Claims (1)
Способ сборки и балансировки высокооборотных роторов и валопроводов авиационных газотурбинных двигателей и газоперекачивающих агрегатов, содержащий установку лопаток в замках дисков рабочих колес с небольшим натягом или небольшим зазором, обеспечивающими жесткую заделку лопаток в замках на рабочих оборотах под действием центробежных сил, соединение с натягом и центровку этих рабочих колес и трактовых колец и рабочих колес и ступиц с шипами под подшипники сваркой или с помощью призонных болтов и самоконтрящихся гаек и динамическую балансировку валопроводов двигателя по частям: динамическую балансировку роторов компрессоров и турбин, как жестких роторов, на низкочастотном балансировочном станке и балансировку соединяющих их валов, как гибких, на высоких оборотах на зарезонансном балансировочном станке, и модальную балансировку валопровода низкого давления на испытательном стенде, отличающийся тем, что маркируют, взвешивают и измеряют все детали роторов и валов, причем перья лопаток обмеряют специальной измерительной машиной, заносят эти данные в базу данных, виртуально произвольным образом устанавливают лопатки первой ступени в рабочее колесо ротора вентилятора или компрессора низкого давления в зависимости от типа двигателя - ТРД или ТРДД, методом конечных элементов на оборотах крейсерского режима с учетом действия температуры, газовых и центробежных нагрузок, и на этом же режиме по значениям вычисленных газовых сил, действующих на каждую лопатку рабочего колеса ступени, определяется возможно лучший вариант закрепления лопаток на диске, обеспечивающий возможно меньшую величину проекции на плоскость вращения неуравновешенной составляющей равнодействующей газовых сил, действующих на лопатки, и вычисляется эта величина, виртуально собирают рабочее колесо первой ступени с закрепленными на нем указанным вычисленным образом лопатками, соединив его со ступицей и трактовым кольцом призонными болтами и самоконтрящимися гайками или сваркой, методом конечных элементов на оборотах крейсерского режима с учетом действия на этот узел температуры, газовых и центробежных нагрузок определяют величину проекции на плоскость вращения неуравновешенной составляющей равнодействующей газовых сил, действующих на лопатки, вычисляют аэродинамический дисбаланс и устраняют его виртуально съемом материала с лопаток, предварительно определив с перьев каких лопаток, с каких мест перьев и в каких количествах снимается материал с каждой из этих лопаток, на этом же режиме при действии тех же нагрузок, но для узла с лопатками со снятым материалом вычисляются дисбалансы, у этого узла назначаются две плоскости коррекции, присоединении частей узла призонными болтами эти плоскости проходят через опорные основания головок болтов, а при соединении частей узла сваркой положение этих плоскостей выбирает изготовитель или эти плоскости проходят через торцы замков лопаток, зная ранее определенные дисбалансы, виртуально балансируют узел подбором и расстановкой призонных болтов и/или снятием вычисленной массы материала с торцов головок определенных для этого болтов, или с обоих торцов этих болтов, или увеличением массы этих болтов путем замены их на другие с более высокими головками и изготовитель либо сам назначает в плоскостях коррекции места съема вычисленной массы материала, либо эта масса материала снимается с нижних торцов замков определенных для этого лопаток у плоскостей коррекции, виртуально аналогичным образом проводят массовую и аэродинамическую балансировку остальных ступеней ротора низкого давления, включая предпоследнюю, состоящую из рабочего колеса с лопатками с закрепленным на нем трактовым кольцом, и последнюю, состоящую из рабочего колеса с лопатками с закрепленной на нем ступицей с шипом, вычисляют неуравновешенные дисбалансы и их неуравновешенные моменты этих узлов, выполняют также на крейсерском режиме виртуальную балансировку этих узлов, при этом изготовитель выбирает две или более плоскости коррекции из числа ранее использованных из условий обеспечения требуемого качества балансировки и возможно меньшего или, по крайней мере, допустимого снятия или добавления материала описанными выше способами, виртуально соединяют эти части описанным выше способом в ротор компрессора низкого давления, вычисляют неуравновешенные дисбалансы ротора и их неуравновешенные моменты и на крейсерском режиме описанным выше виртуальным способом с учетом действия температуры, газовых и центробежных нагрузок, выполняют динамическую массовую балансировку ротора, вычисляют остаточные дисбалансы и остаточные моменты этих дисбалансов ротора и силы, действующие на опоры балансировочного низкооборотного станка при нормальной температуре и действующих на оборотах балансировочного станка центробежных и газовых силах, детали ротора, определенные для механической доработки, механически дорабатывают до вычисленных размеров, а призонные болты, подлежащие замене, заменяют на призонные болты с требуемыми вычисленными размерами высоты их головок, собирают ротор согласно маркировке деталей по разработанной технологии, обеспечивающей ротору результаты выполненной виртуально массовой и аэродинамической балансировки ротора, сравнивают результаты виртуальной и реальной балансировок на низкооборотном балансировочном станке, и если результаты допустимы и близки, то ротор считается отбалансированным, при получение при испытании на станке недопустимых значений остаточного главногодисбаланса, главного момента остаточного дисбаланса и сил, действующих на опоры ротора, убеждаются в правильности расчета виртуальной балансировки ротора и отсутствии недопустимых ошибок и дефектов в механической доработке и сборке ротора, если расчеты, механическая доработка деталей и сборка выполнены без ошибок по согласованию с заказчиком изготовитель выполняет повторную балансировку ротора на низкооборотном станке установкой уравновешивающих грузиков в двух доступных у собранного ротора плоскостях коррекции, аналогичным образом выполняют массовую и аэродинамическую балансировку ротора турбины низкого давления, виртуальную модель динамической балансировки вала валопровода низкого давления также строят методом конечных элементов с учетом центробежных сил и температурного поля, изготовитель определяет две или три плоскости коррекции, выполняют виртуальную динамическую балансировку вала на крейсерском режиме виртуальным съемом материала вала в плоскостях коррекции и виртуально определяют значения остаточного главного дисбаланса, главного момента остаточного дисбаланса и сил, действующих на опоры ротора при нормальной температуре и действии центробежных сил на оборотах высокооборотного зарезонансного балансировочного станка, механически дорабатывают вал, удалив с него этот материал, на высокооборотном зарезонансном станке определяют значения остаточного главного дисбаланса, главного момента остаточного дисбаланса и сил, действующих на опоры ротора, и сравнивают значения этих величин с значениями, полученными виртуально, при недопустимой разности этих параметров проверяют точность выполненной механической доработки вала и программу и расчет на наличие в них ошибки, при наличии такой ошибки, исправляют ее, и при наличии ошибки и отсутствии ее, в случае указанной недопустимой разности, выполняют динамическую балансировку вала на высокооборотном зарезонансном станке с дополнительной механической доработкой вала, виртуальную массовую и аэродинамическую балансировку роторов и вала валопровода среднего (если таковой имеется на двигателе) и виртуальную массовую балансировку роторов и вала валопровода высокого давления выполняют на их оборотах, соответствующих крейсерскому режиму двигателя и у роторов на оборотах низкооборотного балансировочного станка, а у валов - на оборотах высокооборотного зарезонансного балансировочного станка, и эти балансировки валопровода среднего давления ничем не отличаются от балансировок валопровода низкого давления, а эти же балансировки валопровода высокого давления отличаются от балансировок валопровода низкого давления тем, что ротор турбины высокого давления состоит у современных ГТД из одной ступени и, следовательно, балансируется как одна ступень, и выполняют ее виртуальную балансировку и затем виртуальную балансировкуротора, также выполняют механическую доработку деталей валопроводов и их сборку и аналогично роторам низкого давления выполняют массовую балансировку роторов и валов валопроводов среднего и высокого давления и сравнивают результаты этих балансировок с результатами соответствующих виртуальных балансировок, разрабатывают приближенную модель валопровода для решения и расчета методом конечных элементов задачи о вынужденных колебаниях валопровода - его прямой синхронной прецессии, для чего вал, роторы компрессора (в случае ТРДД объединенного ротора вентилятора и компрессора низкого давления) и турбины валопровода рассматривают как гибкие роторы, отбалансированные выше описанным способом, вал валопровода жестко закреплен на роторах, каждый валопровод установлен на две, или три, или четыре опоры, закрепленные на абсолютно жестком основании, причем в одной из этих опор установлен радиально упорный шариковый подшипник, а в остальных опорах роликовые подшипники, и одна из опор с роликовым подшипником упругодемпферная с демпфером со сдавливаемой масляной пленкой, включенным в опору последовательно, в рассматриваемой модели принята типовая модель демпфера, широко применяемая в авиадвигателестроении - зазор в демпфере заданной величины, заполненный маслом с известной температурой в опоре, в статическом состоянии при не работающем двигателе, концентричен оси вращения валопровода, что достигается радиальным смещением последовательно включенного в опору, выполненного заодно целое с внутренним кольцом подшипника «беличьего» колеса, компенсирующим его деформацию под действием силы веса валопровода, приходящейся на опору, торцы зазора герметично уплотнены, в наружном кольце демпфера, запрессованном в опоре ротора, на его внутренней поверхности в середине кольца выполнена кольцевая канавка с равнораспределенными по окружности отверстиями, через которые в рабочий зазор демпфера с заданным давлением подачи рп поступает масло, течение масла в зазоре при прецессировании валопровода до критической величины критерия Рейнольдса Re=1000 рассматривается как ламинарное и при Re>1000 как турбулентное, принято также, что при получении в каких - то областях рабочего зазора отрицательных значений давления, его величина при определении реакции в демпфере принята равной нулю, внешнее кольцо демпфера, запрессованное в корпус опоры, считают абсолютно жестким, принято, что упругие опоры роторов обладают изотропными в окружном направлении упругими свойствами, а упругодемпферные опоры роторов также обладают изотропными в окружном направлении упругодемпфирующими свойствами, в решении задачи используют либо найденные в статике методом конечных элементов жесткости упругих опор и упругих частей упругодемпферных опор - корпуса опоры и «беличьего» колеса, либо найденные в процессе решения задачи также методом конечных элементов динамические жесткости этих деталей, причем для опоры с радиальноупорным шариковым подшипником определяют ее жесткость не только в радиальных направлениях, но и в направлении оси вращения валопровода, зазоры по концам рабочих лопаток роторов в неработающем двигателе известны во всем диапазоне рабочих температур, принимаем их концентричными относительно оси вращения и одинаковыми в окружном направлении, следовательно, известна зависимость (линейная) силы, возникающей из-за изменения давления газа в зазоре по концам лопаток из-за смещений в радиальных направлениях роторов валопровода при его прецессировании, действующей на каждую ступень роторов валопровода, от проекций на оси координат x и у амплитуды деформации валопровода в поперечном сечении приложения этой силы, решают задачу прецессирования валопровода под действием внешних сил - сил веса валопровода, приходящихся на его опоры, центробежных сил от остаточных дисбалансов и моментов от центробежных сил остаточных дисбалансов, газовых сил и газовых сил, созданных эксцентриситетом зазора по концам лопаток, возникающего при прецессировании валопровода, определяют амплитудночастотные характеристики и критические режимы валопроводов, определяют валопровод или валопроводы, критические режимы которых попадают в рабочий диапазон двигателя или критический режим с наименьшей резонансной частотой находится в такой близости к максимальному рабочему режиму двигателя, что на этом режиме вызывает большие вибрации двигателя, выполняют виртуально модальную балансировку этого валопровода или этих валопроводов, для чего вычисляют величины уравновешивающих грузиков и виртуально размещают их в требуемых положениях в ранее определенных для каждого валопровода плоскостях коррекции или в части этих плоскостей, виртуально убеждаются в том, что установка этих грузиков на валопровод или эти валопроводы снизила уровень их вибрации до требуемого уровня, закрепляют эти уравновешивающие грузики в плоскостях коррекции валопровода или этих валопроводов двигателя, собирают двигатель из сбалансированных узлов и других узлов и деталей, и на испытательном стенде проводят приемосдаточные испытания двигателя, включающие и переход через резонансные частоты при наборе оборотов и выбеге, при появлении повышенных вибраций снимают двигатель со стенда и занимаются диагностикой.A method for assembling and balancing high-speed rotors and shaft lines of aircraft gas turbine engines and gas pumping units, comprising installing blades in the locks of impeller disks with a slight interference fit or a small gap, ensuring rigid sealing of the blades in the locks at operating speeds under the influence of centrifugal forces, connection with interference and alignment of these impellers and path rings and impellers and hubs with spikes for bearings by welding or using tight-fitting bolts and self-locking nuts and dynamic balancing of engine shaft lines in parts: dynamic balancing of compressor and turbine rotors, as rigid rotors, on a low-frequency balancing machine and balancing of the connecting them shafts, as flexible, at high speeds on a resonant balancing machine, and modal balancing of a low-pressure shaft line on a test bench, characterized in that all parts of the rotors and shafts are marked, weighed and measured, and the blade feathers are measured with a special measuring machine, this data is entered into database, virtually randomly install the first-stage blades into the impeller of a fan rotor or low-pressure compressor, depending on the type of engine - turbojet engine or turbofan engine, using the finite element method at cruising speed, taking into account the effect of temperature, gas and centrifugal loads, and at the same mode, based on the values of the calculated gas forces acting on each blade of the stage impeller, the best possible option for fixing the blades on the disk is determined, providing the lowest possible projection onto the plane of rotation of the unbalanced component of the resultant gas forces acting on the blades, and this value is calculated, the working the first stage wheel with blades fixed on it in the specified calculated way, connecting it to the hub and the path ring with tight-fitting bolts and self-locking nuts or welding, using the finite element method at cruising speed, taking into account the effect of temperature, gas and centrifugal loads on this unit, determine the value of the projection on plane of rotation of the unbalanced component of the resultant gas forces acting on the blades, calculate the aerodynamic imbalance and eliminate it virtually by removing material from the blades, having previously determined which blades from the feathers, from which places of the feathers and in what quantities the material is removed from each of these blades, on the same mode under the action of the same loads, but for an assembly with blades with removed material, imbalances are calculated, two correction planes are assigned to this assembly, when connecting parts of the assembly with tight-fitting bolts, these planes pass through the supporting bases of the bolt heads, and when connecting parts of the assembly by welding, the position of these planes is selected the manufacturer or these planes pass through the ends of the blade locks, knowing the previously determined imbalances, virtually balance the assembly by selecting and arranging fitted bolts and/or removing the calculated mass of material from the ends of the heads of the bolts specified for this, or from both ends of these bolts, or by increasing the mass of these bolts by replacing them with others with higher heads and the manufacturer either himself assigns the location of removal of the calculated mass of material in the correction planes, or this mass of material is removed from the lower ends of the locks of the blades designated for this purpose at the correction planes, mass and aerodynamic balancing of the remaining stages is carried out virtually in the same way low-pressure rotor, including the penultimate one, consisting of an impeller with blades with a path ring attached to it, and the last one, consisting of an impeller with blades with a hub with a spike attached to it, the unbalanced imbalances and their unbalanced moments of these units are calculated, also performed on cruising mode, virtual balancing of these units, while the manufacturer selects two or more correction planes from among those previously used in order to ensure the required quality of balancing and possibly less or at least acceptable removal or addition of material using the methods described above, virtually connecting these parts as described above method into the rotor of a low-pressure compressor, calculate the unbalanced imbalances of the rotor and their unbalanced moments, and in cruising mode, using the virtual method described above, taking into account the effects of temperature, gas and centrifugal loads, perform dynamic mass balancing of the rotor, calculate the residual imbalances and residual moments of these rotor imbalances and forces , acting on the supports of the low-speed balancing machine at normal temperature and centrifugal and gas forces acting at the speed of the balancing machine, the rotor parts identified for mechanical modification are mechanically modified to the calculated dimensions, and the fit bolts to be replaced are replaced with fit bolts with the required calculated dimensions heights of their heads, assemble the rotor according to the markings of the parts using the developed technology, which provides the rotor with the results of virtual mass and aerodynamic balancing of the rotor, compare the results of virtual and real balancing on a low-speed balancing machine, and if the results are acceptable and close, then the rotor is considered balanced, upon receipt testing on the machine the unacceptable values of the residual main unbalance, the main moment of the residual unbalance and the forces acting on the rotor supports, verifying the correctness of the calculation of the virtual balancing of the rotor and the absence of unacceptable errors and defects in the mechanical modification and assembly of the rotor, if the calculations, mechanical modification of the parts and assembly are carried out without errors, upon agreement with the customer, the manufacturer performs re-balancing of the rotor on a low-speed machine by installing balancing weights in two correction planes available from the assembled rotor; similarly, mass and aerodynamic balancing of the low-pressure turbine rotor is performed; a virtual model of dynamic balancing of the low-pressure shaft line is also built using the finite element method taking into account centrifugal forces and the temperature field, the manufacturer determines two or three correction planes, performs virtual dynamic balancing of the shaft in cruising mode by virtually removing shaft material in the correction planes and virtually determines the values of the residual main imbalance, the main moment of residual imbalance and the forces acting on the rotor supports at normal temperature and the action of centrifugal forces at the speed of a high-speed overresonant balancing machine, the shaft is mechanically modified by removing this material from it, on a high-speed overresonant machine the values of the residual main unbalance, the main moment of the residual unbalance and the forces acting on the rotor supports are determined, and the values of these are compared values with values obtained virtually, if there is an unacceptable difference in these parameters, check the accuracy of the mechanical modification of the shaft and the program and the calculation for the presence of an error in them, if there is such an error, correct it, and if there is an error and if there is no error, in the case of the specified unacceptable difference, dynamic balancing of the shaft is performed on a high-speed resonant machine with additional mechanical modification of the shaft, virtual mass and aerodynamic balancing of the rotors and the middle shaft line (if one is available on the engine) and virtual mass balancing of the rotors and the high pressure shaft line is performed at their speeds corresponding to the cruising mode of the engine and for the rotors at the speed of a low-speed balancing machine, and for the shafts - at the speed of a high-speed over-resonance balancing machine, and these balancing of the medium-pressure shaft line are no different from the balancing of the low-pressure shaft line, and these same balancing of the high-pressure shaft line differ from the balancing of the low-pressure shaft line in that that the rotor of a high-pressure turbine consists of a single stage in modern gas turbine engines and, therefore, is balanced as one stage, and its virtual balancing and then virtual balancing of the rotor are performed, mechanical modification of the shafting parts and their assembly are also performed, and similarly to low-pressure rotors, mass balancing of the rotors is performed and shafts of medium and high pressure shaft lines and compare the results of these balancing with the results of the corresponding virtual balancing, develop an approximate model of the shaft line for solving and calculating by the finite element method the problem of forced oscillations of the shaft line - its direct synchronous precession, for which the shaft, compressor rotors (in the case of a combined turbofan engine fan rotor and low-pressure compressor) and shaft line turbines are considered as flexible rotors, balanced in the manner described above, the shaft line shaft is rigidly fixed to the rotors, each shaft line is mounted on two, or three, or four supports fixed on an absolutely rigid base, and in one of These supports have an angular contact ball bearing, and the remaining supports have roller bearings, and one of the supports with a roller bearing is elastic-damper with a damper with a compressible oil film, included in the support in series; in the model under consideration, a standard damper model is adopted, widely used in aircraft engine construction - a gap of a damper of a given size, filled with oil with a known temperature in the support, in a static state with the engine not running, concentric with the axis of rotation of the shaft line, which is achieved by radial displacement of a squirrel wheel bearing in series connected to the support, made integral with the inner ring of the bearing, compensating for its deformation under under the influence of the force of the weight of the shafting on the support, the ends of the gap are hermetically sealed, in the outer ring of the damper, pressed into the rotor support, on its inner surface in the middle of the ring there is an annular groove with holes equally distributed around the circumference, through which into the working gap of the damper with a given supply pressure p p oil enters, the flow of oil in the gap when the shaft line is precessed to the critical value of the Reynolds criterion R e =1000 is considered as laminar and at R e >1000 as turbulent, it is also accepted that when negative pressure values are obtained in some areas of the working gap, its value when determining the reaction in the damper is assumed to be zero, the outer ring of the damper, pressed into the support body, is considered absolutely rigid, it is accepted that the elastic rotor supports have elastic properties that are isotropic in the circumferential direction, and the elastic-damper rotor supports also have elastic-damping properties that are isotropic in the circumferential direction , in solving the problem they use either the stiffnesses of elastic supports and elastic parts of elastic-damper supports found in statics by the finite element method - the support body and the “squirrel” wheel, or the dynamic stiffnesses of these parts found in the process of solving the problem also by the finite element method, and for a support with an angular contact ball the bearing determines its rigidity not only in the radial directions, but also in the direction of the axis of rotation of the shaft line, the gaps at the ends of the working blades of the rotors in an idle engine are known throughout the entire range of operating temperatures, we assume them to be concentric with respect to the axis of rotation and identical in the circumferential direction, therefore, the dependence is known (linear) force arising due to changes in gas pressure in the gap at the ends of the blades due to displacements in the radial directions of the shafting rotors during its precession, acting on each stage of the shafting rotors, from projections on the coordinate axes x and y of the amplitude of deformation of the shafting in the transverse cross section of the application of this force, they solve the problem of precession of the shafting under the action of external forces - the forces of the weight of the shafting attributable to its supports, centrifugal forces from residual imbalances and moments from centrifugal forces of residual imbalances, gas forces and gas forces created by the eccentricity of the gap at the ends of the blades arising when precessing the shafting, determine the amplitude-frequency characteristics and critical modes of the shafting, determine the shafting or shaftings, the critical modes of which fall within the operating range of the engine or the critical mode with the lowest resonant frequency is so close to the maximum operating mode of the engine that in this mode it causes large vibrations of the engine , perform virtually modal balancing of this shafting or these shaftings, for which they calculate the values of the balancing weights and virtually place them in the required positions in the correction planes previously determined for each shafting or in part of these planes, and virtually verify that the installation of these weights on the shafting or these shaft lines have reduced their vibration level to the required level, these balancing weights are secured in the correction planes of the shaft line or these engine shaft lines, the engine is assembled from balanced units and other units and parts, and acceptance tests of the engine are carried out on the test bench, including the transition through resonant frequencies at increase in speed and coast down, if increased vibrations appear, remove the engine from the stand and carry out diagnostics.