CN111751051A - 增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法，首先将两端叶轮分组进行超转，并标记角位置，接着轴系组装完成后整体进行低速平衡，然后整体磨合，将转子驱动并缓慢升速至第一阶临界转速附近，最后整体磨合后复测转子系统不平衡值，确保磨合前后动平衡量值未发生明显变化。本发明可以在不借助专用挠性转子动平衡设备的情况下实现挠性转子的动平衡。

Description

增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法

技术领域

本发明属于航空增压涡轮技术领域，涉及一种挠性转子的动平衡技术，具体地说是一种用于确保飞机氧气系统用增压涡轮生产中小型双圆盘挠性转子的动平衡满足许用要求的方法。

背景技术

图1所示的增压涡轮是为飞机氧气系统研制的增压涡轮，用于给氧气系统分子筛提供高压空气，产品结构图详见图1。由图1可知，该增压涡轮主要由涡轮蜗壳1、涡轮叶轮2、涡轮整流窗3、外壳体4、压气机叶轮5、压气机蜗壳6、轴7、压气机整流窗8、轴承9、轴承壳体10、隔板11所组成，转子部分的结构图详见图2。从图2分析可知，该增压涡轮的转子部分属于具有两个不平衡横向平面的双圆盘转子。由于受产品叶轮气动结构的限制，该轴系设计点工作转速高达53000r/min。

这种结构形式的增压涡轮在工作过程最为常见的故障是：叶轮与壳体径向之间发生磨损，进而导致转子旋转不灵活，甚至卡死，极不利于高速旋转下轴系的正常工作，危及产品的可靠性，严重时危及飞行员氧气供应，严重影响飞行安全和任务的执行。

造成上述故障的原因主要是轴系动平衡超出许用要求。转子动力学中，从平衡的角度，根据转子在运转时其弯曲形变能否忽略，将转子分为刚性转子和挠性转子两大类，评定标准为转子的工作转速是否高于0.7×第一阶临界转速。图1中的增压涡轮产品设计要求工作转速ω＝53000±1000r/min，通过对图1中增压涡轮产品进行临界转速测试，发现产品在73000～75000r/min附近，产品转子有剐蹭，判断为该产品第一阶临界转速ωc1＝74000±1000r/min，由此推导，ω/ωc1＝53000/74000≈0.71＞0.7，综上分析该轴系属于小型双圆盘挠性转子。当产品工作时，高速旋转的转子发生剧烈的自激振动，进而导致轴承承载失效，致使高速旋转下的叶轮与壳体之间发生碰磨。

在转子动平衡领域中，针对增压涡轮结构上的小型双圆盘挠性转子，目前最常见的做法使用专用一体化动平衡机进行去不平衡。该动平衡机的特点是针对产品结构特点进行订制性开发，费用高达600万元，不利于小批量生产经济性指标。且国内没有相关供应商，国外供应商接受订制的条件非常严格，对于其用途有极高的管控和限制。故在航空增压涡轮技术领域，针对此种结构的小型双圆盘挠性转子的动平衡技术处于空白状态，没有可借鉴的成熟工艺方法和技术，因此探求小型双圆盘挠性转子低速动平衡代替整体转子高速平衡的方法，显得至关重要。

该类转子的不平衡影响因素如下：

1、叶轮在高速旋转时，在离心力的作用下，发生塑性形变，导致质量分布发生变化，引起动平衡变化。

2、叶轮装配过程中，零件位置若发生变化时，会导致整个轴系的相对质量分布发生变化。

3、轴系零件初始装配完成后，在高速旋转时，受到初始不平衡的影响，零件之间发生碰伤，会降低产品使用可靠性。

4、轴系零件高转速工作后，轴系动平衡会发生变化。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提供一种增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法，可以在不借助专用高速动平衡设备的情况下，使挠性转子动平衡量值满足其使用要求。

本发明的核心在于采用“多转速、多平面、分步平衡”的方法。

本发明针对背景技术中记载的影响因素，通过以下技术构思予以解决：

第一，为避免高速旋转时，叶轮零件发生塑性形变引起的质量分布，在叶轮装配前，单独对叶轮进行超转试验，即将压气机叶轮和涡轮叶轮安装在一套装置上一起进行超转试验，试验转速设定为大于等于产品第一阶临界转速的90％，例如：68000r/min，时间2min，使产品充分发生塑性形变后再进行动平衡。

第二，为避免叶轮装配影响轴系质量分布变化，将两端叶轮超转后进行分组并成套动平衡后标记角位置(超转前后各进行一次动平衡，超转前动平衡的目的是去部分不平衡量降低工装损伤，超转后动平衡目的是去掉超转零件微变形产生的动不平衡)，装配时按标记的角位置进行安装。

第三，为避免零件发生动平衡时发生不可接受的过度损伤，首先在低转速时对轴系进行初始动平衡

第四，为避免高速工作对产品动平衡的影响，对产品进行重复高速磨合，并复查磨合前后动平衡的变化量，直至磨合后动平衡变化量满足许用要求。

总体而言，本发明的技术方案如下：

1、将两端叶轮分组进行超转，并标记角位置。

2、轴系组装完成后整体进行低速平衡。

3、整体磨合，将转子驱动并缓慢升速至第一阶临界转速附近。

4、整体磨合后复测转子系统不平衡值，确保磨合前后动平衡量值未发生明显变化。

具体而言，本发明的技术方案如下：

增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法，包括，

步骤一，将增压涡轮中的压气机叶轮、涡轮叶轮分组进行静平衡，接着成组进行低转速动平衡，然后实施超转，超转结束后分解压气机叶轮、涡轮叶轮并标记压气机叶轮、涡轮叶轮此时的相对角位置；

步骤二，按照步骤一标记的相对角位置组装增压涡轮，完成后将增压涡轮的转子部分放置在动平衡机上进行低速动平衡；

步骤三，增压涡轮整体磨合，将增压涡轮的转子驱动并缓慢升速至第一阶临界转速附近，然后检测增压涡轮转子部分是否合格；

步骤四，增压涡轮整体磨合后复测转子系统不平衡值。

进一步，所述步骤一中，超转转速大于等于增压涡轮第一阶临界转速的90％且小于第一阶临界转速，超转结束后且在分解压气机叶轮、涡轮叶轮之前再次对压气机叶轮、涡轮叶轮进行动平衡，然后标记压气机叶轮、涡轮叶轮此时的相对角位置。

进一步，所述步骤二中，低速动平衡的转速小于增压涡轮第一阶临界转速的6％。

优选的，所述步骤二中，转子部分在动平衡机上采用软支撑。

优选的，所述步骤三中，转子缓慢升速过程包括多个转速不同的状态点，每个状态点持续一段时间。

优选的，多个所述不同转速的状态点之间的转速呈等差数列，且状态点的持续时间上限相同。

进一步，所述步骤三中，还包括对增压涡轮的转子进行动态矫直。

优选的，所述步骤三中，增压涡轮转子部分合格的判据为转子部分旋转均匀，无手能感觉到的卡滞现象。

优选的，实施步骤四时，先将增压涡轮的定子部分拆卸，只保留转子部分。

进一步，所述步骤四中，当转子部分的剩余不平衡量大于设定值时，则重新进行低速动平衡，当转子系统的剩余不平衡量小于等于设定值时，转下工序进行。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.本发明可以在不借助专用挠性转子动平衡设备的情况下实现挠性转子的动平衡。

2.本发明的材料为金属材料，使用寿命较长，性能稳定。

3.本发明可以在较高温度，大范围的温度变化环境下正常发挥性能。

附图说明

图1为本发明中涉及的增压涡轮产品结构示意图；

图2为增压涡轮的转子结构示意图；

图中：1-涡轮蜗壳；2-涡轮叶轮；3-涡轮整流窗；4-外壳体；5-压气机叶轮；6-压气机蜗壳；7-轴；8-压气机整流窗；9-轴承；10-轴承壳体；11-隔板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明，但所要求的保护范围并不局限于所述。

1、将压气机叶轮5、涡轮叶轮2进行分组，并进行静平衡(压气机叶轮5、涡轮叶轮2单独进行静平衡)。

2、将分组后的压气机叶轮5、涡轮叶轮2成组装配在动平衡工装上(将压气机叶轮5、涡轮叶轮2同时安装在动平衡机上一起动平衡)，为避免工装损伤，在4000r/min的转速下进行动平衡。

3、完成动平衡后，将压气机叶轮、涡轮叶轮同时安装在动平衡机性能试验台上进行68000r/min超转，时间2min。

4、超转后将两端叶轮分解，分解前标记叶轮相对角位置(这里是指压气机叶轮5、涡轮叶轮2在进行动平衡时的装配关系，即在正式装产品时要保持对应，应该理解为两端叶轮沿轴向进行投影，重新装配时投影应重合，不能出现错位。例如分别将压气机叶轮5、涡轮叶轮2等价为两个分别装在轴两端的钟表表盘，超转或动平衡时12点与12点重合，正式装配时12点与12点也应重合。不能出现12点对1点，1点对2点的情况)，可选的，当超转完成后再次对压气机叶轮5、涡轮叶轮2进行动平衡，去掉超转零件微变形产生的动不平衡，然后标记此时压气机叶轮5、涡轮叶轮2的相对角位置，最后分解压气机叶轮5、涡轮叶轮2。

5、将轴7、压气机叶轮5、涡轮叶轮2装配在产品上，装配时，确保压气机叶轮5、涡轮叶轮2的相对角位置与步骤4中标记的一致。

6、将转子系统放在动平衡机(软支撑)上。

7、转子作动态矫直。让转子在某一个或适宜的低转速下运转一段时间，以消除任何的临时弯曲。

8、低速平衡，动平衡转速4000r/min，剩余不平衡量不大于0.005g·cm。

9、将转子驱动并升速至第一阶临界转速附近。一般取临界转速的90％，,结合该产品特点加严考核至92％,即74000*92％＝68080r/min，控制涡轮转速不超过70000r/min，磨合过程应使产品转速逐步上升，转速每上升(3000±150)r/min为一个测量状态点，每点测量时间不超过2min，至68000～69000止。

具体多转速点分布，具体详见表1：

表1

多转速点	第1点	第2点	第3点	第4点	第5点	第6点
							转速(r/min)	55000	58000	61000	64000	67000	68000
时间(min)	2	2	2	2	2	2

合格判据：磨合试验后，立即检查涡轮转子热状态的旋转灵活性，应均匀无手能感觉到的卡滞现象。

1、产品分解下涡轮蜗壳1、压气机蜗壳6等定子部分，留下转子系统。

2、复测转子系统不平衡值。

(1)当转子系统的剩余不平衡量为＞0.005g·cm，则重新进行低速平衡，动平衡转速4000r/min，剩余不平衡量不大于0.005g·cm。；

(2)当转子系统的剩余不平衡量为≤0.005g·cm，转下工序进行。

Claims (10)

1.增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法，其特征在于：包括，

步骤一，将增压涡轮中的压气机叶轮、涡轮叶轮分组进行静平衡，接着成组进行低转速动平衡，然后实施超转，超转结束后分解压气机叶轮、涡轮叶轮并标记压气机叶轮、涡轮叶轮此时的相对角位置；

步骤二，按照步骤一标记的相对角位置组装增压涡轮，完成后将增压涡轮的转子部分放置在动平衡机上进行低速动平衡；

步骤三，增压涡轮整体磨合，将增压涡轮的转子驱动并缓慢升速至第一阶临界转速附近，然后检测增压涡轮转子部分是否合格；

步骤四，增压涡轮整体磨合后复测转子系统不平衡值。

2.根据权利要求1所述的增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法，其特征在于：所述步骤一中，超转转速大于等于增压涡轮第一阶临界转速的90％且小于第一阶临界转速，超转结束后且在分解压气机叶轮、涡轮叶轮之前再次对压气机叶轮、涡轮叶轮进行动平衡，然后标记压气机叶轮、涡轮叶轮此时的相对角位置。

3.根据权利要求1所述的增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法，其特征在于：所述步骤二中，低速动平衡的转速小于增压涡轮第一阶临界转速的6％。

4.根据权利要求1所述的增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法，其特征在于：所述步骤二中，转子部分在动平衡机上采用软支撑。

5.根据权利要求1所述的增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法，其特征在于：所述步骤三中，转子缓慢升速过程包括多个转速不同的状态点，每个状态点持续一段时间。

6.根据权利要求5所述的增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法，其特征在于：多个所述不同转速的状态点之间的转速呈等差数列，且状态点的持续时间上限相同。

7.根据权利要求1所述的增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法，其特征在于：所述步骤三中，还包括对增压涡轮的转子进行动态矫直。

8.根据权利要求1所述的增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法，其特征在于：所述步骤三中，增压涡轮转子部分合格的判据为转子部分旋转均匀，无手能感觉到的卡滞现象。

9.根据权利要求1所述的增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法，其特征在于：实施步骤四时，先将增压涡轮的定子部分拆卸，只保留转子部分。

10.根据权利要求1所述的增压涡轮的双圆盘挠性转子动平衡方法，其特征在于：所述步骤四中，当转子部分的剩余不平衡量大于设定值时，则重新进行低速动平衡，当转子系统的剩余不平衡量小于等于设定值时，转下工序进行。

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