Результат интеллектуальной деятельности: Способ контроля осевых зазоров между центробежным колесом и корпусом турбонасосного агрегата и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к области машиностроения, а именно к машинам с вращающимся ротором, и может быть использована при создании турбонасосных агрегатов (ТНА) летательных аппаратов (ЛА) различного назначения.

Известен способ обеспечения осевых зазоров между центробежным колесом и корпусом насоса [1. Турк, В.И. Насосы и насосные станции / В.И. Турк. - М: Госстройиздат, 1961. - С. 89.], в котором между колесом насоса и корпусом оставляют небольшие зазоры до 0,25 мм, что предотвращает трение между вращающимся колесом и корпусом и уменьшает утечки жидкости. Уменьшение зазора достигается вставкой бронзовых или чугунных уплотнительных колец в зазор между вращающимся колесом и корпусом. По мере изнашивания уплотнительные кольца можно заменить.

Недостатками данного способа обеспечения осевых зазоров являются усложнение конструкции и невозможность его применения в центробежных насосах с массой ротора до 2 кг, к числу которых относятся ТНА ЛА. Если колесо насоса коснется уплотнительных колец, произойдет заклинивание и разрушение ТНА в силу малой массы и инерции ротора. Другим недостатком этого способа является образование во время работы стружки от истирания уплотнительных колец и попадание ее внутрь ТНА, что может привести к разрушению подшипников, забиванию фильтров топливной системы и аварии ЛА.

Прототипом, наиболее близким к заявляемому способу по совокупности технических признаков, выбран способ обеспечения осевых зазоров между центробежным колесом и корпусом насоса пригонкой по размерам деталей, являющихся звеньями размерной цепи (колец, прокладок, пластин) [2. Павлович, Л.А., Точность изготовления гидравлических устройств расходных систем / Л.А. Павлович, С.Л. Александров. - М.: Машиностроение, 1986. - С. 28, 29]. По предлагаемому способу ТНА собирают, обеспечивая осевые зазоры между центробежным колесом, установленным на роторе, и корпусом насоса. Осевые зазоры обеспечиваются пригонкой размеров колец, являющихся звеньями размерной цепи.

Недостатком способа, выбранного в качестве прототипа, является невозможность напрямую проконтролировать зазоры между центробежным колесом и корпусом насоса в процессе и после пригонки осевых зазоров из-за отсутствия доступа для мерительного инструмента Пригонка зазоров в агрегате и их контроль осуществляются с использованием технологических колец, пересчетом по нескольким измеренным размерам, то есть косвенным способом. В результате суммирования погрешностей нескольких измерений возрастает погрешность пригонки зазоров, а также возможны ошибки из-за человеческого фактора. Ситуация усугубляется тем, что в современных насосах зазоры между колесом насоса и корпусом ТНА выполняются предельно допустимыми с целью снижения потерь давления и повышения эффективности. В результате действия на ротор осевых сил осевые зазоры при работе агрегата уменьшаются на сумму осевого люфта подшипника и конструктивного осевого зазора между кольцом и крышкой, что уменьшает осевые зазоры более чем в два раза. Таким образом, даже небольшая ошибка в пригонке осевых зазоров может привести к касанию центробежного колеса о корпус насоса и разрушению ТНА. При этом ошибку сборки невозможно выявить ни на одном из этапов изготовления, в том числе и при испытаниях ТНА, так как режимы ограничиваются для сохранения ресурса агрегата и целостности стояночных уплотнений.

Заявляемый способ контроля осевых зазоров между центробежным колесом и корпусом ТНА совпадает с прототипом по следующему существенному признаку: обеспечение осевых зазоров осуществляется их пригонкой по размерам деталей, являющихся звеньями размерной цепи.

Целью заявляемой группы изобретений является обеспечение контроля осевых зазоров между колесом и корпусом ТНА ЛА, гарантирующих работу ротора без заклинивания.

В предлагаемом способе контроль осевых зазоров между центробежным колесом и корпусом ТНА осуществляется приложением к ротору собранного ТНА крутящего момента М_кр, под действием которого обеспечивается вращение ротора. При этом ротор нагружается поочередно сначала в одну, а затем в другую сторону осевыми усилиями F_a, рассчитываемыми по формуле:

где С₀ - максимально допустимая радиальная статическая нагрузка радиально-упорного подшипника;

K - коэффициент запаса прочности подшипника из диапазона K=5÷8;

m_p - масса ротора;

g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с².

Знак плюс в формуле (1) ставится при приложении усилия к ротору в направлении вверх, минус - вниз.

Крутящий момент М_кр выбирается из диапазона М_кр ≤ 1,5⋅F_a⋅μ⋅d,

где μ - коэффициент трения в подшипнике;

d - диаметр шейки вала.

Заявляемое устройство для осуществления способа контроля осевых зазоров между центробежным колесом и корпусом ТНА состоит из рамы, устройства для приложения крутящего момента, устройства для передачи осевых усилий с устройством для измерения осевых усилий с электронным табло и подвижного узла стыковки. Рама включает нижнюю, промежуточную и верхнюю плиты, соединенные между собой опорами. Промежуточная плита выполнена с возможностью установки в ней ТНА, а на ее верхнюю сторону выведен диск ротора ТНА, содержащий вращающуюся тягу. На верхней стороне верхней плиты размещены устройство для передачи осевых усилий и электронное табло устройства для измерения осевых усилий. Устройство для передачи осевых усилий содержит невращающуюся тягу. Подвижный узел стыковки соединяет невращающуюся тягу от устройства для передачи осевых усилий с вращающейся тягой от диска ротора ТНА посредством радиально-упорного подшипника.

Группа изобретений поясняется чертежами (фиг. 1-4), где на фиг. 1 показан продольный разрез ТНА; на фиг. 2 - вариант исполнения устройства для осуществления способа контроля осевых зазоров между центробежным колесом и корпусом ТНА; на фиг. 3 - продольный разрез подвижного узла стыковки заявляемого устройства; на фиг. 4 - продольный разрез ТНА при воздействии на ротор осевых усилий F_a.

Группа изобретений осуществляется следующим образом.

Выполняют сборку ТНА. Между центробежным колесом 1, установленным на роторе 2, и корпусом 3 ТНА имеются осевые зазоры Z₁ Z₂, Z₃, Z₄, которые обеспечиваются пригонкой размеров S₁ S₂, S₃, S₄ колец 4, 5, 6, 7, являющихся звеньями размерной цепи. Собранный ТНА устанавливают на устройство для осуществления способа контроля осевых зазоров между центробежным колесом и корпусом ТНА.

Устройство представляет собой сварную раму, состоящую из плит: нижней 8, промежуточной 9 и верхней 10, соединенных между собой по четырем углам опорами 11. Нижняя плита 8 является основанием устройства. Промежуточная плита 9 служит для установки ТНА 12. Крепление ТНА 12 осуществляется с нижней стороны плиты 9 при помощи винтов 13. При этом диск 14 ротора 2 ТНА 12 выведен на верхнюю сторону плиты 9 через отверстие 15 в плите 9. На верхней плите 10 установлен силовой винт 16 с динамометром 17, подвижным узлом стыковки А и электронным табло 18. Под подвижным узлом стыковки А крепится моментный ключ 19.

Подвижный узел стыковки А собирается и устанавливается на устройство следующим образом. Снизу на невращающуюся тягу 20, соединенную с силовым винтом 16, заводится фиксатор 21 и устанавливается радиально-упорный подшипник 22. Фиксация подшипника 22 на невращающейся тяге 20 выполняется по торцу внутренней обоймы подшипника винтом 23, который вворачивается в невращающуюся тягу 20. Далее, снизу по наружной обойме подшипника 22 заводится вращающаяся тяга 24 до упора выступом в торец наружной обоймы подшипника 22. Фиксатор 21 навинчивается на вращающуюся тягу 24 до упора в торец наружной обоймы подшипника 22. Собранный подвижный узел стыковки А вращением силового винта 16 опускается вниз до соединения вращающейся тяги 24 с диском 14 ротора 2 ТНА 12. Данная операция является завершающей перед проведением испытаний.

Осевые усилия F_a рассчитываются по формуле (1) и создаются вращением силового винта 16. Передаются осевые усилия F_a через подвижный узел стыковки А на ротор 2 сначала в одну, а затем в другую сторону. Величина F_a измеряется динамометром 17 и контролируется по электронному табло 18.

Осевой люфт δ₁ радиально-упорного подшипника 25 составляет половину величины осевых зазоров Z₁, Z₂, Z₃, Z₄. В результате действия на ротор 2 прикладываемой осевой силы F_a осевые зазоры Z₁, Z₂, Z₃, Z₄ уменьшаются на сумму осевого люфта δ₁ подшипника 25 и конструктивного осевого зазора δ₂ между кольцом 4 и крышкой 26, что уменьшает осевые зазоры более чем в два раза. Тем самым осевые люфты в радиально-упорном подшипнике 25 и между деталями ТНА полностью исключаются.

При приложении к ротору 2 крутящего момента М_кр и осевых усилий F_a должно обеспечиваться вращение ротора 2 ТНА 12. Если ротор 2 не вращается, а моментный ключ 19 проворачивается, это означает, что пригонка зазоров выполнена с ошибкой и центробежное колесо 1 заклинило о корпус 3. ТНА 12 разбирается, устраняется ошибка и проводится повторная проверка. При положительных результатах проверок ТНА допускается в дальнейшее производство.

Подвижный узел стыковки А обеспечивает передачу на ротор 2 осевых усилий F_a механическим способом, не препятствуя вращению ротора 2, что достигается соединением невращающейся тяги 20 от силового винта 16 с вращающейся тягой 24 от диска 14 ротора 2 посредством радиально-упорного подшипника 22.

Таким образом, техническим результатом группы изобретений является обеспечение контроля осевых зазоров между колесом и корпусом ТНА ЛА, гарантирующих надежность работы ТНА.

Технический результат достигается тем, что контроль осевых зазоров между колесом и корпусом ТНА ЛА обеспечивается:

- приложением к вращающейся тяге от диска ротора ТНА крутящего момента М_кр, выбранного из диапазона М_кр ≤ 1,5⋅F_a⋅μ⋅d, где μ - коэффициент трения в подшипнике; d - диаметр шейки вала;

- передачей на ротор осевых усилий F_a, рассчитываемых по

формуле (1), невращающейся тягой от силового винта;

- соединением невращающейся тяги от силового винта с вращающейся тягой от диска ротора ТНА в подвижном узле стыковки посредством радиально-упорного подшипника.

Предлагаемые способ и устройство могут быть осуществлены с помощью стандартного оборудования и материалов отечественного производства. Таким образом, они соответствуют критерию «промышленная применимость».

Источники, принятые во внимание:

1. Турк, В.И. Насосы и насосные станции / В.И. Турк. - М.: Госстройиздат, 1961. - 495 с.

2. Павлович, Л.А., Точность изготовления гидравлических устройств расходных систем / Л.А. Павлович, С.Л. Александров. - М.: Машиностроение, 1986. - 72 с.

3. Пат. 2496985 RU, МПК⁶ F01C 21/02, F04C 18/16. Способ осевого позиционирования подшипников на шейке вала / Ваннесте Софи Крис (BE), Бернартс Барт (BE) - Заявл. 27.09.2010; опубл. 27.10.2013, Бюл. №30.

4. Пат. 159148 RU, МПК⁶ G01M 13/04, G01B 5/14. Устройство для измерения осевого зазора в шарнирных подшипниках / Колпецов А.К. и др. - Заявл. 27.04.2015; опубл. 10.02.2016, Бюл. №4.

5. Пат. 201464087 CN, МПК G01L 1/04. Motor transmission structure torsion testing device / Сюй Цзянчэнь и др. - Заявл. 16.06.2009; опубл. 12.05.2010.