CC BY
46
УДК 621.51.226.2.53
А.А. ХОРИКОВ1, С.Ю. ДАНИЛКИН1, Т.И. МАЗИКИНА1, П.В. МАКАРОВ2
1 Центральный институт авиационного машиностроения им. П.И.Баранова, Москва, Россия 2 ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют», Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ КЛАССИЧЕСКОГО ФЛАТТЕРА КОМПРЕССОРНЫХ ЛОПАТОК С ПРИМЕНЕНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ДИНАМИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
На основе использования новых методов обработки и анализа динамических сигналов проведено исследование механизмов возникновения и развития классического флаттера рабочих лопаток осевого компрессора. Выявлены диагностические признаки классического флаттера,, отличающие его от других видов флаттера лопаток компрессоров. В частности установлено, что вследствие естественной разночастотности лопаток классический флаттер не возникает одновременно по всем лопаткам в колесе и не реализуется по диаметральным формам колебаний, свойственным решетчатому флаттеру.
Ключевые слова: классический флаттер, лопатки компрессора,, анализ динамических процессов, новые методы обработки,, частоты и формы колебаний, вибронапряжения
Введение. Постановка задачи
Существование классического изгибно-крутильного флаттера лопаток турбомашин длительное время ставилось под сомнение . Считалось, что флаттер лопаток обусловлен их взаимодействием в колесе и может возникать либо по первой изгибной форме (низкочастотный флаттер), либо при первой крутильной форме колебаний (высокочастотный флаттер), которая обычно имеет третий порядковый номер . При этом отмечалось, что крутильный флаттер отличается от изгибного гораздо меньшей связанностью и может возникать на отдельных группах лопаток. На близость к частоте крутильной формы частоты второй изгибной формы не обращалось внимания. Однако проведенный в работе [1] анализ экспериментальных данных показал, что это сближение частот является определяющим для устойчивости лопаток к высокочастотному флаттеру, причем в этом случае реализуется механизм классического изгибно-крутильного флаттера, когда при изменении частоты вращения ротора турбомашины вторая форма из преимущественно изгибной превращается в преимущественно крутильную, а третья, наоборот, из преимущественно крутильной в преимущественно изгибную.
При таком перестроении второй и третьей форм происходит изменение распределений напряжений по лопатке, что значительно снижает эффективность контроля уровня напряжений и надежность проведения экспериментов . Это
обстоятельство наряду с резким ростом напряжений при изменении режима работы турбома-шины, с большим разбросом напряжений по лопаткам и трудностями его диагностики дает основание считать этот тип флаттера одним из наиболее опасных из известных типов флаттера компрессорных лопаток . Приводящий к поломкам лопаток незначительный в отдельных случаях уровень измеренных напряжений при флаттере указывает на необходимость учета при анализе данных тензометрирования изменения распределений напряжений вследствие изменения форм колебаний.
Приведенные в работе [1] исследования классического флаттера были выполнены с использованием методов регистрации и обработки динамических процессов, существовавших в прошлом веке . Перед настоящим исследованием была поставлена задача на основе новых методов обработки и анализа динамических процессов определить характерные признаки классического флаттера, отличающие его от широко известного решетчатого флаттера лопаток и позволяющие в дальнейшем повысить надежность его диагностики.
1. Методы и объект исследования
Методы обработки и анализа сигналов были разработаны на базе имеющихся пакетов программ WinPos фирмы «Мера», Те81.Хрге8Я фирмы ЬМЗ и вейвлет-анализа программного комплекса ФИАН.
© А.А. Хориков, С.Ю. Данилкин, Т.И. Мазикина, П.В. Макаров, 2013
Для 3D спектрального представления функции когерентности был разработан подключаемый модуль (плагин) в виде динамической библиотеки (DLL) для среды «WinPos», который осуществил конвертирование экспериментальных данных в формате фирмы «мера» в формат данных LMSTest. Xpress.
Объектом исследования являлись рабочие лопатки 2-й ступени высоконагруженного четырехступенчатого экспериментального вентилятора . Тензометрирование данных лопаток проведено при различном опирании по бандажным полкам при испытаниях в составе двигателя на стенде с атмосферными условиями на входе в двигатель [2] . При наличии опирания
рабочих лопаток 2-й ступени по бандажным полкам флаттер отсутствовал . Для проведения исследования лопаток без опирания по бандаж-ним полкам, они были выполнены с большим зазором по бандажным полкам, исключающим его исчезновение при высоком уровне амплитуд колебаний . Расчеты частот и форм колебаний этих лопаток показали, что при увеличении частоты вращения происходит перестроение (инверсия) второй и третьей форм колебаний (рис .1). Для экспериментального исследования вибрационной нагруженности этих лопаток профильная часть пера была подробно препарирована тензометрами (рис . 2), а на корпусе вентилятора были размещены трехкомпонент-ные вибродатчики .
Рис . 1. Расчетные зависимости частот и форм колебаний исследуемых лопаток при изменении частоты вращения
спинка корыто
Рис . 2. Схема размещения тензодатчиков на РЛ 2 ступени КНД
2. Результаты исследований
На рабочем режиме при увеличении частоты вращения вентилятора на рабочих лопатках были зафиксированы нерезонансные колебания с высоким уровнем замеренных напряжений (рис . 3).
В результате применения преобразования Фурье был определен спектральный состав
сигналов с тензодатчиков на рабочих лопатках, в котором превалирующими оказались частоты, близкие к частотам второй и третьей форм колебаний (рис .4) . При возникновении колебаний лопаток с большими уровнями напряжений по третьей форме в спектрах сигналов с трехком-понентного датчика вибраций, установленного
на корпусе в плоскости направляющего аппа- диагностические частоты ^ = ^ ± тГр (рис . 5), рата первой ступени вентилятора появились где т имело непрерывные целые значения.
Рис . 3. Осциллограмма сигнала с тензодатчика №2 и изменение частоты вращения
Рис. 4. Осциллограммы и спектры сигналов с тензометров при развитом флаттере
Рис . 5. ЗБ-спектр сигнала с датчика вибраций на корпусе в плоскости НА 1 ступени вентилятора
(вертикальное направление)
Для исследования связанности колебаний рабочих лопаток в колесе в процессе развития флаттера были определены значения ЗБ-функции когерентности сигналов с тен-зодатчиков на соседних и удаленных лопатках. В результате спектрально-корреляционного анализа было установлено, что колебания рабочих лопаток №9, 10, 11 с частотой 647,5 Гц имеют высокую связанность между собой с у2 = 1, также как и колебания лопаток №39, 40, 41 с частотой 650,4 Гц (рис . 6а, 6б), однако, для сигналов с тензодатчиков на лопатках из разных наборов проявляется слабая когерентность сигналов с у2 < 0,8 (рис . 6в) .
Для определения момента возникновения флаттера проведено исследование колебаний лопаток с применением вейвлет-анализа сигналов с
тензодатчиков на лопатках [3] . Результаты вычисления квадратов вейвлет коэффициентов представлены на рис. 7 . С учетом частоты дискретизации и частотного состава сигнала с тензодатчика для исследования был выбран уровень I = 5, которому соответствует частотный диапазон от 32000/26 = 500 Гц до 32000/25 = 1000 Гц. Для сглаживания результата вычислялись средние значения по N = 16000 соседней точке (~0,5 сек.), то есть
вычислялась величина Е^ к _^,п_0^к+п . По результатам вейвлет-анализа, представленным на рис . 7 видно, что уровень квадратов вейвлет коэффициентов для разных лопаток различен и изменения уровней происходят в разное время, что свидетельствует об отсутствии связанных колебаний лопаток рабочего колеса.
Рис . 7. Усредненные квадраты вейвлет-коэффициентов для сигналов с тензодатчиков на лопатках
Для указанных динамических процессов был также выполнен частотно-временной анализ на основе последовательно адаптивного метода с применением цифровой фильтрации сигналов с тензометров . Результаты этого анализа приведены в таблице 1 . Видно, что в начальный момент времени развития флаттера лопатки колеблются с разными частотами и
только при высоком уровне вибронапряжений частоты лопаток могут быть равными . Однако даже при равенстве частот значения сдвигов фаз колебаний между парами соседних лопаток очень сильно различаются, что указывает на отсутствие диаметральных форм колебаний, по которым обычно реализуется решетчатый флаттер компрессорных лопаток [4].
Таблица 1 — Результаты частотно-временного анализа сигналов с тензометров при возник-
новении и развитии флаттера
т/д № 2
№ лопатки до начала флаттера ст < 5 кгс/мм2 ст = 5...10 кгс/ 2 мм ст > 10 кгс/мм2 Когерентность у2 при ст > 10 кгс/мм2 Сдвиг фаз Дф, град
Процесс отфильт юван в диапазоне частот f = 625-670 Гц
9 652.7 647.5 646.8 лоп.9 и 10: 0.991 лоп.10 и 11: 0.991 лоп.9 и 10: 6.22 лоп.10 и 11: -3.56
10 652.7 647.5 646.8
11 645.3 648.7 646.8
39 629.2 651.3 649.8 лоп.39 и 40: 0.98 лоп.40 и 41: 098 лоп.39 и 40: -13.1 лоп.40 и 41: -0.72
40 631.7 651.3 649.8
41 662.6 650.8 649.8
Процесс отфильт рован в диапазоне частот f = 470-530 Гц
9 516.2 479.8 494.7 лоп.9 и 10: 0.5 лоп.10 и 11: 0.99 лоп.10 и 11: 0.72
10 495.6 477.4 494.7
11 475.4 472.14 496.3
39 503.5 475.0 495.0 лоп.39 и 40: 0.97 лоп.40 и 41: 0.90 лоп.39 и 40: -14.26
40 480.7 485.7 502.1
41 499.0 483.2 487.0
т/д № 6
Процесс отфильт рован в диапазоне частот f = 625-670 Гц
41 644.8 650.8 651.7 лоп.39 и 40: 0.99 лоп.40 и 41: 0.99 лоп.39 и 40: 62.4 лоп.40 и 41: 64.2
40 658.4 650.8 651.7
39 647.0 650.8 651.7
28 645.6 650.0 650.5 лоп.27 и 28: 0.91
27 666.9 651.3 650.5
17 647.9 643.3 650.3
11 641.4 649.8 650.0 лоп. 9 и 10: 0.99 лоп. 10 и 11: 0.995 лоп.9 и 10: -30 лоп. 10 и 11: -23
10 647.8 647.8 647.9
9 663 647.8 647.6
6 653.9 653.8 651.3
Процесс отфильтрован в диапазоне частот f = 470-530 Гц
41 482.9 488.2 517.9 лоп.39 и 40: 0.6 лоп.9 и 10: 0.5
40 506.2 511.9 514.2
39 509.9 518.8 514.2
28 501.6 500 516.2
27 513.6 507.2 516.7
17 501.6 509.8 515.0
11 510.0 502.2 525.7
10 495.4 503.9 516.3
9 502.1 509.7 526.6
6 505.0 509.7 526.1
Заключение
Из представленных результатов обработки динамических процессов при реализации классического флаттера рабочих лопаток вы-соконагруженного четырехступенчатого экспериментального вентилятора можно выделить следующие механизмы его возникновения:
— классический флаттер возникает на частотах вращения, при которых у лопаток происходит перестроение форм колебаний под действием центробежных сил;
— вследствие естественной разночастотности лопаток классический флаттер не возникает одновременно по всем лопаткам;
— классический флаттер не реализуется по диаметральным формам колебаний, свойственным решеточному флаттеру;
— на начальном этапе возникновения флаттера лопатки в колесе колеблются с разными частотами и только при весьма высоком уровне вибрационных напряжений вследствие нелинейных эффектов несколько рядом расположенных лопаток могут иметь одинаковые частоты;
— при высоком уровне вибрационных напряжений в спектре вибраций корпуса можно выделить многочисленные спектральные составляющие, которым можно привести в соответствие различные номера диаметральных форм совместных колебаний лопаток с диском, однако, в действительности они являются результатом разложения окружной неравномерности деформации корпуса в ряд Фурье от воздействия колебаний вращающихся лопаток.
Литература
1 . Хориков А.А.Прогнозирование и диагностика флаттера лопаток осевых компрессоров авиационных ГТД //ЦИАМ, Труды №1311.-2002.-351 с.
2. Макаров П.В. Исследование флаттера рабочего колеса 2 ступени вентилятора ГТД при различном опирании лопаток по бандажным полкам // Вестник Московского авиационного института, том 19, №3, 2012., С. 101-111.
3. Дремин И.М. Иванов О.В., Нечитай-ло В.А., Вейвлеты и их использование // Успехи физических наук, том 171, №5, 2001.
4.Сачин В.М., Хориков А.А., Шатохин А.Г . Исследование фазовых характеристик связанных колебаний лопаток компрессоров в потоке // ЦИАМ, Труды № 953 . -1981. -С. 287-296.
Поступила в редакцию 10.06.2013
А.О. XopiKOB, С.Ю. Данилин, T.I. Мазиюна, П.В. Макаров. Дослщження мехатзтв виникнення i розвитку класичного флатеру компресорних лопаток i3 використанням сучасних метод1в обробки динам1чних процеав
На ocHoei використання нових методов обробки i анализу динам1чних сигналов проведено досл^дження механiзмiв виникнення i розвитку класичного флатеру робочих лопаток осъового компресора. Виявлено дiагнocтичнi ознаки класичного флатера, ят вiдрiзняють його вiд тших видiв флатеру лопаток кoмпреcoрiв. Зокрема установлено, що вна^док природног рiзнoчаcтoтнocтi лопаток класичний флатер не виникае одночасно по усх лопатках в колеа та не реалiзуeтъcя за дiаметралъними формами коливанъ, ят влаcтивi рештчастому флатеру.
Ключов1 слова: класичний флатер, лопатки компресора,, аналiз динамiчних процеав, нoвi методи обробки,, частоти i форми коливанъ, вiбрoнапруження
A.A.Horikov, S.U. Danilkin, T.I. Mazikina, P.V. Makarov. Research of mechanisms of occurrence and development of classical flutter in compressor's blades with application of modern methods of processing of dynamic processes
On the basis of use of new methods of processing and the analysis of dynamic signals research of mechanisms of occurrence and development classical flutter in axial compressor's blades is conducted. Diagnostic characters classical flutter, distinguishing it from other kinds flutter in compressor's blades are revealed. It is fixed that owing to natural dispersion of frequencies in blades the classical flutter does not arise simultaneously on all blades in fan and is not realized under the diametrical shapes of oscillations peculiar cascade flutter.
Key words: classic flutter, compressor's blades, analysis of dynamic processes, new methods of processing, frequencies and natural modes, dynamic stresses.
