燃氣渦輪泵動平衡工藝優化

王春雷

摘 要：該報告為了保證渦輪泵工作過程中的安全性和可靠性，介紹了其工作原理及相關參數，主要從系列泵動平衡工藝方法優化的關鍵技術和難點、采取的技術方案和措施以及實施過程、主要工藝試驗及取得的效果、技術指標完成情況、成果應用情況、調整組合動平衡工藝流程等方面，對系列泵動平衡工藝方法優化進行了總結報告，優化了系列泵動平衡工藝方法，完成了預期目標。

關鍵詞：動平衡 渦輪泵 振動 轉子 泵葉輪

中圖分類號：V434 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（c）-0096-02

燃氣渦輪泵是伺服系統的核心部件。其工作原理是通過燃氣發生器產生的高溫、高壓燃氣沖擊渦輪葉片，驅動渦輪泵轉子和同軸的切線泵葉輪高速運轉，從而將機械能轉化為高壓勢能，達到為作動器提供高壓介質的目的[1]。其工作原理為：燃氣發生器-超高速噴嘴-渦輪轉子-切線泵葉輪-伺服作動器。

為了保證燃氣渦輪泵工作過程中的安全性和可靠性，每臺產品交付前都必須進行全功率氦試試驗考核，對渦輪泵轉速、輸出壓力、軸系徑向振動幅值、密封性等指標進行檢查[2]。目前筆者工廠系列渦輪泵在進行A組試驗中的高壓氦試時，出現多數產品轉子小軸振動位移超差的現象，從而降低了渦輪泵的工作可靠性及使用壽命，其中渦輪泵軸系轉動件的動平衡是渦輪泵制造的核心技術，對保證渦輪泵的性能和可靠性起著至關重要的作用。

1 存在的關鍵技術和難點

整體渦輪轉子初次平衡滿足動平衡精度ISO1940G1級，使用前復測剩余不平衡量發生變化，不能全部滿足G1級精度要求，現通過平衡工裝及平衡方式的調整，確定合理的平衡流程，降低初次平衡及復測平衡剩余不平衡量，滿足轉子平衡G1級及軸系轉動件組合動平衡G2.5級平衡精度的設計要求[3]。從而降低渦輪泵因動平衡不穩定引起的轉子小軸振動位移超差返工率，滿足渦輪泵由平衡不穩定引起的振動超差率在5%以內的要求。

2 攻關技術方案和措施

針對轉子單獨進行動平衡，滿足平衡精度ISO1940G1級；然后進行轉子與泵葉輪組合動平衡，組合動平衡是以平衡合格的轉子為芯軸，將平衡軸套安裝在轉子軸上，用泵葉輪旋入并擰緊，對泵葉輪進行平衡，滿足泵葉輪的平衡精度為0.01 g·cm；組合平衡合格后，將渦輪泵進行試裝配，再進行軸系轉動件整體組合動平衡，滿足平衡精度ISO1940G2.5級要求。平衡后進行渦輪泵正式裝配。

其中，問題的關鍵在于：（1）整體渦輪轉子動平衡：轉子初次平衡滿足動平衡精度G1級，平衡合格后將轉子入庫，待重新集出，復測轉子剩余不平衡量發生變化，不能全部滿足G1級精度要求。（2）轉子與泵葉輪組合平衡：其平衡軸套材料為夾布膠木，為非金屬，其材料特點易變形、易裂，致使泵葉輪實際平衡精度不準確，部分產品質量不穩定。（3）產品的工藝流程：轉子與泵葉輪組合平衡后進行試裝配，試裝配過程中為滿足各種尺寸計算，可能會對部分軸系零件進行更換，這將會導致轉子與泵葉輪平衡需要重新進行。可見對目前的動平衡工藝方法確實存在許多不足，需要對其進行優化和改進，以提高生產效率，避免資源浪費。

在轉子單獨平衡之后，將試裝配、轉子與泵葉輪組合平衡這兩道工序互換，目的是先通過試裝配，確定滿足渦輪泵尺寸鏈及氣密試驗的要求，以滿足正式裝配的各種條件。通過動平衡優化，減少了由于更換軸系零件，導致轉子與泵葉輪組合平衡這一工序重復進行，造成生產周期的延長及資源的浪費。

3 主要工藝試驗及取得的成果

3.1 主要工藝試驗及取得的效果

目前，筆者工廠渦輪轉子經過平衡后，再次復測和進行組合平衡時，剩余不平衡量不穩定，導致渦輪泵裝配后產品進行高壓氦試時，轉子小軸振動位移超出0.03 mm。針對這一難題，經過技術部門研究決定，調整轉子的支撐方式，并進行技術摸索及數據統計。

3.2 調整轉子的支撐方式

調整轉子的支撐方式，以不靠轉子臺肩狀態進行平衡，消除了滾珠及轉子臺肩對動平衡的影響，以一種自由的狀態進行平衡，更貼近產品的真實狀態。

針對筆者工廠渦輪轉子經過平衡后，再次復測和進行組合平衡時，剩余不平衡量不穩定這一現狀，從庫里領出10件渦輪轉子按此動平衡方式進行平衡，初次平衡達到一定精度后，通過反復拆裝平衡橋架及改變定標貼重重量，重復檢測，結果合格，不平衡量變化較小。

3.3 調整轉子與泵葉輪組合平衡的平衡軸套

將轉子與泵葉輪組合動平衡之間的平衡套，由非金屬材料調整為金屬鋼套；并增加產品墊片，與產品的裝配狀態保持一致，更貼近真實狀態。（見圖1）

泵葉輪平衡時以平衡合格的轉子為芯軸，平衡套為金屬材料，解決了非金屬易變形、易裂，泵葉輪實際平衡精度不準確，部分產品質量不穩定這一現象。平衡鋼套材料2Cr13，淬火硬度28～33 HRC，它作為一個參與平衡的回轉體，對其內孔尺寸及同軸度、垂直度、平行度都有較高的要求，為保證內孔與外圓的同軸度0.01的要求，采用以內孔定位，磨外圓，并設計了專用芯棒K26331-0032，以保證形位公差的要求。平衡鋼套要求定期檢測，以滿足其使用要求。

3.4 調整工藝流程

調整組合動平衡工藝流程，將原來轉子與泵葉輪組合動平衡工序調整到渦輪泵軸系零件試裝后進行，以減少由于更換軸系零件，導致轉子與泵葉輪組合平衡這一工序重復進行，造成生產周期的延長及資源的浪費。

4 結語

通過動平衡工藝優化，交付的渦輪泵其配套轉動件動平衡全部按此動平衡方式進行平衡，產品裝配后進行高壓氦吹，有1臺產品由平衡不穩定引起的振動超差，產品一次合格率95.4%，較以往渦輪泵氦試試驗有明顯的提高。通過關鍵技術攻關和相關工藝試驗，優化了系列泵動平衡工藝方法，完成了預期攻關目標，使渦輪泵因動平衡不穩定造成的產品性能不合格得以控制，為后續產品一次交付驗收合格奠定了基礎。

參考文獻

[1] 劉成樂.淺析某型轉子組合件動平衡技術[J].機械制造，2011（1）：62-63.

[2] 呂碩.動平衡實驗機轉子振動模態分析[J].制造業自動化，2011（2）：160-162.

[3] 郭東興.淺析化工裝置轉機的動平衡技術存在的問題及對策[J].黑龍江科技信息，2010（22）：50.