RU2158907C1

RU2158907C1 - Process of automatic balancing of rotative systems

Info

Publication number: RU2158907C1
Application number: RU99119360A
Authority: RU
Inventors: В.М. Козин; С.В. Козин; Г.Д. Шекун
Original assignee: Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН
Priority date: 1999-09-07
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2000-11-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: invention deals with automatic balancing of dynamically unbalanced rotative systems, specifically, high-speed all-condition rotative machines and mechanisms. Process consists in natural ( in field of dynamic forces ) movement of balanced masses in balancing space whose material composition displays property of periodic change with energizing or de-energizing. Two-component mixture whose base is substance showing initial property of fluidity and whose filling agent is solid substance with density and melting temperature exceeding density and melting temperature of base is used in the capacity of balancing masses. EFFECT: increased efficiency of balancing of rotative systems thanks to expanded range of balancing under alternating conditions of operation.

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для автоматического уравновешивания роторов ротативных машин и механизмов. The invention relates to mechanical engineering and can be used for automatic balancing of rotors of rotary machines and mechanisms.

Уровень техники заключается в следующем. The prior art is as follows.

Известен способ автоматического уравновешивания роторов ротативных машин и механизмов (Шекун Г. Д. КнАГТУ. Патент N 2118805, МКИ 6 G 01 M 1/32, 10.09.98, БИ 25). Способ заключается в частичном заполнении балансированного пространства уравновешивающими массами. В качестве уравновешивающих масс используются самофиксирующиеся вещества, обладающие начальным свойством текучести с возможностью изменения состояния в области закритического режима работы ротативной системы, т.е. обладающие свойством затвердевать под действием катализаторов, дополнительно вводимых в балансированное пространство до полной фиксации уравновшивающих масс в балансированном пространстве. A known method of automatic balancing of rotors of rotary machines and mechanisms (Shekun G. D. KnAGTU. Patent N 2118805, MKI 6 G 01 M 1/32, 09/10/98, BI 25). The method consists in partially filling the balanced space with balancing masses. As balancing masses, self-fixing substances are used that have the initial property of fluidity with the possibility of changing the state in the region of the supercritical mode of operation of the rotational system, i.e. possessing the property of hardening under the action of catalysts, additionally introduced into the balanced space until the balancing masses are completely fixed in the balanced space.

Несмотря на технологические достоинства известного способа уравновешивание динамической системы в закритической области рассчитано только на один режим по частоте вращения ротора (номинальный или расчетный), т.к. после затвердевания и фиксации компенсирующих масс переход их в подвижное состояние становится невозможным, т.е. процесс автоматически сбалансированности ротативной системы становится необратимым. В то же время в ротативных системах при их эксплуатации возможны переменные режимы работы ротора, при которых расчетных режимов может быть несколько. Ротативная система уравновешивания по известному способу на одном режиме становится динамически неуравновешенной на другом режиме, т.к. в этом случае нарушается равновесное состояние между силами и моментами, обусловленными дебалансом ротора, и силами и моментами компенсирующих масс. Despite the technological advantages of the known method, balancing the dynamic system in the supercritical region is designed for only one mode in terms of rotor speed (nominal or calculated), because after hardening and fixing of the compensating masses, their transition to the mobile state becomes impossible, i.e. the process of automatically balancing the rotational system becomes irreversible. At the same time, in rotational systems, during their operation, variable modes of operation of the rotor are possible, in which there can be several design modes. The rotational balancing system according to the known method in one mode becomes dynamically unbalanced in another mode, because in this case, the equilibrium state is violated between the forces and moments due to the rotor unbalance and the forces and moments of the compensating masses.

Вследствие отмеченного недостатка, известный способ автоматического уравновешивания ротативных систем имеет явные ограничения в практическом использовании. А при работе ротора в широком диапазоне изменения частоты вращения использование способа с фиксацией компенсирующих масс в балансировочной полости в общем случае становится нецелесообразным. Due to the noted drawback, the known method for automatically balancing rotational systems has obvious limitations in practical use. And when the rotor operates in a wide range of changes in the rotational speed, using the method with fixing the compensating masses in the balancing cavity in the general case becomes impractical.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: неуравновешенная ротативная система; балансировочная камера, частично заполненная перетекающими уравновешивающими массами, которые в процессе вращения ротативной системы в области закритического режима работы ротора перемещаются и занимают положение, противоположное неуравновешенности; уравновешивающие массы обладают свойством затвердевать до полной их фиксации в балансировочной камере. Signs of the prototype, coinciding with the essential features of the claimed invention: unbalanced rotational system; a balancing chamber, partially filled with flowing balancing masses, which during the rotation of the rotational system in the region of the supercritical mode of operation of the rotor move and occupy a position opposite to the imbalance; balancing masses have the property of hardening until they are fully fixed in the balancing chamber.

Причина, препятствующая получению в прототипе требуемого результата, заключается в том, что используемые вещества в качестве уравновешивающих масс обладают свойством затвердевать под действием катализаторов до полной их фиксации в балансировочном пространстве. Таким образом, уравновешенность ротативной системы в этом случае достигается в закритической области только на вполне определенной (расчетной) частоте вращения. Поэтому возможные изменения рабочего режима работы ротора по частоте вращения в процессе эксплуатации вызовут разбалансировку динамической системы, т. к. компенсирующие массы, находящиеся в твердом и фиксированном состоянии, не обладают свойством текучести и не в состоянии вернуть ротативную систему в равновесное состояние. Таким образом, проблема автоматической балансировки при использовании самобалансирующего устройства с компенсирующими массами по известному способу имеет ограничения при изменении частоты вращения ротативной системы в процессе эксплуатации. The reason that prevents obtaining the desired result in the prototype is that the substances used as balancing masses have the property of hardening under the action of the catalysts until they are completely fixed in the balancing space. Thus, the balance of the rotational system in this case is achieved in the supercritical region only at a well-defined (calculated) rotational speed. Therefore, possible changes in the operating mode of the rotor operation according to the rotational speed during operation will cause an imbalance of the dynamic system, since compensating masses that are in a solid and fixed state do not have the flow property and are not able to return the rotational system to an equilibrium state. Thus, the problem of automatic balancing when using a self-balancing device with compensating masses by a known method has limitations when changing the rotational speed of the rotational system during operation.

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

Изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности процесса уравновешивания ротативной системы при изменении рабочей частоты вращения ротора в закритической области. The invention is aimed at solving the problem of improving the efficiency of the balancing of the rotational system when changing the operating rotor speed in the supercritical region.

Технический результат, который может быть получен при решении поставленной задачи, заключается в повышении эффективности уравновешивания дисбаланса ротативной системы в закритической области в не зависимости от режима ее эксплуатации. Требуемый технический результат достигается за счет расширения диапазона уравновешенности системы на переменных режимах эксплуатации при использовании веществ для компенсирующих масс, способных неоднократно менять свое агрегатное состояние и по мере необходимости восстанавливать свое первоначальное свойство текучести с последующей фиксацией в балансировочной камере. The technical result that can be obtained by solving the problem is to increase the efficiency of balancing the imbalance of the rotational system in the supercritical region, regardless of the mode of operation. The required technical result is achieved by expanding the range of equilibrium of the system in variable operating conditions when using substances for compensating masses that can repeatedly change their state of aggregation and, as necessary, restore their original flow property with subsequent fixation in the balancing chamber.

Ограничительные признаки: автоматическое уравновешивание ротативных систем; частичное заполнение балансировочного пространства уравновешивающими массами; при частоте вращения ротора в области закритического режима уравновешивающие массы перемещаются в балансировочном пространстве, занимая положение противоположное неуравновешенности; вещества уравновешивающих масс обладают начальным свойством текучести с последующей способностью затвердевать до полной фиксации в балансировочном пространстве. Limiting signs: automatic balancing of rotational systems; partial filling of the balancing space with balancing masses; at the rotor speed in the area of the supercritical mode, the balancing masses move in the balancing space, occupying the position opposite to the imbalance; substances of balancing masses have the initial property of fluidity with the subsequent ability to harden until completely fixed in the balancing space.

Отличительные признаки: в качестве уравновешивающих масс используют легкоплавные вещества, которые в процессе эксплуатации ротативной системы при изменении рабочей частоты ротора в закритической области восстанавливают первоначальное свойство текучести посредством дополнительного подвода энергии с последующей их затвердеванием при отводе или отключении источника дополнительной энергии до полной фиксации уравновешивающей массы в балансировочном пространстве. Distinctive features: low-melting substances are used as balancing masses, which, during the operation of the rotational system, when the rotor working frequency changes in the supercritical region, they restore the initial flow property by means of additional energy supply and their subsequent solidification during removal or disconnection of the additional energy source until the balancing mass is completely fixed in balancing space.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что уравновешивающие массы, частично заполняющие балансировочное пространство, при увеличении частоты вращения ротора выше критической под действием инерционных сил перетекают в наиболее удаленную от оси вращения полость камеры, занимая такое угловое и радиальное положение, которое пространственно противоположно неуравновешенной (избыточной) массе, т.е. "тяжелой" части ротативной системы. Таким образом, обладая начальным свойством текучести, уравновешивающие массы концентрируются на стороне "легкой" части ротативной системы. Использование двух и более компонентных смесей за счет повышения средней плотности уравновешивающих масс способствует существенному снижению градиента противоположно направленных динамических сил: неуравновешенных сил относительно геометрической оси масс ротора и сил перемещающегося вещества уравновешивающих масс. Использование веществ, обладающих свойством затвердевать с одновременным схватыванием со стенками камеры, исключает последующее перетекание уравновешивающих масс, что способствует стабилизации динамической уравновешенности ротативной системы при расчетной частоте вращения ротора. A causal relationship between the totality of the essential features of the claimed invention and the achieved technical result is that balancing masses partially filling the balancing space, with an increase in the rotor speed above the critical under the influence of inertial forces, flow into the chamber cavity farthest from the axis of rotation, occupying such angular and radial position, which is spatially opposite to the unbalanced (excess) mass, i.e. "heavy" part of the rotational system. Thus, having the initial property of fluidity, balancing masses are concentrated on the side of the "light" part of the rotational system. The use of two or more component mixtures by increasing the average density of the balancing masses contributes to a significant decrease in the gradient of oppositely directed dynamic forces: unbalanced forces relative to the geometric axis of the rotor masses and the forces of the moving substance of the balancing masses. The use of substances having the property of hardening with simultaneous setting with the walls of the chamber eliminates the subsequent overflow of balancing masses, which helps to stabilize the dynamic balance of the rotational system at the calculated rotor speed.

При изменении расчетной частоты вращения ротора к твердому веществу, обладающему начальным свойством текучести, подводится дополнительная энергия, например тепловая. При этом вещество, обладая свойством изменения своего агрегатного состояния, превращается вновь в жидкотекучее состояние и процесс автоматического уравновешивания ротативной системы восстанавливается и заканчивается при полной или частичной уравновешенности ротора на требуемой условиями эксплуатации новой расчетной частоты ротативной системы. When the calculated rotational speed of the rotor changes, a solid substance with an initial yield property is supplied with additional energy, for example, thermal. In this case, the substance, possessing the property of changing its state of aggregation, turns back into a fluid state and the process of automatic balancing of the rotational system is restored and ends when the rotor is completely or partially balanced at the new operating frequency of the rotational system required by the operating conditions.

Пример реализации автоматического уравновешивания ротативных систем при использовании эвтектоидных сплавов. An example of the implementation of automatic balancing of rotative systems using eutectoid alloys.

Балансировочное пространство ротативной системы частично заполняется легкоплавкими эвтектоидным сплавом, например, сплавом Вуда. В качестве наполнителя может быть использована свинцовая дробь. Поддерживая температуру в балансировочном пространстве выше 60^oC (большая температура плавления сплава Вуда), камеру заполняют смесью, состоящей из сплава Вуда, и свинцовой дробью. После этого ротативная система приводится в состояние вращения с увеличением оборотов ротора. При достижении расчетной частоты вращения ротора в закритической области режим вращения ротативной системы стабилизируется.The balancing space of the rotational system is partially filled with fusible eutectoid alloy, for example, Wood alloy. As a filler can be used lead shot. Maintaining the temperature in the balancing space above 60 ^o C (high melting point of the Wood alloy), the chamber is filled with a mixture of Wood alloy and lead shot. After that, the rotational system is brought into a state of rotation with increasing rotor speed. Upon reaching the calculated rotor speed in the supercritical region, the rotation mode of the rotational system is stabilized.

В период увеличения скорости с последующей стабилизацией частоты вращения ротора в полости балансировочной камеры под действием динамических сил происходит интенсивное перемешивание исходных компонентов с образованием однородной смеси, которая, обладая свойством текучести, представляет собой уравновешивающую массу. При стабилизации закритической расчетной частоты вращения перемещение жидкотекучей смеси прекращается и, таким образом, уравновешивающая масса заполняет "легкое" место в балансировочной камере. В этот момент осуществляется охлаждение балансировочной камеры или отключение источника тепловой энергии. При достижении температуры ниже 60^oC сплав Вуда из жидкого состояния превращается в твердое с одновременным схватыванием его со стенками балансировочной камеры. После чего первоначально неуравновешенная ротативная система приобретает окончательно свойство: динамически уравновешенной системы на расчетной частоте вращения ротора.In the period of increasing speed with subsequent stabilization of the rotor speed in the cavity of the balancing chamber under the action of dynamic forces, intensive mixing of the starting components occurs with the formation of a homogeneous mixture, which, having the property of fluidity, is a balancing mass. When the supercritical calculated rotational speed is stabilized, the movement of the fluid mixture ceases and, thus, the balancing mass fills the "light" place in the balancing chamber. At this moment, the balancing chamber is cooled or the heat source is turned off. When the temperature reaches below 60 ^o C Wood's alloy from a liquid state turns into a solid state while grasping it with the walls of the balancing chamber. After that, the initially unbalanced rotational system finally acquires the property of: a dynamically balanced system at the calculated rotational speed of the rotor.

При переходе ротативной системы на другой эксплуатационный режим по частоте вращения ротора, процесс автоматического уравновешивания повторяется. При этом подводимая тепловая энергия повышает температуру в балансировочной камере выше 60^oC. Сплав Вуда из твердого состояния превращается в жидкое, при этом смесь - уравновешивающая масса приобретает начальное свойство текучести. Требуемая расчетная частота вращения стабилизируется до полной фиксации охлаждающей смеси в балансировочной камере. Процесс уравновешивания ротативной системы на новом расчетном режиме вращения прекращается.When the rotational system switches to another operating mode according to the rotor speed, the process of automatic balancing is repeated. In this case, the supplied thermal energy increases the temperature in the balancing chamber above 60 ^o C. Wood's alloy turns from a solid state into a liquid state, while the mixture - balancing mass acquires the initial flow property. The required design speed is stabilized until the coolant is fully fixed in the balancing chamber. The process of balancing the rotational system in the new design mode of rotation is terminated.

Возможность многократного изменения агрегатного состояния сплава Вуда позволяет в процессе изменения рабочей частоты вращения ротативной системы периодически производить балансировку ротора, при этом не требуется остановка агрегата. The possibility of multiple changes in the state of aggregation of the Wood alloy allows the rotor to periodically balance the rotor during the process of changing the operating speed of the rotational system, without stopping the unit.

Предлагаемый способ автоматического уравновешивания ротативных систем позволяет с меньшими энергетическими затратами расширить область динамической уравновешенности системы в широком диапазоне изменения режимов ее эксплуатации в закритической области по частоте вращения. The proposed method for automatic balancing of rotational systems allows, with lower energy costs, to expand the area of dynamic balance of the system in a wide range of changes in its operation modes in the supercritical region in terms of speed.

Claims

A method of automatic balancing of rotational systems, which consists in partially filling the balancing space with balancing masses, which are used as substances with an initial flow property, the ability to move under the influence of inertial forces during rotation of the rotational system and occupy the position opposite to the unbalanced rotational mass in the supercritical mode of operation systems and the property of hardening to their full fixation in the balancing space, characterized in that, as balancing masses, a substance is used that can, after hardening, restore its initial flow properties upon supply of energy and again harden to a fixed state in the balancing space during energy removal, while a two-component mixture based on which is used as such substance having the initial property of fluidity, and the filler is a solid substance with a density and melting point in excess of density and temperature at the base of the melting capable of under the influence of inertial forces to move the balancing space.