Способ автоматического уравновешивания ротативных систем

 

Изобретение предназначено для использования в машиностроении для автоматического уравновешивания динамически неуравновешенных ротативных систем, в особенности высокоскоростных всережимных ротативных машин и механизмов. Технический результат - повышение эффективности уравновешивания ротативных систем за счет расширения диапазона уравновешенности на переменных режимах эксплуатации. Способ заключается в естественном (в поле динамических сил) перемещении уравновешивающих масс в балансировочном пространстве, вещественный состав которых обладает свойством периодического изменения при подводе или отводе энергии. В качестве уравновешивающих масс используют двухкомпонентную смесь, основой которой является вещество, обладающее начальным свойством текучести, а наполнителем является твердое вещество с плотностью и температурой плавления, превышающими плотность и температуру плавления основы.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для автоматического уравновешивания роторов ротативных машин и механизмов.

Уровень техники заключается в следующем.

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.

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.

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.

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.

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.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности процесса уравновешивания ротативной системы при изменении рабочей частоты вращения ротора в закритической области.

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.

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.

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.

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.

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.

Пример реализации автоматического уравновешивания ротативных систем при использовании эвтектоидных сплавов.

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.

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.

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.

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.

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.

Формула изобретения

Способ автоматического уравновешивания ротативных систем, заключающийся в частичном заполнении балансировочного пространства уравновешивающими массами, в качестве которых используют вещества, обладающие начальным свойством текучести, способностью в процессе вращения ротативной системы перемещаться под действием инерционных сил и занимать в области закритического режима работы положение, противоположное неуравновешенной массы ротативной системы и свойством затвердевать до полной их фиксации в балансировочном пространстве, отличающийся тем, что в качестве уравновешивающих масс используют вещество, способное после затвердевания восстанавливать свои начальные свойства текучести при подводе энергии и вновь затвердевать до фиксированного состояния в балансировочном пространстве при отводе энергии, при этом в качестве такого вещества используют двухкомпонентную смесь, основой которой является вещество, обладающее начальным свойством текучести, а наполнителем является твердое вещество с плотностью и температурой плавления, превышающими плотность и температуру плавления основы, способное под действием инерционных сил перемещаться в балансировочном пространстве.