Пасивна динамічна інерційна балансувальна система ротора для турбомашинного обладнання

Реферат: Пасивна динамічна інерційна балансувальна система ротора включає в себе множину балансувальних елементів, посаджених на вал ротора в місцях розрахункового максимального модального відхилення вала. Кожний з балансувальних елементів має щонайменше одну камеру, і в щонайменше одній камері розміщується множина рухомих вантажів і в'язке текуче середовище. Коли вал прискорюється до точки незбалансованості, вантажі переміщуються в щонайменше одній камері в місце, яке є протилежним до точки незбалансованості. В'язке текуче середовище забезпечує демпфірування для рухомих вантажів для запобігання надмірному переміщенню в камері і для забезпечення їх змащування. Також запропоновані система для самокоректування незбалансованості ротора турбомашинного обладнання під час обертання ротора і спосіб для балансування ротора в турбомашинному обладнанні. UA 113207 C2 (12) UA 113207 C2 UA 113207 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Опис ПЕРЕДУМОВИ ДО СТВОРЕННЯ ВИНАХОДУ Галузь техніки, до якої належить винахід Даний винахід, загалом, стосується балансувальної системи для ротора, такого як ротор для використання в турбомашинному обладнанні. Конкретніше, даний винахід стосується динамічної балансувальної системи для ротора, яка пасивно сама коректується при незбалансованості, коли ротор працює, тим самим зменшуючи або виключаючи проблеми незбалансованості і вібрації. Рівень техніки Різні балансувальні системи використовувалися для балансування обертових тіл. Один тип балансувальної системи для використання з колесами для вантажного транспортного засобу включає в себе розташування гранульованого порошку всередині шин великої вантажівки для забезпечення балансування за допомогою інерційного опору переміщенню. Інший тип балансувальної системи для обертового елемента включає в себе гідравлічний демпфер для колінчастих валів двигунів внутрішнього згоряння. Ця система включає в себе демпфер вібрацій колінчастого вала, що складається з щільного прогумованого кільця, підвішеного в закритому кільці, заповненому в'язким текучим середовищем. Демпфер прикріплений до кінця колінчастого вала для зменшення до мінімуму вібрації вала, викликаної за допомогою згоряння і ротаційної незбалансованості. Різні системи і способи пасивного динамічного балансування обертових елементів показані, наприклад, в патенті США номер 1,776,125 на ім'я Linn; патенті США No. 2,659,243 на ім'я Darrieus; патенті США No. 2,771,240 на ім'я Nielsen; патенті США No. 5,593,281 на ім'я Tai і публікації заявки на патент США номер US 2010/0021303 на ім'я Nielsen й інші. Звичайно, сучасні практики для балансування роторів, таких як ротори, що використовуються в турбомашинному обладнанні, включають в себе етапи виконання випробувань для визначення балансу при низькій швидкості, балансу при високій швидкості або обох, і потім додавання або видалення маси в незмінному місці за допомогою шліфування, свердлування, механічної обробки, за допомогою додавання балансувальних вантажів у балансувальне кільце або нарізний вантаж або зміни послідовності складових частин, таких як лопаті і робочі колеса. Ці способи і системи можуть бути часовитратними і дорогими, і можуть приводити до непостійних результатів. Крім того, система може ставати незбалансованою з часом або ставати незбалансованою внаслідок засмічення, зміщення, ерозії або пошкоджень чужорідним об'єктом. Зміни в жорсткості системи, такої як, але не обмежуючись, жорсткість масляної плівки, опорна жорсткість і жорсткість основи, між балансувальним пристроєм і дійсними робочими умовами машини можуть приводити до зміни критичної швидкості, амплітуди і форм коливань. Ці зміни можуть вимагати відмінної величини коректування маси в полярному місці, яка не співпадає з коректуванням балансу, виконаним за допомогою традиційних способів додавання або видалення маси, яка описана детально вище. Коректування для відновлення балансу звичайно вимагали б видалення ротора з робочої машини і відновлення балансу в бункері або при низькій, або високій швидкості. Відповідно, існує необхідність в постійній і недорогій системі і способі для динамічного балансування ротора, яка сама коректується при незбалансованості, коли ротор працює. РОЗКРИТТЯ ВИНАХОДУ Даний винахід спрямований на динамічну балансувальну систему для ротора, яка пасивно сама коректується при незбалансованості, коли ротор працює. Система включає в себе множину кілець, які мають в них замкнуту порожнисту камеру, посаджених на вал ротора в місці розрахункового максимального модального відхилення вала, причому кожне кільце містить кулькові підшипники з важкого металу нарівні з в'язким некорозійним текучим середовищем. Відповідно до першого аспекту, винахід спрямований на пасивну динамічну інерційну балансувальну систему ротора, що містить множину балансувальних елементів, посаджених на вал ротора в місцях розрахункового максимального модального відхилення вала. Кожний з балансувальних елементів включає в себе щонайменше одну камеру. Камери включають в себе множину рухомих вантажів і в'язке текуче середовище, розташоване в них, причому, коли вал прискорюється до точки незбалансованості, вантажі переміщуються в камерах в місце, яке є протилежним до точки незбалансованості, внаслідок інерційних сил, які протидіють радіальному прискоренню вала в напрямку незбалансованості. Вантажі можуть містити кулькові підшипники, виконані з важкого металевого матеріалу, такого як, але не обмежуючись, вольфрамовий сплав. В'язке текуче середовище може містити некорозійний текучий матеріал, такий як речовина на основі гасу або гліколі. Балансувальний елемент може являти собою 1 UA 113207 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 кільце, яке утворює центральну відкриту ділянку, виконану з можливістю розміщення навколо вала ротора, а щонайменше одна камера може містити кільцеву порожнисту ділянку, яка продовжується навколо центральної відкритої ділянки і задана стінками кільця. До однієї половини окружності порожнистої ділянки кільця може бути зайнято кульковими підшипниками, залежно від розрахункової відповіді на незбалансованість, і порожниста ділянка може бути повністю заповнена в'язким текучим середовищем. Відповідно до однієї конструкції, множина балансувальних елементів може являти собою щонайменше три балансувальні елементи, причому один балансувальний елемент розташований поблизу центральної ділянки для першого режиму згинання, а два інші балансувальні елементи розташовані з кожної сторони першого балансувального елемента на, приблизно, четвертних проміжках для другого режиму згинання. Відповідно до іншого аспекту, винахід спрямований на систему для самокоректування незбалансованості ротора турбомашинного обладнання під час обертання ротора, причому система містить щонайменше три кільця, встановлені в заданих місцях вздовж вала ротора, при цьому кожне з кілець включає в себе замкнуту камеру. Множина рухомих вантажів розташована в камері кожного з кілець, і текуче середовище розташоване в камері кожного з кілець таким чином, щоб оточувати рухомі вантажі. При наявності незбалансованості під час обертання, вантажі, розташовані в камерах, переміщуються в напрямку, який є протилежним відносно місця незбалансованості. Відповідно до одного варіанта здійснення, рухомі вантажі можуть містити кулькові підшипники, а текуче середовище може містити в'язкий матеріал, здатний забезпечувати демпфірування для рухомих вантажів, запобігаючи їх надмірним переміщенням, і забезпечувати ці підшипники з змащуванням. Кільця розташовуються вздовж вала ротора в місцях розрахункового максимального модального відхилення вала. Відповідно до однієї конструкції, перше кільце може розташовуватися поблизу центральної ділянки для першого режиму згинання, друге кільце може розташовуватися з одного боку першого кільця, а третє кільце може розташовуватися з протилежної сторони першого кільця. Друге і третє кільця можуть розташовуватися на, приблизно, четвертних проміжках для другого режиму згинання. Відповідно до ще одного іншого аспекту, винахід спрямований на спосіб балансування ротора, такого як ротор в турбомашинному обладнанні. Спосіб включає забезпечення множини кілець, при цьому кожне з кілець включає в себе порожнисту камеру, і при цьому порожниста камера містить рухомі вантажі і в'язкий текучий матеріал. Спосіб додатково включає розміщення кілець вздовж вала ротора таким чином, що кільця розміщуються в заданих місцях вздовж подовжньої довжини вала в місцях розрахункового максимального модального відхилення вала. Коли вал радіально прискорюється до точки незбалансованості, вантажі переміщуються в порожнистих кільцях в напрямку, який є протилежним до точки незбалансованості, наприклад, місце, яке знаходиться, приблизно, на 180° від точки незбалансованості. Відповідно до одного варіанта здійснення щонайменше одне кільце розміщене поблизу подовжнього центра вала для першого режиму згинання, а додаткові кільця розташовані в місцях для другого режиму згинання. Вантажі можуть містити кулькові підшипники, такі як виконані з важкого металевого матеріалу, і текучий матеріал може містити матеріал, такий як некорозійний в'язкий матеріал, здатний забезпечувати демпфірування для підшипників для запобігання їх надмірному переміщенню і для забезпечення змащування для кулькових підшипників. Ці й інші ознаки і характеристики даного винаходу, а також способи керування і функції пов'язаних елементів конструкцій і комбінації частин і заходи економії при виготовленні стануть більш очевидними при розгляді нижченаведеного опису з посиланням на прикладені креслення, всі з яких становлять частину даного опису винаходу, причому однакові посилальні позиції позначають відповідні частини на різних фігурах. КОРОТКИЙ ОПИС КРЕСЛЕНЬ На Фіг. 1 показаний перспективний вигляд збоку вала, що включає в себе балансувальні елементи за винаходом; На Фіг. 2А показане схематичне зображення максимального відхилення першого режиму критичного згинання, якому вал піддавався би під час незбалансованості; На Фіг. 2В показане схематичне зображення максимального відхилення другого режиму критичного згинання, якому вал піддавався би під час незбалансованості; На Фіг. 2С показаний схематичний вигляд збоку вала ротора і приклад розрахункових ротодинамічних режимів згинання; На Фіг. 3А показаний схематичний поперечний розріз балансувального кільця за винаходом, де балансувальні вантажі знаходяться в збалансованому положенні або положенні спокою; і 2 UA 113207 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На Фіг. 3В показаний схематичний поперечний розріз балансувального елемента за винаходом, де балансувальні вантажі переміщуються для протидії точці незбалансованості. ОПИС ПЕРЕВАЖНОГО(ИХ) ВАРІАНТА(ІВ) ЗДІЙСНЕННЯ З метою опису надалі терміни "верхній", "нижній", "правий", "лівий", "вертикальний", "горизонтальний", "верхня частина", "нижня частина", "латеральний", "подовжній" і їх похідні будуть стосуватися винаходу, як визначено на фігурах креслень. Однак потрібно розуміти, що винахід може передбачати різні альтернативні варіанти, за винятком, де чітко вказано інше. Також потрібно розуміти, що конкретні пристрої, показані на прикладених кресленнях і описані в подальшому описі, являють собою просто ілюстративні варіанти здійснення винаходу. Отже, конкретні розміри й інші фізичні характеристики, які стосуються варіантів здійснення, розкритих тут, не треба розглядати як обмеження. Посилання тепер робиться на Фіг. 1, на якій показаний перспективний вигляд збоку вала 10 ротора, що включає в себе балансувальні елементи 12 за винаходом. Балансувальні елементи 12 можуть мати форму кілець, які задають центральну відкриту ділянку 14, виконану з можливістю розміщення навколо вала 10 ротора. Передбачається, що ці балансувальні елементи 12 можуть розташовуватися на будь-якому типі обертового вала для використання в різних типах обладнання, включаючи турбомашинне обладнання і тому подібне. Балансувальні елементи 12 посаджені на вал 10 ротора в місцях розрахункового максимального модального відхилення вала. Посилаючись тепер на Фіг. 2А, показане схематичне зображення максимального відхилення першого режиму критичного згинання, як загалом визначено за допомогою 16, якому вал піддавався би під час незбалансованості. На Фіг. 2В показане схематичне зображення максимального відхилення другого режиму критичного згинання, як загалом визначено за допомогою 18, якому вал піддавався би під час незбалансованості. На Фіг. 2С показаний схематичний вигляд збоку вала 10 ротора і приклад розрахункового ротодинамічного першого режиму 16 критичного згинання і другого режиму 18 критичного згинання Фіг. 2А і 2В, відповідно. Балансувальні елементи 12 розміщені в місцях розрахункового максимального модального відхилення вала. Наприклад, як показано на Фіг. 2А і 2В, множина балансувальних елементів 12 може являти собою щонайменше три балансувальні елементи, причому перший балансувальний елемент 20 може розташовуватися поблизу центральної ділянки 22 в місці максимального відхилення для згинальних коливань 16 першого режиму. Згинальні коливання 18 другого режиму утворюють два місця максимального відхилення 30, 32 на протилежних сторонах місця 22 першого режиму згинання на, приблизно, четвертних проміжках для згинальних коливань 18 другого режиму. Другий балансувальний елемент 34 і третій балансувальний елемент 36 можуть розташовуватися з кожної сторони першого балансувального елемента 20 в цих точках максимального відхилення 30, 32 для згинальних коливань 18 другого режиму. Фіг. 2С являє собою аналіз ротодинамічних поперечних коливань для типового ротора відцентрового компресора, що складається з вала 10 і чотирьох робочих коліс 60. Аналіз поперечних коливань прораховує форми коливань, критичні швидкості і місця точок максимальної амплітуди відхилення для кожної форми коливань. Положення балансувальних пристроїв 12 розміщується в точках розрахункового максимального відхилення 64 для першого режиму 16 згинання і максимального відхилення 62 другого режиму 18 згинання. Передбачається, що будь-яка кількість балансувальних елементів може розміщуватися вздовж подовжньої довжини вала 10 ротора, залежно від довжини вала 10 ротора і кількості розрахункових режимів згинання. Посилаючись тепер на Фіг. 3А і 3В, показаний балансувальний елемент 12, причому балансувальний елемент 12 включає в себе щонайменше одну камеру 40. Балансувальний елемент 12 може являти собою кільце, яке утворює центральну відкриту ділянку 14, виконану з можливістю розміщення навколо вала 10 ротора. Щонайменше одна камера 40 може містити кільцеву порожнисту ділянку, яка продовжується навколо центральної відкритої ділянки 14 і задана внутрішньою стінкою 41а і зовнішньою стінкою 41b кільця. Камери 40 включають в них множину рухомих вантажів 42 і в'язке текуче середовище 44. Під час обертання, як показано стрілкою 55 на Фіг. 3В, і в міру того, як вал 10 ротора прискорюється до точки 46 незбалансованості, як позначено стрілкою 48 на Фіг. 3В, вантажі 42 переміщуються в камері 40 в напрямку, як визначено стрілками 50, до місця 52, яке є протилежним до точки 46 незбалансованості. Це місце може знаходитися, приблизно, на 180° від точки 46 незбалансованості. Вантажі 42 можуть містити кулькові підшипники, виконані з важкого металевого матеріалу, такого як вольфрамовий сплав. В'язке текуче середовище 44 може містити некорозійний текучий матеріал, такий як речовина на основі гасу або гліколі. Аж до 3 UA 113207 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 однієї чверті окружності 54 кільцевої порожнистої ділянки або камери 40 балансувального елемента кільця 12 може бути зайнято кульковими підшипниками 42. Кільцева порожниста ділянка або камера 40 може бути повністю заповнена в'язким текучим середовищем. Даний винахід спирається на закони Ньютона і основні закони інерції. Незбалансованість вала ротора викликає зусилля, яке прискорюється радіально назовні в напрямку незбалансованості. Інерція кулькових підшипників примушує їх намагатися залишатися в стані спокою, таким чином вал прискорюється до незбалансованості, кулькові підшипники переміщуються на 180° від точки незбалансованості (і вектора прискорення), переміщуючи центр маси, який співпадає з віссю обертання. В'язке текуче середовище забезпечує подвійну функцію демпфірування для підшипників для запобігання надмірному переміщенню підшипників і для забезпечення змащування для підшипників, коли вони переміщуються в камері балансувального елемента. За теорією, підшипники будуть встановлюватися в місце, яке приводить до відсутності фактичного радіального прискорення вала і, отже, відсутності вібрації. Якщо баланс вала ротора змінюється, наприклад, за допомогою динамічного згинання ротора, засмічення і тому подібного, підшипники пасивно динамічно регулюються, повертаючи систему в стан нульового прискорення і, отже, відсутності незбалансованості. Посилаючись назад на Фіг. 2А і 2В, спосіб балансування ротора, такого як ротор в турбомашинному обладнанні, містить визначення місць розрахункового максимального модального відхилення вала відповідно до першого режиму 16 критичного згинання і другого режиму 18 критичного згинання. Спосіб додатково включає в себе забезпечення множини балансувальних елементів 12, наприклад, в формі кілець. Як розглянуто вище відносно Фіг. 3А і 3В, кожне з кілець 12 включає в себе порожнисту камеру 40, і порожниста камера 40 містить рухомі вантажі 42 і матеріал в'язкого текучого середовища 44. Спосіб додатково містить розміщення кілець 12 вздовж вала 10 ротора таким чином, що кільця 12 розміщуються в заданих місцях вздовж подовжньої довжини вала в місцях розрахункового максимального модального відхилення вала, таким чином, коли вал прискорюється до точки 46 незбалансованості, вантажі переміщуються в порожнистих кільцях 12 в напрямку, який є протилежним до точки 46 незбалансованості, наприклад, місце 52, яке знаходиться приблизно на 180° від точки 46 незбалансованості, як визначено стрілкою 50. Як розглянуто вище, відповідно до одного варіанта здійснення, щонайменше перший балансувальний елемент або кільце 22 розміщується поблизу подовжнього центра 22 вала 10 для першого режиму згинання, і додаткові балансувальні елементи або кільця, наприклад, другий балансувальний елемент або кільце 34 і третій балансувальний елемент або кільце 36, розташовуються в місцях 30, 32 для другого режиму згинання. Знову посилаючись на Фіг. 3А і 3В, рухомі вантажі 42 можуть містити кулькові підшипники, такі, як виконані з важкого металевого матеріалу, і текучий матеріал 44 може містити некорозійний в'язкий матеріал, такий як речовина на основі гасу або гліколі. Цей в'язкий матеріал може являти собою будь-який відомий тип некорозійного матеріалу, який є здатним забезпечувати демпфірування для підшипників для запобігання їх надмірному переміщенню і для забезпечення змащування кулькових підшипників. Хоча винахід був детально описаний з метою ілюстрації на основі того, що в цей час вважається найбільш практичними і переважними варіантами здійснення, потрібно розуміти, що така детальність призначена виключно для цієї мети і що винахід не обмежений розкритими варіантами здійснення, а, навпаки, — охоплює модифікації і еквівалентні конструкції, які потрапляють під суть і об'єм даного опису. Наприклад, потрібно розуміти, що даний винахід передбачає, що, в міру можливості, одна або більше ознак будь-якого варіанта здійснення можуть бути об'єднані з однією або більше ознаками будь-якого іншого варіанта здійснення. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 1. Пасивна динамічна інерційна балансувальна система ротора, яка містить: щонайменше три балансувальних елементи, посаджені на вал ротора в місцях розрахункового максимального модального відхилення вала, при цьому кожний з вказаних балансувальних елементів включає в себе щонайменше одну камеру, при цьому вказана щонайменше одна камера кожного з вказаних балансувальних елементів включає в себе: множину рухомих вантажів; і в'язке текуче середовище, розташоване в ній, причому при прискоренні вала до точки незбалансованості вантажі переміщаються у щонайменше одній камері в місце, яке є протилежним точці незбалансованості, 4 UA 113207 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 при цьому щонайменше один балансувальний елемент розташований поблизу центральної ділянки для першого режиму згинання, а щонайменше два балансувальних елементи розташовані на, приблизно, четвертних проміжках для другого режиму згинання. 2. Система за п. 1, в якій вантажі містять кулькові підшипники, виконані з важкого металевого матеріалу. 3. Система за п. 2, в якій важкий металевий матеріал містить вольфрамовий сплав. 4. Система за п. 1, в якій в'язке текуче середовище містить некорозійний текучий матеріал. 5. Система за п. 4, в якій в'язке текуче середовище містить речовину на основі гасу або гліколю. 6. Система за п. 1, в якій балансувальний елемент являє собою кільце, яке утворює центральну відкриту ділянку, виконану з можливістю розміщення навколо вала ротора, а щонайменше одна камера містить кільцеву порожнисту ділянку, яка продовжується навколо центральної відкритої ділянки і утворена стінками кільця. 7. Система за п. 6, в якій до однієї половини окружності порожнистої ділянки кільця зайнято кульковими підшипниками, а порожниста ділянка повністю заповнена в'язким текучим середовищем. 8. Система для самокоректування незбалансованості ротора турбомашинного устаткування під час обертання вказаного ротора, яка містить: щонайменше три кільця, встановлених в заданих місцях вздовж вала ротора, при цьому кожне з вказаних кілець включає в себе замкнену камеру; множину рухомих вантажів, розташованих у вказаній камері кожного з вказаних кілець; і текуче середовище, яке розташовано у вказаній камері кожного з вказаних кілець і оточує вказані рухомі вантажі, причому, при наявності незбалансованості під час обертання, вантажі, розташовані в камерах, переміщаються у напрямку, який є протилежним від місця незбалансованості, при цьому перше кільце розташовано поблизу центральної ділянки для першого режиму згинання, друге кільце розташовано з одного боку вказаного першого кільця, а третє кільце розташовано з протилежного боку вказаного першого кільця, при цьому вказані друге і третє кільця розташовані на, приблизно, четвертних проміжках для другого режиму згинання. 9. Система за п. 8, в якій рухомі вантажі містять кулькові підшипники, а текуче середовище містить в'язкий матеріал, здатний забезпечувати демпфірування для рухомих вантажів для запобігання надмірному переміщенню і для забезпечення змащування. 10. Система за п. 8, в якій кільця розташовані вздовж вала ротора в місцях розрахункового максимального модального відхилення вала. 11. Спосіб балансування ротора в турбомашинному устаткуванні, який включає: забезпечення множини кілець, кожне з яких включає в себе порожнисту камеру, яка містить рухомі вантажі і в'язкий текучий матеріал; і розміщення вказаних кілець вздовж вала вказаного ротора, при цьому вказані кільця розміщують в заданих місцях вздовж подовжньої довжини вказаного вала в місцях розрахункового максимального модального відхилення вала, таким чином, що при прискоренні вала до точки незбалансованості вантажі переміщаються в порожнистих кільцях у напрямку, який є протилежним точці незбалансованості, причому щонайменше одне кільце розміщують поблизу подовжнього центра вала для першого режиму згинання, а додаткові кільця розташовують в місцях для другого режиму згинання. 12. Спосіб за п. 11, в якому вантажі містять кулькові підшипники, а текучий матеріал містить матеріал, здатний забезпечувати демпфірування для підшипників для запобігання їх надмірному переміщенню і для забезпечення змащування для кулькових підшипників. 13. Спосіб за п. 12, в якому кулькові підшипники виконані з важкого металевого матеріалу, а текучий матеріал містить некорозійний в'язкий матеріал. 14. Спосіб за п. 12, в якому рухомі вантажі переміщають в місце, яке знаходиться, приблизно, на 180° від точки незбалансованості. 5 UA 113207 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6