一种满足火箭发动机涡轮泵装配及使用的高速动平衡方法技术

一种满足火箭发动机涡轮泵装配及使用的高速动平衡方法，包括如下步骤：步骤一、利用有限元算法对涡轮泵柔性转子进行动特性计算，并结合高速动平衡品质一致性控制方法，确定涡轮泵柔性转子高速动平衡参数和指标；步骤二、进行涡轮泵柔性转子的装配，并将涡轮泵柔性转子安装在高速动平衡机上，进行位移传感器的安装及调试；步骤三、对涡轮泵柔性转子进行去重平衡及高速动平衡效果的反复拆装一致性测试；步骤四、根据步骤一～步骤三中的测试结果，进行涡轮泵装配。本发明专利技术解决了其他高速动平衡方法及其精度无法适用于涡轮泵装配及使用条件的问题。

A high speed dynamic balancing method to meet the assembly and use of a rocket engine turbopump

A high speed dynamic balance method of rocket engine turbopump assembly and use, which comprises the following steps: step one, using the finite element method to solve the dynamic characteristics of turbine pump flexible rotor, and combined with the balance of the consistency of the quality control method of high speed dynamic, determine the high speed dynamic balance parameters of turbo pump rotor assembly, flexible; step two for turbine pump of flexible rotor, and the turbine pump installed in the high speed flexible rotor dynamic balancing machine, installation and debugging of displacement sensor; step three, the turbopump of flexible rotor balancing and high speed dynamic balance effect of repeated disassembly consistency test; step four, according to a third step to step test the results of the turbopump assembly. The invention solves the problem that other high-speed dynamic balancing methods and their precision can not be applied to the assembly and use conditions of the turbopump.

【技术实现步骤摘要】
一种满足火箭发动机涡轮泵装配及使用的高速动平衡方法
本专利技术涉及一种高速动平衡方法，特别涉及一种满足火箭发动机涡轮泵装配及使用的高速动平衡方法。
技术介绍
涡轮泵是液体发动机输送推进剂的关键组件，其运行状态直接影响发动机可靠性、安全性。特别是氢氧发动机涡轮泵的工作转速较高，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。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，以使转子在全转速范围内运转平稳，转子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，以及平衡系统和柔性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。涡轮泵柔性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，需要将柔性转子分解为零件状态，才能与涡轮泵壳体进行最后的总装。在上述特点的约束下，涡轮泵的高速动平衡工艺方法，应既能保证严苛的平衡品质要求，同时保证柔性转子分解-装配后平衡品质一致性的控制精度，又能满足发动机产品日益提升的交付效率要求。为了保证转子的平衡品质和平衡效率，必须对高速动平衡技术体系和工艺流程进行改善和优化。在本专利技术前，高速动平衡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方法存在的主要问题有：1)平衡品质要求相对较低；2)平衡效果在分解-装配后明显下降；3)各台次间的平衡品质的一致性差，平衡技术要求不固化。难以适用于低温液体火箭发动机涡轮泵的装配及使用。
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，提出了一种满足火箭发动机涡轮泵装配及使用的高速动平衡方法，平衡品质高，平衡效果一致性好，不受轴系结构反复装配-分解的影响，平衡品质控制优，各台次涡轮泵平衡效果水平接近、散差小，解决了其他高速动平衡方法及其精度无法适用于涡轮泵装配及使用条件的问题。本专利技术的技术解决方案是：一种满足火箭发动机涡轮泵装配及使用的高速动平衡方法，包括如下步骤：步骤一、利用有限元算法对涡轮泵柔性转子进行动特性计算，并结合高速动平衡品质一致性控制方法，确定涡轮泵柔性转子高速动平衡参数和指标；步骤二、进行涡轮泵柔性转子的装配，并将涡轮泵柔性转子安装在高速动平衡机上，进行位移传感器的安装及调试；步骤三、对涡轮泵柔性转子进行去重平衡及高速动平衡效果的反复拆装一致性测试；步骤四、根据步骤一～步骤三中的测试结果，进行涡轮泵装配。所述步骤一的具体步骤如下：步骤1.1：采用有限元算法对涡轮泵柔性转子进行动特性计算，确定涡轮泵柔性转子的一阶临界转速ω1，二阶临界转速ω2，三阶临界转速ω3；选择满足ω2<0.8×ωmax的高速动平衡机，其中，ωmax为高速动平衡机最高平衡转速；根据一阶临界转速ω1，二阶临界转速ω2，以及涡轮泵工作转速ωn，确定涡轮泵柔性转子需要平衡的转速区间；步骤1.2：根据涡轮泵转子不平衡响应及振动的仿真结果，确定高速动平衡机摆架地角螺栓的拧紧力矩Tb、转接工装与摆架的螺栓连接力矩Tgb、转接工装自身的螺栓力矩标准Tg；根据涡轮泵柔性转子的转速、振动参数计算轴承的运转发热功率W，确定高速动平衡冷却润滑油温度T冷、压力P冷和流量m冷的取值范围；根据涡轮泵柔性转子高速动平衡时的升速率，确定高速动平衡机内真空度P真空取值范围；步骤1.3：利用高速动平衡品质一致性控制方法，确定该型号涡轮泵柔性转子高速动平衡品质一致性的平衡品质控制参数指标，包括各级集中质量圆盘的外圆跳动量P、轴系拧紧力矩T以及转子与动平衡机的对中度U；步骤1.4：根据涡轮泵转子的集中质量圆盘的材料、尺寸、在轴上的位置分布，制定振动位移测量方式，选择位移传感器型号；根据涡轮泵柔性转子弹性支承结构的材料、尺寸以及轴承的形式，制定弹性支承应力及轴承温度测量方式，确定温度传感器型号；步骤1.5：根据涡轮泵柔性转子动特性仿真的瞬态、稳态不平衡响应结果，确定涡轮泵高速动平衡振动位移指标上限A，并确定涡轮泵柔性转子反复拆装后的振动位移指标上限n×A中n的取值，再根据涡轮泵柔性转子动特性仿真结中的轴系振型确定去重平面位置。所述步骤二的具体步骤如下：步骤2.1：按步骤1.3中确定的各个集中质量圆盘位置的跳动量P、柔性转子轴系螺母的压紧力矩T的参数要求，进行涡轮泵柔性转子的装配；步骤2.2：按步骤1.2中确定的高速动平衡机摆架地角螺栓的拧紧力矩Tb、转接工装与摆架的螺栓连接力矩Tgb、转接工装自身的螺栓力矩标准Tg以及步骤1.3中确定的一致性控制参数涡轮泵柔性转子与高速动平衡机的连接对中度U的参数要求，将涡轮泵柔性转子安装在高速动平衡机上；步骤2.3：根据步骤一中有限元动特性仿真计算结果，并根据步骤1.4中确定的位移测量方式和传感器的类型，进行高速动平衡位移传感器的安装及调试，并确定位移传感器与集中质量圆盘的间隙上限、间隙下限。所述步骤三的具体步骤如下：步骤3.1：启动高速动平衡机，将涡轮泵柔性转子连续升速，采集振动位移数据并实时观测，若涡轮泵柔性转子振动位移≥400μm，则立即停机，否则将涡轮泵柔性转子连续升速至涡轮泵工作转速ωn后停机；步骤3.2：在步骤1.5中确定的去重平面及去重区内进行试重，将涡轮泵柔性转子升速运转至涡轮泵工作转速ωn后停机；根据振动位移数据采集结果利用多平面影响系数法，计算获得不平衡矢量计算；步骤3.3：根据步骤3.2的计算结果，在各去重平面进行配重；而后将涡轮泵柔性转子重新升速，若涡轮泵柔性转子振动位移全程小于步骤1.5中确定的振动位移指标上限A，则配重成功，进入步骤3.4；否则返回至步骤3.2；步骤3.4：根据配重量，在相应去重平面上，在配重相位180°的位置，对涡轮泵柔性转子进行去重，称量去重量，当去重量≈80％配重量时，停止去重，并拆下配重；步骤3.5：对涡轮泵柔性转子重新升速，若涡轮泵柔性转子振动位移全程小于步骤1.5中确定的振动位移指标上限A，则去重成功，进入步骤3.6，否则继续增加去重量，直至振动位移全程小于步骤1.5中确定的振动位移指标上限A；步骤3.6：将涡轮泵柔性转子从高速动平衡机上拆解下来，并拆卸涡轮泵柔性转子，然后重复步骤二；步骤3.7：对涡轮泵柔性转子再次进行升速，若涡轮泵柔性转子振动位移全程小于步骤1.5中确定的反复拆装后的振动位移指标上限n×A，则进入步骤四，否则回到步骤3.2。所述涡轮泵柔性转子各零件包括转轴、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1.1中涡轮泵柔性转子需要平衡的转速区间为(0.75ω1～1.25ω1)U(0.7ω2～1.3ω2)U(0.9ωn～ωn)。所述步骤1.2中高速动平衡机摆架地角螺栓的拧紧力矩Tb、转接工装与摆架的螺栓连接力矩Tgb、转接工装自身的螺栓力矩标准Tg满足Tb≥Tgb≥Tg。所述步骤1.2中高速动平衡冷却润滑油压力P冷不小于0.1MPa。所述步骤1.2中高速动平衡冷却本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种满足火箭发动机涡轮泵装配及使用的高速动平衡方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、利用有限元算法对涡轮泵柔性转子进行动特性计算，并结合高速动平衡品质一致性控制方法，确定涡轮泵柔性转子高速动平衡参数和指标；步骤二、进行涡轮泵柔性转子的装配，并将涡轮泵柔性转子安装在高速动平衡机上，进行位移传感器的安装及调试；步骤三、对涡轮泵柔性转子进行去重平衡及高速动平衡效果的反复拆装一致性测试；步骤四、根据步骤一～步骤三中的测试结果，进行涡轮泵装配。

【技术特征摘要】
1.一种满足火箭发动机涡轮泵装配及使用的高速动平衡方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、利用有限元算法对涡轮泵柔性转子进行动特性计算，并结合高速动平衡品质一致性控制方法，确定涡轮泵柔性转子高速动平衡参数和指标；步骤二、进行涡轮泵柔性转子的装配，并将涡轮泵柔性转子安装在高速动平衡机上，进行位移传感器的安装及调试；步骤三、对涡轮泵柔性转子进行去重平衡及高速动平衡效果的反复拆装一致性测试；步骤四、根据步骤一～步骤三中的测试结果，进行涡轮泵装配。2.根据权利要求1所述的一种满足火箭发动机涡轮泵装配及使用的高速动平衡方法，其特征在于，所述步骤一的具体步骤如下：步骤1.1：采用有限元算法对涡轮泵柔性转子进行动特性计算，确定涡轮泵柔性转子的一阶临界转速ω1，二阶临界转速ω2，三阶临界转速ω3；选择满足ω2<0.8×ωmax的高速动平衡机，其中，ωmax为高速动平衡机最高平衡转速；根据一阶临界转速ω1，二阶临界转速ω2，以及涡轮泵工作转速ωn，确定涡轮泵柔性转子需要平衡的转速区间；步骤1.2：根据涡轮泵转子不平衡响应及振动的仿真结果，确定高速动平衡机摆架地角螺栓的拧紧力矩Tb、转接工装与摆架的螺栓连接力矩Tgb、转接工装自身的螺栓力矩标准Tg；根据涡轮泵柔性转子的转速、振动参数计算轴承的运转发热功率W，确定高速动平衡冷却润滑油温度T冷、压力P冷和流量m冷的取值范围；根据涡轮泵柔性转子高速动平衡时的升速率，确定高速动平衡机内真空度P真空取值范围；步骤1.3：利用高速动平衡品质一致性控制方法，确定该型号涡轮泵柔性转子高速动平衡品质一致性的平衡品质控制参数指标，包括各级集中质量圆盘的外圆跳动量P、轴系拧紧力矩T以及转子与动平衡机的对中度U；步骤1.4：根据涡轮泵转子的集中质量圆盘的材料、尺寸、在轴上的位置分布，制定振动位移测量方式，选择位移传感器型号；根据涡轮泵柔性转子弹性支承结构的材料、尺寸以及轴承的形式，制定弹性支承应力及轴承温度测量方式，确定温度传感器型号；步骤1.5：根据涡轮泵柔性转子动特性仿真的瞬态、稳态不平衡响应结果，确定涡轮泵高速动平衡振动位移指标上限A，并确定涡轮泵柔性转子反复拆装后的振动位移指标上限n×A中n的取值，再根据涡轮泵柔性转子动特性仿真结中的轴系振型确定去重平面位置。3.根据权利要求2所述的一种满足火箭发动机涡轮泵装配及使用的高速动平衡方法，其特征在于，所述步骤二的具体步骤如下：步骤2.1：按步骤1.3中确定的各个集中质量圆盘位置的跳动量P、柔性转子轴系螺母的压紧力矩T的参数要求，进行涡轮泵柔性转子的装配；步骤2.2：按步骤1.2中确定的高速动平衡机摆架地角螺栓的拧紧力矩Tb、转接工装与摆架的螺栓连接力矩Tgb、转接工装自身的螺栓力矩标准Tg以及步骤1.3中确定的一致性控制参数涡轮泵柔性转子与高速动平衡机的连接对中度U的参数要求，将涡轮泵柔性转子安装在高速动平衡机上；步骤2.3：根据步骤一中有限元动特性仿真计算结果，并根据步骤1.4中确定的位移测量方式和传感器的类型，进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦唯，刘洋，姜绪强，闫宇龙，刘洪杰，吴霖，李铭，张召磊，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