一种涡轮泵柔性转子高速动平衡品质一致性控制方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。在本发明前，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。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：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)。

本发明的技术解决方案是：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。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明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～φ600mm×700mm)的涡轮泵转子过临界转速振动位移300μm的行业水准(不进行一致性控制)。

(2)本发明提高了涡轮泵转子高速动平衡合格率和交付效率。目前行业内判断涡轮泵转子高速动平衡一致性的方法主要依靠重复性试验，即转子经过高速动平衡后，通过重复装配-分解进行运转试验，记录转子的振动位移，并要求<300μm，而整个过程没有任何控制手段，较容易发生重复性不合格的情况，随即需要对转子重新进行高速动平衡，一方面造成平衡品质失控，另一方也大幅降低了产品的交付效率。

(3)应用本发明所述的高速动平衡品质一致性控制方法，可以达到有效控制组合转子拆装后振动位移散差的目的，同时也大幅提升了产品的交付效率。

附图说明

图1为本发明提供的高速动平衡关键工艺参数；

图2为本发明提供的涡轮泵转子高速动平衡品质拆装一致性控制流程；

具体实施方式

本发明提出了影响液体火箭发动机涡轮泵组合转子高速动平衡品质一致性的五类工艺参数，包括轴系的对接法兰螺栓及压紧螺母拧紧力矩、转子对接的同心度、组合转子各零件的安装偏角、高速动平衡摆架的刚性以及组合转子的装配参数，如附图1所示，这五类参数中，安装偏角、动平衡摆架刚性属于试验台工艺可调可控参数，而转子对接的同心度、轴系压紧螺母的拧紧力矩、组合转子的装配参数属于产品设计参数范畴(范围值)，需要通过高速动平衡工艺确定其设计合理性。针对这些参数进行了理论和试验研究，最终得到了本发明所提出的高速动平衡一致性控制方法。

组合转子的装配精度对高速动平衡及动平衡工艺一致性的结果起决定性作用。通过研究发现如果组合转子装配的过程中所要求控制的因素(比如轮盘跳动量、不对中度、力矩、装配周向位置等)设计不符合要求，会导致动平衡重复性试验的过程中振动数据一致性不好。实际上，当装配工艺参数达不到要求的情况下或装配一致性不好的情况下，进行高速动平衡和装配转子进行的重复性试验都没有意义。

为此开展关键工艺参数对柔性转子高速动平衡的影响效果研究，对提升动平衡精度和控制动平衡重复装配一致性具有重要意义。按照附图2的一致性控制研究流程，深入掌握关键工艺参数不同对涡轮泵高速动平衡的影响，可以得到使涡轮泵高速动平衡品质一致性得到有效控制的工艺参数收敛区，即附图2中p、t、u等参数的收敛值。收敛值作为涡轮泵高速动平衡时品质一致性的关键控制参数，在涡轮泵转子高速动平衡及其后的总装时要严格按照上述工艺参数取值进行，并做好检查记录，如此才能保证涡轮泵转子高速动平衡后，其平衡效果能够在多次反复装配-分解时仍然保持，只要装配控制参数达到工艺设计要求，组合转子在反复装配-分解后的振动位移量就满足放大系数<1.2的控制能力。

如图1、图2所示，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；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。

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；

所述步骤四至步骤七中，集中质量圆盘的外圆跳动量的调整步长不大于0.005mm。

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；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。

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；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。

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；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。

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；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。

步骤十五、在转子高速动平衡及涡轮泵总装时，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、在转子高速动平衡及涡轮泵总装时，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。

实施例1：

目前应用该发明进行高速动平衡品质一致性制的涡轮泵转子中，其中一个转子为涡轮驱动的两级离心泵结构，为工作在二阶临界转速以上的柔性转子，高速动平衡时，其轴系上集中质量圆盘共4个：一级离心轮、二级离心轮、涡轮盘、轴系连接法兰，即i＝4。该型涡轮泵转子应用本发明进行高速动平衡品质一致性控制的步骤如下：

1)涡轮泵组合转子装配至转子一级离心轮、二级离心轮、涡轮以及连接法兰处的外圆跳动量最小值p0,1＝0.03mm，p0,2＝0.05mm，p0,3＝0.05mm，p0,4＝0.03mm，并对轴系上的诱导轮、压紧螺母、离心轮、轴套、涡轮、转轴的角向相对位置进行划线标记；

2)进行高速动平衡试验，记录转子振动位移情况a0＝85μm；

3)分解转子，随后不按照划线装配，但仍控制跳动量至p0,1<0.03mm，p0,2<0.05mm，p0,3<0.05mm，p0,4<0.03mm，进行高速动平衡试验，记录转子振动位移情况a1＝255.3μm；

4)对比a0、a1振动位移情况，a1＝255μm>1.2×a0(102μm)，确定该型涡轮泵转子高速动平衡时需严格按刻线装配；

5)组合转子重新装配，此时增大一级离心轮外圆跳动量p0,1至p1,1＝0.035mm，并保持二级离心轮、涡轮、连接法兰处外圆跳动量p0,2<0.05mm，p0,3<0.05mm，p0,4<0.03mm，再进行高速动平衡试验，记录转子振动位移情况a2＝91μm；

6)如此反复增大pj,1值，直至j＝9时，一级离心轮跳动量p9,1＝0.075mm，此时转子振动位移aj+1＝a10＝108.5μm>1.2×a0，则确定出保证转子高速动平衡品质一致性的一级离心轮跳动量最大值＝p9,1＝0.075mm；

7)保持一级离心轮跳动量p9,1＝0.075mm不变，用同样的方法按第5和第6步确定出二级离心轮跳动量、涡轮跳动量和转接法兰的最大控制跳动量分别为：p3,2＝0.065mm，p7,3＝0.085mm，p4,4＝0.05mm；则该型涡轮泵转子高速动平衡和总装时各集中质量圆盘的跳动量应满足：p9,1<0.075mm、p3,2<0.065mm，p7,3<0.085mm，p4,4<0.05mm；

8)由于该型涡轮泵转子为工作在二阶临界转速以上的柔性转子，因此重新按照划线，按照p0,1＝0.03mm，p0,2＝0.05mm，p0,3＝0.05mm，p0,4＝0.03mm的跳动量装配好组合转子，螺纹规格为m20，因此装配时轴系的拧紧力矩为：t0＝7.5×20＝150n·m，并进行高速动平衡试验，获取转子的振动位移at0＝88μm；

9)组合转子重新装配，保持p0,1＝0.03mm，p0,2＝0.05mm，p0,3＝0.05mm，p0,4＝0.03mm不变，减小轴系拧紧力矩t0至t1，进行高速动平衡试验，获取转子振动位移at1＝91μm；

10)如此反复减小tk值，直至k＝10时，轴系拧紧力矩tk＝t10＝135n·m，此时转子振动位移at10＝106.7μm>1.2×a0，则确定出保证转子高速动平衡品质一致性的轴系压紧力矩最小值＝t10＝135n·m；

11)重新按照划线，按照p0,1＝0.03mm，p0,2＝0.05mm，p0,3＝0.05mm，p0,4＝0.03mm的跳动量，t0＝150n·m装配好组合转子，由于转轴的直径＝30mm，因此装配时组合转子的转子对中度取u0＝30/600＝0.05mm，并进行高速动平衡试验，获取转子的振动位移au0＝92μm；

12)组合转子重新装配，保持p0,1＝0.03mm，p0,2＝0.05mm，p0,3＝0.05mm，p0,4＝0.03mm，t0＝150n·m不变，增大转子对中度u0至u1，进行高速动平衡试验，获取转子振动位移au1＝99μm；

13)如此反复增大um值，直至m＝4时，转子对中度um＝u4＝0.07mm，此时转子振动位移au4＝117.2μm>1.2×a0，则确定出保证转子高速动平衡品质一致性的转子对中度最大值＝u4＝0.07mm；

14)最终得到确保该型号涡轮泵组合转子高速动平衡品质一致性控制的工艺参数：高速动平衡及涡轮泵总装时a)应按组合转子上的零件划线装配；b)一级离心轮、二级离心轮、涡轮、转接法兰的外圆跳动量应分别满足p9,1<0.075mm、p3,2<0.065mm，p7,3<0.085mm，p4,4<0.05mm；c)轴系拧紧力矩t应>135n·m、转子对中度u应<0.07mm。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。