент — постоянный по величине, но переменный по направ­лению. Динамическая неуравновешенность может быть обнаружена только при вращении.

На рис.53.1., в показан общий случай неуравновешенности, когда общий ц. т. вращающихся масс ротора не совпадает с осью вращения, т. е. такой ротор статически и динамически неуравновешен.

Статическая балансировка. Для устранения статической неуравновешенности необходимо по­местить уравновешивающий груз О_б на том же диаметре, на котором лежит ц. т. диска, но по другую сторону от оси вращения. Величина груза G₆ и расстояние его rот оси вращения должны быть выбраны так, чтобы неуравновешенная центробежная сила диска и центробежная сила от уравновешивающего груза были равны

После сокращения получим:

Величина , равная произведению веса диска на эксцентриситет ц. т. или произведению веса уравновешивающего груза на расстояние r- г от оси вращения, называется статическим дисбалан­сом. Дисбаланс характеризует степень статической неуравнове­шенности.

Рис. 54. Стати­ческая баланси­ровка ротора

Статическая балансировка может осуществляться снятием мате­риала с тяжелой стороны диска. Статическая балансировка облегчает проведение динамической балансировки ротора.

Динамическая балансировка. Динамическую балансировку проводят в заводских условиях на специальных машинах, которые позволяют определить величину и месторасположение балансировочного груза в каждой плоскости при­ведения.

Принцип работы балансировочной машины таков. Ротор 1 (рис. 55} в балансировочной машине устанавливается на двух опорах, одна из которых может перемещаться в горизонтальной плоскости в направле­нии оси у, будучи связанной с корпусом машины через пружину. В вертикальной плоскости подвижная опора перемещаться не может.

Для определения направления действия неуравновешенной силы в плоскости опоры может быть использован стробоскопический эффект. Устройство для замера амплитуды обеспечивает замыкание специаль­ной электрической цепи при максимальном отклонении опоры 3 от среднего положения, т. е. тогда, когда неуравновешенная сила Р дей­ствует точно по оси у. Импульсы подаются на лампу 4, которая дает вспышку в момент совпадения силы Р с осью у.

Рис. 55. Принципи­альная схема балан­сировочной машины: /—ротор; 2 — градуиро­ванный диск; 3— подвиж­ная опора; 4 — лампа; 5 —соленоид; 6— устрой­ство для замера ампли­туд

Вместе с ротором вращается градуированный диск 2. Замечая, какое деление диска совпадает с осью у в момент вспышек, можно фик­сировать направление силы Р, т. е. определить диаметр, на котором располагается неуравновешенная сила. Зная динамический дисбаланс и диаметр, где находится неуравновешенная сила, путем подбора рас­стояния, на котором помещается балансировочный груз, или подбо­ром величины G₆ при заданном плече производят динамическое урав­новешивание.

Окончательная динамическая балансировка осуществляется под­бором по весу и соответствующим размещением рабочих лопаток ком­прессора и турбины, ввертыванием балансировочных винтов в торцы дисков, навертыванием дополнительных гаек на крепежные болты крайних дисков, снятием металла в местах, указанных чертежом.

Допустимый остаточный дисбаланс связан с размерами ротора и и его быстроходностью. Чем больше размеры и чем меньше скорость вращения, тем больше допустимый дисбаланс, так как ротор большой массы будет совершать колебания меньшей интенсивности под дей­ствием неуравновешенных сил, чем ротор небольшой массы, при условии, что эти силы одинаковы по величине. Так, для одного из ТРД допустимый дисбаланс компрессора и турбины равен 40 Г-см, для компрессора ТВД—5 Г-см, а для турбины —15 Г-см.

В эксплуатации величина дисбаланса может значительно возрас­тать в результате вытяжки и механических повреждений рабочих ло­паток турбины и компрессора, неравномерного износа подшипников и т. п. Вследствие повышения дисбаланса возрастает вибрация всего двигателя.

Для замера уровня вибраций применяют датчики, устанавливае­мые на корпусе двигателя в плоскости узлов крепления двигателя к самолету. Колебания могут записываться на пленку. По амплитуде колебаний можно определить коэффициент виброперегрузки, который представляет собой отношение силы инерции двигателя, возникающей при его вибрации, к силе веса двигателя.

Величина коэффициента виброперегрузки для современных ГТД лежит в пределах k = 3—4. Этот коэффициент характеризует совер­шенство и техническое состояние двигателя. При выпуске двигателя из производства или ремонта допустимый дисбаланс должен быть та­ким, чтобы виброперегрузка не превышала опасных пределов в те­чение выработки всего технического ресурса двигателя.