一种涡轮泵柔性转子高速动平衡品质一致性控制方法技术

本发明专利技术提供了一种涡轮泵柔性转子高速动平衡品质一致性控制方法，确定出涡轮泵组合转子装配过程中集中质量圆盘外圆跳动量上限、轴系拧紧力矩下限、转子对中度上限。克服现有方法高速动平衡效果在轴系反复装配‑分解时一致性差的显著缺点，本发明专利技术对转子平衡品质的一致性控制好，转子平衡后的振动位移水平不受轴系结构反复拆装的影响，反复拆装后振动位移放大系数<1.2，同时提高了涡轮泵转子高速动平衡合格率和交付效率。

High speed dynamic balancing quality consistency control method of turbopump flexible rotor

The invention provides a turbo pump flexible rotor of high speed dynamic balance of the consistency of the quality control method, determine the turbo pump combined rotor assembly process mass disc outside diameter runout limit, shaft tightening torque limit, rotor to moderate limit. To overcome the existing methods of high speed dynamic balance effect of repeated assembly decomposition significant shortcomings of poor consistency in shafting, consistency of rotor balance quality control of the invention, the vibration displacement of horizontal rotor balance of the shafting structure is not affected by repeated disassembly, repeated disassembly after the vibration displacement amplification factor < 1.2, at the same time improve the turbine the pump rotor of high speed dynamic balance of the qualified rate and delivery efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种涡轮泵柔性转子高速动平衡品质一致性控制方法
本专利技术涉及一种用于高速涡轮泵柔性转子在重复装配时的高速动平衡品质一致性控制方法，特别是液氢液氧火箭发动机的涡轮泵组合转子。
技术介绍
进入21世纪，世界各国竞相争夺太空战略地位，载人航天和深空探测活动重新受到重视，特别是运载火箭的更新换代速度加快，引领航天推进技术飞速发展。氢氧发动机涡轮泵作为输送液氢液氧的关键组件，其运行状态直接影响火箭发动机整机的性能和可靠性。目前，国内外氢氧发动机涡轮泵的工作转速普遍较高，常采用工作在一、二阶甚至二、三阶临界转速之间的柔性转子设计。高转速给涡轮泵转子的平稳工作带来了挑战，必须采用高速动平衡工艺对其进行平衡，以使转子在工作转速下运转平稳，振幅处于设计允许范围内。对于工作转速较高的涡轮泵转子来说(>40000r/min)，由于高转速带来的过临界振动问题给高速动平衡的平衡精度乃至整个工艺方法，以及平衡系统和组合转子的安全性等提出了更高的要求。液体火箭发动机服役对象(运载火箭)的高成本特点和高稳定性要求，使得对其质量控制非常严苛。涡轮泵组合转子通常包括了转轴、诱导轮、离心轮、涡轮、轴套、压紧螺母、垫片、轴承、支承等零部件，而涡轮泵的整体结构特点决定了其转子在高速动平衡后，需要将组合转子分解为零件状态，才能与涡轮泵壳体进行最后的总装。而由于涡轮泵轴系上各零件配合关系复杂(有螺纹连接、花键连接、定位面连接，配合包括过盈配合、过渡配合和间隙配合)，因此在组合转子反复装配-分解后，由于轴系上零件配合关系的小幅改变，势必会引起整个转子系统的平衡品质变化，使原本平衡好的转子，振动位移再度超标。在本专利技术前，高速动平衡品质一致性控制技术在国内液体火箭发动机领域尚属空白，国内其他领域高速动平衡存在的主要问题就是：高速动平衡的效果在转子反复装配-分解后明显下降，具体来说，经过高速动平衡的转子，一般在重复装配-分解一次后，过临界转速处的振动位移通常明显放大三倍以上。而实际上不止液体火箭发动机，旋转机械行业内相当一部分转子在高速动平衡后都需要分解为零件状态并重新安装至机械壳体内，因此，高速动平衡品质的一致性控制，是制约旋转机械旋转精度、运转效率的突出矛盾，且目前无有效的控制方法。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种涡轮泵柔性转子高速动平衡品质一致性控制方法，克服现有高速动平衡效果在轴系反复装配-分解时一致性差的显著缺点，对转子平衡品质的一致性控制好，转子平衡后的振动位移水平不受轴系结构反复装配-分解的影响(重复装配-分解后振动位移放大系数<1.2)。本专利技术的技术解决方案是：一种涡轮泵柔性转子高速动平衡品质一致性控制方法，包括如下步骤：步骤一、装配涡轮泵组合转子，找到涡轮泵组合转子的泵叶轮、涡轮以及连接法兰等集中质量圆盘的外圆跳动量最小值P0,i，并对涡轮组合转子的各零件的角向相对位置进行划线标记；下标0表示外圆跳动量初始最小值，i表示第i个集中质量圆盘，对任意涡轮泵组合转子，i＝1，2，…，n，n为正整数；步骤二、在步骤一确定的外圆跳动量最小值状态下，进行高速动平衡试验，获取转子的振动位移A0；步骤三、拆卸涡轮泵组合转子，各零件不按照划线进行重新装配，仍控制涡轮泵组合转子泵叶轮、涡轮以及连接法兰等集中质量圆盘的外圆跳动量至步骤一中外圆跳动量最小值状态，进行高速动平衡试验，记录转子振动位移A1；若A1>1.2A0，则涡轮泵组合转子在高速动平衡时需按步骤一中的划线装配；否则，涡轮泵组合转子在高速动平衡时不需要按步骤一中的划线装配；步骤四、涡轮泵组合转子重新装配，增大第1个集中质量圆盘的外圆跳动量P0,1至Pj,1，保持其他集中质量圆盘的外圆跳动量为P0,2，P0,3，…，P0,n，进行高速动平衡试验，获取转子振动位移Aj+1,1；j为正整数；步骤五、j＝j+1，重复步骤四，直至转子振动位移Aj+1,1>1.2A0，则此时确定出用于保证转子高速动平衡品质一致性的第1个集中质量圆盘的外圆跳动量上限Pj+1,1；步骤六、保持调整后的前i-1个集中质量圆盘的外圆跳动量不变，增大第i个集中质量圆盘的跳动量P0,i至Pj,i，保持第i+1至第n个集中质量圆盘的外圆跳动量为P0,i+1，…，P0,n，进行高速动平衡试验，获取转子振动位移Aj+1,i；步骤七、j＝j+1，重复步骤六，直至转子振动位移Aj+1,i>1.2A0，则此时确定出用于保证转子高速动平衡品质一致性的第i个集中质量圆盘的外圆跳动量上限Pj+1,i；i＝i+1，当i>n时，进入步骤八，否则返回步骤六；步骤八、如果涡轮泵组合转子为工作在一阶临界转速与二阶临界转速之间的转子，进入步骤十五；如果涡轮泵组合转子为工作在二阶临界转速以上的转子，进入步骤九；步骤九、按照步骤一中涡轮泵组合转子泵叶轮、涡轮以及连接法兰处的外圆跳动量最小值P0i、轴系拧紧力矩T0对涡轮泵组合转子重新装配并进行高速动平衡试验，获取转子的振动位移AT0；步骤十、减小轴系拧紧力矩T0至Tk，进行高速动平衡试验，获取转子振动位移ATk，k为正整数；步骤十一、k＝k+1，重复步骤十，直至转子振动位移ATk>1.2AT0，则此时确定出用于保证转子高速动平衡品质一致性的轴系拧紧力矩下限Tk+1；步骤十二、按照步骤一中涡轮泵组合转子泵叶轮、涡轮以及连接法兰处的外圆跳动量最小值P0i、轴系拧紧力矩T0、转子对中度U0对涡轮泵组合转子重新装配并进行高速动平衡试验，获取转子的振动位移AU0；步骤十三、增大转子对中度U0至Um，进行高速动平衡试验，获取转子振动位移AUm，m为正整数；步骤十四、m＝m+1，重复步骤十三，直至转子振动位移AUm>1.2AU0，则此时确定出用于保证转子高速动平衡品质一致性的转子对中度上限Um+1；进入步骤十六；步骤十五、根据步骤一确定的划线、最终获得的集中质量圆盘外圆跳动量上限进行涡轮泵组合转子装配，方法结束；步骤十六、根据步骤一确定的划线、最终获得的集中质量圆盘外圆跳动量上限、轴系拧紧力矩下限、转子对中度上限进行涡轮泵组合转子装配。所述步骤一中轴系各零件包括转轴、诱导轮、离心轮、涡轮、轴套、压紧螺母、垫片、轴承、支承，其中外径尺寸>2.5倍轴外径的回转体结构为集中质量圆盘。所述步骤一中集中质量圆盘的外圆跳动量最小值P0,i不大于0.05mm。所述步骤四、步骤五、步骤六或步骤七中，集中质量圆盘的外圆跳动量的调整步长不大于0.005mm。所述步骤九中涡轮泵组合转子轴系拧紧力矩T0＝7.5×螺纹大径。所述步骤十或步骤十一中，涡轮泵组合转子轴系拧紧力矩Tk的调整步长不大于T0/100。所述步骤十二中，涡轮泵组合转子的转子对中度U0不大于轴径/600。所述步骤十三或步骤十四中，涡轮泵组合转子的转子对中度Um的调整步长不大于0.005mm。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术提高了涡轮泵转子高速动平衡品质一致性，使组合转子的高速动平衡效果不受转子装配-分解的影响。通过高速动平衡品质一致性控制技术，可达到涡轮泵转子在平衡后，尽管经过多次反复装配-分解，仍然能够保证振动位移水平在120μm以下，远远优于同尺寸量级(Φ300mm×400mm～本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种涡轮泵柔性转子高速动平衡品质一致性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、装配涡轮泵组合转子，找到涡轮泵组合转子的泵叶轮、涡轮以及连接法兰等集中质量圆盘的外圆跳动量最小值P0,i，并对涡轮组合转子的各零件的角向相对位置进行划线标记；下标0表示外圆跳动量初始最小值，i表示第i个集中质量圆盘，对任意涡轮泵组合转子，i＝1，2，…，n，n为正整数；步骤二、在步骤一确定的外圆跳动量最小值状态下，进行高速动平衡试验，获取转子的振动位移A0；步骤三、拆卸涡轮泵组合转子，各零件不按照划线进行重新装配，仍控制涡轮泵组合转子泵叶轮、涡轮以及连接法兰等集中质量圆盘的外圆跳动量至步骤一中外圆跳动量最小值状态，进行高速动平衡试验，记录转子振动位移A1；若A1>1.2A0，则涡轮泵组合转子在高速动平衡时需按步骤一中的划线装配；否则，涡轮泵组合转子在高速动平衡时不需要按步骤一中的划线装配；步骤四、涡轮泵组合转子重新装配，增大第1个集中质量圆盘的外圆跳动量P0,1至Pj,1，保持其他集中质量圆盘的外圆跳动量为P0,2，P0,3，…，P0,n，进行高速动平衡试验，获取转子振动位移Aj+1,1；j为正整数；步骤五、j＝j+1，重复步骤四，直至转子振动位移Aj+1,1>1.2A0，则此时确定出用于保证转子高速动平衡品质一致性的第1个集中质量圆盘的外圆跳动量上限Pj+1,1；步骤六、保持调整后的前i‑1个集中质量圆盘的外圆跳动量不变，增大第i个集中质量圆盘的跳动量P0,i至Pj,i，保持第i+1至第n个集中质量圆盘的外圆跳动量为P0,i+1，…，P0,n，进行高速动平衡试验，获取转子振动位移Aj+1,i；步骤七、j＝j+1，重复步骤六，直至转子振动位移Aj+1,i>1.2A0，则此时确定出用于保证转子高速动平衡品质一致性的第i个集中质量圆盘的外圆跳动量上限Pj+1,i；i＝i+1，当i>n时，进入步骤八，否则返回步骤六；步骤八、如果涡轮泵组合转子为工作在一阶临界转速与二阶临界转速之间的转子，进入步骤十五；如果涡轮泵组合转子为工作在二阶临界转速以上的转子，进入步骤九；步骤九、按照步骤一中涡轮泵组合转子泵叶轮、涡轮以及连接法兰处的外圆跳动量最小值P0i、轴系拧紧力矩T0对涡轮泵组合转子重新装配并进行高速动平衡试验，获取转子的振动位移AT0；步骤十、减小轴系拧紧力矩T0至Tk，进行高速动平衡试验，获取转子振动位移ATk，k为正整数；步骤十一、k＝k+1，重复步骤十，直至转子振动位移ATk>1.2AT0，则此时确定出用于保证转子高速动平衡品质一致性的轴系拧紧力矩下限Tk+1；步骤十二、按照步骤一中涡轮泵组合转子泵叶轮、涡轮以及连接法兰处的外圆跳动量最小值P0i、轴系拧紧力矩T0、转子对中度U0对涡轮泵组合转子重新装配并进行高速动平衡试验，获取转子的振动位移AU0；步骤十三、增大转子对中度U0至Um，进行高速动平衡试验，获取转子振动位移AUm，m为正整数；步骤十四、m＝m+1，重复步骤十三，直至转子振动位移AUm>1.2AU0，则此时确定出用于保证转子高速动平衡品质一致性的转子对中度上限Um+1；进入步骤十六；步骤十五、根据步骤一确定的划线、最终获得的集中质量圆盘外圆跳动量上限进行涡轮泵组合转子装配，方法结束；步骤十六、根据步骤一确定的划线、最终获得的集中质量圆盘外圆跳动量上限、轴系拧紧力矩下限、转子对中度上限进行涡轮泵组合转子装配。...

【技术特征摘要】
1.一种涡轮泵柔性转子高速动平衡品质一致性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、装配涡轮泵组合转子，找到涡轮泵组合转子的泵叶轮、涡轮以及连接法兰等集中质量圆盘的外圆跳动量最小值P0,i，并对涡轮组合转子的各零件的角向相对位置进行划线标记；下标0表示外圆跳动量初始最小值，i表示第i个集中质量圆盘，对任意涡轮泵组合转子，i＝1，2，…，n，n为正整数；步骤二、在步骤一确定的外圆跳动量最小值状态下，进行高速动平衡试验，获取转子的振动位移A0；步骤三、拆卸涡轮泵组合转子，各零件不按照划线进行重新装配，仍控制涡轮泵组合转子泵叶轮、涡轮以及连接法兰等集中质量圆盘的外圆跳动量至步骤一中外圆跳动量最小值状态，进行高速动平衡试验，记录转子振动位移A1；若A1>1.2A0，则涡轮泵组合转子在高速动平衡时需按步骤一中的划线装配；否则，涡轮泵组合转子在高速动平衡时不需要按步骤一中的划线装配；步骤四、涡轮泵组合转子重新装配，增大第1个集中质量圆盘的外圆跳动量P0,1至Pj,1，保持其他集中质量圆盘的外圆跳动量为P0,2，P0,3，…，P0,n，进行高速动平衡试验，获取转子振动位移Aj+1,1；j为正整数；步骤五、j＝j+1，重复步骤四，直至转子振动位移Aj+1,1>1.2A0，则此时确定出用于保证转子高速动平衡品质一致性的第1个集中质量圆盘的外圆跳动量上限Pj+1,1；步骤六、保持调整后的前i-1个集中质量圆盘的外圆跳动量不变，增大第i个集中质量圆盘的跳动量P0,i至Pj,i，保持第i+1至第n个集中质量圆盘的外圆跳动量为P0,i+1，…，P0,n，进行高速动平衡试验，获取转子振动位移Aj+1,i；步骤七、j＝j+1，重复步骤六，直至转子振动位移Aj+1,i>1.2A0，则此时确定出用于保证转子高速动平衡品质一致性的第i个集中质量圆盘的外圆跳动量上限Pj+1,i；i＝i+1，当i>n时，进入步骤八，否则返回步骤六；步骤八、如果涡轮泵组合转子为工作在一阶临界转速与二阶临界转速之间的转子，进入步骤十五；如果涡轮泵组合转子为工作在二阶临界转速以上的转子，进入步骤九；步骤九、按照步骤一中涡轮泵组合转子泵叶轮、涡轮以及连接法兰处的外圆跳动量最小值P0i、轴系拧紧力矩T0对涡轮泵组合转子重新装配并进行高速动平衡试验，获取转子的振动位移AT0；步骤十、减小轴系拧紧力矩T0至Tk，进行高速动平衡试验，获取转子振动位移ATk，k...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，窦唯，姜绪强，闫宇龙，李铭，张召磊，于槟恺，叶小明，夏德新，
申请(专利权)人：北京航天动力研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11