Соединительная муфта для балансировки ротора

Соединительная муфта для балансировки ротора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится, в общем, к соединительным муфтам между различным оборудованием, а именно к соединительной муфте, или стыковочному устройству, между ротором и установкой для тестирования балансировки.

Предпосылки создания изобретения

[0002] Турбомашины (также называемые "турбомашины вращения") представляют собой класс машин, включающих компрессоры, турбинные двигатели и т.п. и включающих также роторы, которые при работе вращаются с очень высокими скоростями, например тысячи или десятки тысяч оборотов в минуту (revolutions per minute, RPM). Ротор, как правило, включает вал, который поддерживается подшипниками вдоль оси вращения и радиально. Учитывая размер и вес упомянутых роторов, даже небольшой дисбаланс может значительно снизить количество эксплуатационных часов турбомашины. Например, для ротора с весом в 500 фунтов (=226,8 кг) и дисбаланса (например, смещение центра тяжести) всего лишь в 0,0001 дюйма (=0,025 мм), сила в результате дисбаланса будет составлять около 2000 фунтов (*8900 Н) при вращении ротора на 12000 об/мин, причем упомянутая сила будет проявляться в виде вибраций, которые в короткий срок могут привести к разрушению подшипников.

[0003] Одним из путей решения данной проблемы является тестирование балансировки роторов на определенных этапах сборки или после завершения сборки и затем - выполнение регулировок для компенсации всех обнаруженных нарушений балансировки. Подобное тестирование балансировки может выполняться путем присоединения роторов, или ступеней роторов, к оборудованию для тестирования балансировки, которое вращает ротор в вакууме с большой скоростью и имеет датчики, регистрирующие дисбаланс при вращении, например смещение центра тяжести.

[0004] Обобщенная конфигурация высокоскоростного тестирования балансировки показана на фиг.1. В вакуумной камере 2 опоры 4 поддерживают ротор 8, при этом двигатель 6 из состава установки для тестирования балансировки соединен с тестируемым ротором 8 посредством соединительной муфты, или стыковочного устройства 9. В дополнение к валу ротор 8 может также иметь один или более элементов, закрепленных на валу, например одну или более крыльчаток в соответствии с дальнейшим описанием. Соединительная муфта 9 передает крутящий момент с двигателя 6 на ротор 8, при этом она выполнена в виде отдельного элемента системы тестирования, поскольку, как правило, существует множество различных размеров и конфигураций роторов 8, испытываемых на установке для тестирования балансировки, и, следовательно, соединительная муфта 9 выполняет роль адаптера между различными тестируемыми роторами 8 и установкой для тестирования балансировки. Один из примеров соединительной муфты 9 показан на фиг.2. На ней можно видеть, что соединительная муфта 9 имеет в общем конусообразную форму, сужающуюся у конца, закрепляемого на роторе 8, и обладает относительно большим диаметром, по сравнению с ротором 8. На практике, перед тестированием балансировки выполняют термоусадку соединительной муфты 9 на ротор 8, а впоследствии ее снимают - для установки ротора в соответствующую турбомашину.

[0005] Использование подобной соединительной муфты 9 в процессе тестирования балансировки несет с собой определенное количество недостатков. Во-первых, соединительная муфта 9 является относительно тяжелой, например порядка 20-30 кг, так что любое ее отклонение от соосности приводит к дисбалансу, величина которого достаточно велика для того, чтобы неблагоприятно повлиять на тестирование балансировки, что потенциально может привести к получению разбалансированного ротора 8. На самом деле, в некоторых случаях, масштаб вносимой соединительной муфтой 9 разбалансировки может достигать 200% от допустимой разбалансировки ротора 8. Во-вторых, этот способ крепления соединительной муфты 9 к ротору, то есть термоусадка, является времязатратным, сложным и может приводить к повреждениям поверхности ротора.

Пример муфты, имеющей больший диаметр по сравнению с ротором, приведен в документе US 4214457, в котором муфта имеет два охватывающих элемента на своих концах, закрепляемых соответственно поверх ротора и вала двигателя. Вследствие охватывающей конфигурации муфты ей присущи вышеописанные недостатки, которые могут привести к дисбалансу и повреждениям элементов. Еще один пример такой охватывающей муфты описан, например, в документе US 2005277480.

[0006] Соответственно, необходимо спроектировать и предложить соединительную муфту для соединения ротора с установкой для тестирования балансировки, которая позволит преодолеть упомянутые выше недостатки существующих соединительных муфт.

Сущность изобретения

[0007] В системах, устройствах и способах в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения предложены соединительные муфты, или стыковочные устройства, которые могут быть использованы, например, при тестировании балансировки роторов. Путем обеспечения фрикционного соединения упомянутой соединительной муфты с тестируемым ротором можно избежать применения термоусадки соединительной муфты на ротор, что делает процедуру более быстрой и безопасной. Кроме того, конструкция может быть более легкой и, следовательно, вносить меньшую разбалансировку в испытательную установку. Однако для специалиста в данной области техники очевидно, что упомянутые преимущества не следует считать ограничением настоящего изобретения, если только они явно не указаны в пунктах приложенной формулы изобретения.

[0008] В соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения соединительная муфта включает основную часть корпуса, имеющую выступающую тонкую часть, которая сконфигурирована для вставки в вал балансировочной установки, а также выступающую вставную часть, которая сконфигурирована для вставки в отверстие в роторе. Множество соединительных элементов расположено в отверстиях в упомянутой основной части корпуса упомянутой соединительной муфты, и кольцо расположено поверх упомянутой выступающей вставной части и вблизи выходов упомянутых отверстий в упомянутой основной части корпуса.

[0009] В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения способ присоединения ротора для тестирования балансировки включает следующие шаги: вставка вставной части устройства сопряжения в отверстие в роторе, приложение крутящего момента к множеству соединительных элементов, причем упомянутое множество соединительных элементов расположено в основной части корпуса упомянутого устройства сопряжения, для прижима кольца, расположенного над выступающей вставной частью, к сопрягаемой поверхности вокруг упомянутого отверстия в упомянутом роторе, а также присоединение приводного вала установки для тестирования балансировки с выступающей тонкой частью в основной части корпуса упомянутого устройства сопряжения.

[0010] В соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения система для тестирования балансировки включает установку для тестирования балансировки, включающую приводной вал, соединительную муфту, соединенную с одного конца с упомянутым приводным валом, и ротор, присоединенный для приема крутящего момента от упомянутого приводного вала посредством упомянутой соединительной муфты, при этом упомянутая соединительная муфта включает: основную часть корпуса, имеющую выступающую тонкую часть, которая сконфигурирована для вставки в вал установки для тестирования балансировки, а также выступающую вставную часть, которая сконфигурирована для вставки в отверстие в упомянутом роторе, множество соединительных элементов, расположенных в отверстиях в упомянутой основной части корпуса упомянутой соединительной муфты, и кольцо, расположенное поверх упомянутой выступающей вставной части и вблизи выходов отверстий в упомянутой основной части корпуса.

Таким образом, основным отличием предложенного изобретения во всех его аспектах является наличие выступающей тонкой части, которая сконфигурирована для вставки в вал балансировочной установки, и выступающей вставной части, которая сконфигурирована для вставки в отверстие в роторе. Благодаря выполнению муфты с частями, вставляемыми соответственно в вал балансировочной установки и в отверстие ротора, а не охватывающими их, имеется возможность фрикционного соединения соединительной муфты с тестируемым ротором и можно избежать применения термоусадки муфты на ротор, что делает процедуру более быстрой и безопасной. Кроме того, как указано выше, благодаря меньшему диаметру по сравнению с диаметром известных муфт конструкция может быть более легкой и, следовательно, вносить меньшую разбалансировку в испытательную установку.

Краткое описание чертежей

[0011] Приложенные чертежи иллюстрируют примеры осуществления настоящего изобретения, причем:

[0012] Фиг. 1 иллюстрирует обобщенный пример испытательной установки для тестирования балансировки ротора;

[0013] Фиг. 2 иллюстрирует традиционную соединительную муфту для установки для тестирования балансировки фиг. 1;

[0014] Фиг. 3 иллюстрирует компрессор с ротором, балансировку которого тестируют в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения;

[0015] Фиг. 4 иллюстрирует конец ротора, балансировку которого тестируют в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения;

[0016] Фиг. 5 иллюстрирует устройство сопряжения в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;

[0017] Фиг. 6 иллюстрирует вид в разрезе соединительной муфты фиг. 4(a), присоединенной к ротору в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;

[0018] Фиг. 7 представляет собой внешний вид в перспективе соединительной муфты, присоединенной к ротору в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;

[0019] Фиг. 8 представляет собой график, показывающий вибрацию, связанную с ротором, тестируемым с использованием соединительной муфты, показанного на фиг. 2 типа, по сравнению с таким же ротором, тестируемым с использованием соединительной муфты в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения; и

[0020] Фиг. 9 представляет собой блок-схему способа присоединения ротора к установке для тестирования балансировки.

Подробное описание изобретения

[0021] В дальнейшем подробном описании примеров осуществления настоящего изобретения осуществляются ссылки на приложенные чертежи. Аналогичные числовые обозначения в различных чертежах описывают одни и те же, или аналогичные элементы. При этом приведенное ниже подробное описание не ограничивает настоящее изобретение. Напротив, рамки настоящего изобретения определены приложенной формулой изобретения.

[0022] Чтобы предоставить контекст для дальнейшего описания, связанного с соединительной муфтой в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения, описанными в настоящем документе, на фиг. 3 схематически проиллюстрирован многоступенчатый центробежный компрессор 10, включающий ротор, который, предпочтительно, прошел тестирование на балансировку и затем балансировку перед выпуском и вводом в эксплуатацию. В своем составе компрессор 10 включает корпус (статор) 12, в котором установлен вращающийся вал 14 компрессора, снабженный множеством центробежных крыльчаток 16. Узел 18 ротора включает вал 14 и крыльчатки 16 и удерживается, в осевом и в радиальном направлении, посредством подшипников 20, расположенных с каждой стороны узла 18 ротора.

[0023] Многоступенчатый центробежный компрессор функционирует, принимая входной технологический газ из впускного канала 22 с целью ускорения частиц технологического газа посредством работы узла 18 ротора и с целью последующей доставки технологического газа через выпускной канал с выходным давлением, превышающим входное давление. Между крыльчатками 16 и подшипниками 20 обеспечивают систему 26 уплотнения для предотвращения попадания технологического газа в подшипники 20. В одном из проиллюстрированных примеров осуществления настоящего изобретения корпус 12 сконфигурирован так, чтобы закрывать оба подшипника 20 и систему 26 уплотнения - для предотвращения утечки газа из центробежного компрессора 10. Также на фиг. 3 показан балансировочный цилиндр 27, который компенсирует осевое давление, формируемое крыльчатками 16, уплотнение 28 лабиринта балансировочного цилиндра и линия 29 выравнивания, которая поддерживает давление с внешней стороны балансировочного цилиндра 27 на одном уровне с давлением, с которым технологический газ входит через канал 22. Для специалиста в данной области техники очевидно, что центробежный компрессор, проиллюстрированный на фиг. 3, приведен здесь исключительно в качестве примера одного из типов турбомашин, включающих типы роторов, которые обычно тестируют на балансировку до окончательной сборки, а также, что настоящее изобретение им не ограничено.

[0024] Конец 30 узла 18 ротора, показанный на фиг. 3, может, например, быть выполнен в соответствии с фиг. 4. На фиг. 4 можно увидеть, что конец 30 ротора является в общем круглым в поперечном сечении, имеет отверстие 32 и обладает в общем цилиндрической внешней поверхностью 34. В соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения, показанным на фиг. 5, соединительная муфта 40 спроектирована для состыковки конца 30 ротора с установкой для тестирования балансировки. В своем составе соединительная муфта 40 включает выступающую вставную часть 42, кольцо 44 и основную часть 46 корпуса, имеющую множество соединительных элементов 48, например винты с предельным моментом зажима, расположенных на ней. Основная часть 46 корпуса имеет отверстие 50, которое сконфигурировано для сопряжения с приводным валом (не показан на данном чертеже, см. фиг. 6, рассматриваемую ниже) установки для тестирования балансировки. В данном примере отверстие 50 имеет форму шестиугольника, тем не менее, для специалиста в данной области техники очевидно, что отверстие 50 может принимать любую необходимую форму, в зависимости от конкретной реализации установки для тестирования балансировки. Основная часть 46 корпуса в соответствии с данным примером осуществления настоящего изобретения включает выступающую тонкую часть 51, которая сконфигурирована для сопряжения с приводным валом 55 (показанным на фиг. 6) установки для тестирования балансировки. В данном примере основная часть 46 корпуса и кольцо 44 сформированы как цилиндры, имеющие по существу одинаковый диаметр, а выступающая вставная часть 42 представляет собой цилиндр, имеющий меньший диаметр, чем диаметр части 46 и кольца 44.

[0025] На фиг. 6 представлен вид сбоку соединительной муфты 40, в разрезе, в соединении с концом 30 ротора. На ней убран один из винтов 48 с предельным моментом зажима для лучшей иллюстрации соответствующего резьбового отверстия 52. В данном примере соединительная муфта 40 имеет шесть винтов 48 с предельным моментом зажима, которые равномерно (симметрично) распределены по периметру основной части 46 корпуса в соответствующих отверстиях 52 с резьбой, однако для специалиста в данной области техники очевидно, что и количество, и размещение винтов 48 с предельным моментом зажима может быть изменено. Концы 54 винтов 48 с предельным моментом зажима упираются в кольцо 44, которое надето на соединительную муфту 40. Кольцо 44 лежит на поверхности основной части 46 корпуса без крепления в соответствии с данным вариантом осуществления настоящего изобретения, и на него оказывают давление винты 48 с предельным моментом зажима. Кольцо 44 обеспечивает равномерное давление, так что трение распределяется на конце ротора равномерно, что исключает его повреждение винтами 48. В соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения винты 48 с предельным моментом зажима могут быть выполнены из материала с пределом прочности в 700 МПа, однако могут использоваться другие материалы или значения.

[0026] Для крепления соединительной муфты 40 к ротору выступающую вставную часть 42 сначала вставляют в отверстие 32, выполненное в конце 30 ротора. Например, выступающая вставная часть 42 может иметь резьбу и ввинчиваться в соответствующую резьбу, выполненную в отверстии 32 конца 30 ротора, с использованием шестигранного ключа, в отверстие 50. Затем, могут быть затянуты винты 48 с предельным моментом зажима, например, с использованием динамометрического ключа и приложением момента силы, равного 2-5 Н·м, так что кольцо 44 прижимается к внешней поверхности 34 конца 30 ротора. Таким образом, в соответствии с данным примером осуществления настоящего изобретения обеспечивают фрикционную посадку соединительной муфты 40 на ротор, а крутящий момент передают от установки для тестирования балансировки посредством соединительной муфты 40 на ротор посредством фрикционного соединения. В данном примере осуществления настоящего изобретения вал 55 установки для тестирования балансировки соединен с соединительной муфтой 40 посредством отверстия 54, которое сопрягается с выступающей тонкой (кольцеобразной) частью 51 упомянутой соединительной муфты. Данная особенность крепления обладает дополнительным преимуществом, заключающимся в поддержании соосности соединительной муфты (для снижения/устранения разбалансировки в испытательной установке). Фиг. 7 демонстрирует ротор и соединительную муфту после их соединения в соответствии с данным примером осуществления настоящего изобретения.

[0027] Таким образом, в отличие от конической, термоусаживаемой соединительной муфты 14, описанной выше на примере фиг. 2, соединительная муфта 40 в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения, показанными на фиг. 5-7, может быть без труда механически присоединена к ротору, тестируемому на балансировку. Данная процедура одновременно является и менее времязатратной, и более безопасной, так как не подразумевает использования источника тепла для термоусадки соединительной муфты на ротор. Более того, при использовании приведенной в качестве примера соединительной муфты 40 повреждение поверхности ротора менее вероятно, чем при использовании термоусадочной муфты. Кроме того, соединительная муфта 40 может иметь меньший вес, чем соединительная муфта 14, и вносить меньшую разбалансировку в систему.

[0028] Например, было выполнено тестирование путем балансировки ротора сначала с использованием соединительной муфты 14 для сопряжения ротора с установкой для тестирования балансировки, и затем - с использованием соединительной муфты 40 - для сопряжения того же самого ротора с установкой для тестирования балансировки, графики результатов приведены на фиг. 8. Тестирование проводилось с использованием оборудования высокоскоростного тестирования балансировки, произведенного фирмой Shenck GMBH, которое было установлено так, как показано на фиг. 1, и в котором в качестве датчиков вибрации используют акселерометры. Для формирования результатов, показанных на фиг. 8, была измерена вибрация ротора как на приводном конце ротора, то есть на конце, соединенном с упомянутой соединительной муфтой (результаты изображены в прямоугольнике 60), так и на противоположном конце ротора (результаты изображены под прямоугольником 60), и построены графики зависимостей среднеквадратических значений вибрации (мм/с) от скоростей вращения ротора (об/мин). А именно, пунктирная линия 62 представляет измеренную вибрацию ротора, соединенного с установкой балансировки посредством соединительной муфты 14, тогда как сплошная линия 64 представляет измеренную вибрацию ротора, соединенного с установкой для тестирования балансировки посредством соединительной муфты 40. Сравнивая функции 62 и 64 можно заметить, что вибрация значительно ниже, например приблизительно на 25% меньше на пиковых уровнях вибрации, при использовании соединительной муфты 40 в соответствии с описанными выше примерами осуществления настоящего изобретения, чем при использовании соединительной муфты 14. Различие вибрации на противоположном конце привода было, как и ожидалось, менее значительным, так как упомянутый конец привода расположен дальше от устройства стыковки с системой для тестирования балансировки.

[0029] Таким образом, в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения способ присоединения ротора с целью тестирования балансировки включает шаги, показанные на блок-схеме фиг. 9. На ней, на шаге 70, выступающую вставную часть устройства сопряжения вставляют в отверстие в роторе. К множеству соединительных элементов, на шаге 72, прикладывают крутящий момент для прижимания кольца, расположенного над выступающей вставной частью, к сопрягаемой поверхности, расположенной вокруг отверстия в роторе. Приводной вал установки для тестирования балансировки соединяют с выступающей тонкой частью основной части корпуса устройства сопряжения на шаге 74.

[0030] Описанные выше варианты осуществления настоящего изобретения предназначены для иллюстрации, а не для ограничения настоящего изобретения. Соответственно, настоящее изобретение допускает множество вариаций в деталях его реализации, которые могут быть выполнены на основе описания, приведенного в настоящем документе, специалистами в настоящей области техники. Все подобные вариации и модификации следует считать попадающими в рамки настоящего изобретения, заданные приложенной формулой изобретения. Ни один элемент, действие или инструкция, использованная в описании настоящей заявки, не должны считаться критичными или необходимыми для настоящего изобретения, если это явно не указано. Также при использовании единственного числа подразумевается возможность применения одного или более элементов.

1. Соединительная муфта (40) для присоединения ротора к установке для тестирования балансировки, включающая:основную часть (46) корпуса, имеющую выступающую тонкую часть (51), которая сконфигурирована для вставки в вал упомянутой балансировочной установки, а также выступающую вставную часть (42), которая сконфигурирована для вставки в отверстие в упомянутом роторе;множество соединительных элементов (48), расположенных в отверстиях в упомянутой основной части (46) корпуса, икольцо (44), расположенное поверх упомянутой выступающей вставной части (42) и вблизи выходов упомянутых отверстий в упомянутой основной части (46) корпуса.

2. Соединительная муфта по п. 1, в которой упомянутые соединительные элементы выполнены с возможностью толкания упомянутого кольца по направлению к концу упомянутой выступающей вставной части.

3. Соединительная муфта по п. 1 или 2, в которой каждый из упомянутого множества соединительных элементов расположен в отверстии с выемкой, в упомянутой основной части корпуса.

4. Соединительная муфта по п. 1 или 2, в которой упомянутые соединительные элементы представляют собой винты.

5. Соединительная муфта по п. 4, в которой упомянутые отверстия для упомянутых винтов расположены симметрично по периметру упомянутой основной части корпуса.

6. Соединительная муфта по п. 1 или 2, в которой упомянутая основная часть корпуса и упомянутое кольцо сформированы как цилиндры, имеющие по существу одинаковый диаметр, а упомянутая выступающая вставная часть представляет собой цилиндр, имеющий меньший диаметр, чем диаметр упомянутой основной части корпуса и упомянутого кольца.

7. Способ присоединения ротора к установке для тестирования балансировки, включающий:вставку выступающей вставной части (42) устройства (40) сопряжения в отверстие (32) в упомянутом роторе (30);приложение крутящего момента к множеству соединительных элементов (42), причем упомянутое множество соединительных элементов (48) расположено в основной части (46) корпуса упомянутого устройства (40) сопряжения, для прижимания кольца (44), расположенного над упомянутой выступающей вставной частью (42), к сопрягаемой поверхности вокруг упомянутого отверстия (32) в упомянутом роторе (30); иприсоединение приводного вала упомянутой установки для тестирования балансировки к выступающей тонкой части (51) в упомянутой основной части (46) корпуса упомянутого устройства (40) сопряжения.

8. Способ по п. 7, в котором каждый из упомянутого множества соединительных элементов расположен в отверстии с выемкой, в упомянутой основной части корпуса.

9. Способ по п. 7 или 8, в котором упомянутая основная часть корпуса и упомянутое кольцо сформированы как цилиндры, имеющие по существу одинаковый диаметр, а упомянутая выступающая вставная часть представляет собой цилиндр, имеющий меньший диаметр, чем диаметр упомянутой основной части корпуса и упомянутого кольца.

10. Система для тестирования балансировки, включающая:установку для тестирования балансировки, включающую приводной вал (55);соединительную муфту (40), соединенную с одного конца с упомянутым приводным валом (55); иротор (30), соединенный для приема крутящего момента от упомянутого приводного вала (55) посредством упомянутой соединительной муфты (40), при этом упомянутая соединительная муфта (40) включает:основную часть (46) корпуса, имеющую выступающую тонкую часть (51), которая сконфигурирована для вставки в упомянутый приводной вал (55) упомянутой установки для тестирования балансировки, а также выступающую вставную часть (42), которая сконфигурирована для вставки в отверстие (32) в упомянутом роторе (30);множество соединительных элементов (48), расположенных в отверстиях в упомянутой основной части (46) корпуса; икольцо (44), расположенное поверх упомянутой выступающей вставной части (42) и вблизи выходов упомянутых отверстий в упомянутой основной части (46) корпуса.

11. Система по п. 10, в которой упомянутые соединительные элементы выполнены с возможностью толкания упомянутого кольца по направлению к концу упомянутой выступающей вставной части.

12. Система по п. 10 или 11, в которой каждый из упомянутого множества соединительных элементов расположен в отверстии с выемкой, в упомянутой основной части корпуса.

13. Система по п. 10 или 11, в которой упомянутые соединительные элементы представляют собой винты.

14. Система по п. 13, в которой упомянутые отверстия для упомянутых винтов расположены симметрично по периметру упомянутой основной части корпуса.

15. Система по п. 10 или 11, в которой упомянутая основная часть корпуса и упомянутое кольцо сформированы как цилиндры, имеющие по существу одинаковый диаметр, а упомянутая выступающая вставная часть представляет собой цилиндр, имеющий меньший диаметр, чем диаметр упомянутой основной части корпуса и упомянутого кольца.