CC BY
53
УДК 621.51.226.2.53
А.А. Хориков1, С.С. Калачев1, П.В. Волков2 1 Центральный институт авиационного моторостроения, Россия 2 Московское машиностроительное производственное предприятие
«Салют», Россия
К ВОПРОСУ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ВИБРАЦИОННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ТЕНЗОМЕТРИРОВАНИИ ЛОПАТОК
ТУРБОМАШИН
Аннотация: Рассмотрены вопросы расчетно-экспериментального определения вибрационных напряжений в рабочих лопатках турбомашин при флаттере и резонансных колебаниях. Приведены примеры, когда распределения напряжений, определенные при экспериментальных исследованиях лопаток на вибростенде, могут приводить к значительным погрешностям при определении максимальных напряжений в процессе тензометри-рования лопаток на двигателе. Предложены способы оценивания уровня вибрационных напряжений в этих случаях.
Лопатки, формы колебаний, тензометры, максимальные напряжения, флаттер, резонанс
Основным методом определения вибрационных напряжений в лопатках турбомашин в рабочих условиях является тензометрирование. Места наклейки тензодатчиков на лопатках обычно выбирают по результатам экспериментальных исследований распределений напряжений в лабораторных условиях для изолированных лопаток с таким расчетом, чтобы коэффициент пересчета на место максимальных напряжений по исследуемой форме колебаний не превышал определенного значения (как правило 2). Однако, такой подход справедлив только в тех случаях, когда влияние центробежных сил и связанности лопаток в колесе на распределение напряжений пренебрежимо мало. Имеются, по крайней мере, два случая, когда такой подход может привести к неверным результатам.
Как показано в работе [1] возникновение классического флаттера в небандажированных лопатках турбомашин обусловлено перестроением (инверсией) второй и третьей форм колебаний лопаток по оборотам. При этом вторая форма колебаний из преимущественно изгибной превращается в преимущественно крутильную, а третья, наоборот, из преимущественно крутильной превращается в преимущественно изгибную. Очевидно, что при этом может происходить изменение распределений напряжений. На рис. 1 приведен пример такого перестроения форм колебаний, который приводил к возникновению классического флаттера не-бандажированных широкохордных лопаток 1-й ступени высоконапорного вентилятора. Видно, что под действием центробежных сил в диапазоне
оборотов п = 0,7......0,8 происходит не только
перестроение форм колебаний, но и резкое изменение мест максимальных напряжений по этим формам. Информативность тензометров, наклеенных по результатам определения распределений напряжений на вибростенде, при этом также сильно изменяется (рис.2). Поэтому действительный уровень напряжений при флаттере для третьей формы колебаний (см. рис.3) будет в несколько раз больше, чем по тензодатчику №1, по которому преимущественно осуществлялась регистрация флаттера. Регистрация флаттера именно по датчику №1 здесь осуществлялась по той причине, что развитый флаттер с замеренным уровнем напряжений до ст = 15 кгс/мм2 реализовался, как правило, по второй форме колебаний, а на оборотах, где реализовался флаттер, информативность этого тензометра по второй форме колебаний была существенно выше, чем по остальным тензометрам. Следует заметить, что приведенный пример характерен именно для классического флаттера рабочих лопаток, когда резкое снижение устойчивости лопаток к флаттеру обусловлено взаимодействием второй и третьей форм колебаний. Значение числа Струхаля при этом составило БИ2 = 2,196 и БИз = 2,504 для второй и третьей форм колебаний соответственно, что значительно превышает критические значения этого параметра при обеспечении отсутствия флаттера для каждой отдельной формы колебаний [2].
Рис. 1 - Зависимость частот, расположений узловых линий и мест максимальных напряжений от частоты вращения для второй и третьей форм колебаний рабочей
лопатки первой ступени * - расчетные места максимальных напряжений;
© А.А. Хориков, С.С. Калачев, П.В. Волков 2006 г.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 3/2006
- 117 -
о - средние экспериментальные значения частот по лопаткам (залитые точки - частоты флаттера)
Рис. 2 - Зависимости напряжений, регистрируемых различными тензодатчиками, от частоты вращения
а) третья форма колебаний;
б) вторая форма колебаний.
Рис. 3 - Временная реализация и спектр колебаний лопатки при классическом флаттере, зарегистрированные по т/д №1
колебаний распределение напряжений часто снимают на изолированных лопатках при их закреплении по замку и полке или при закреплении только по замку с возбуждением второй или третьей форм колебаний, так как частота этих форм обычно близка к частоте возбуждаемой « надполочной» формы колебаний. Иногда это распределение напряжений снимают на полноразмерном бандажированном колесе при его возбуждении по диаметральным формам со стоячими волнами деформаций. Для определения допустимости таких подходов при оценке вибрационной прочности лопаток с исполь -зованием ЛЫБУБ были проведены расчеты напряженно-деформированного состояния бандажиро-ванных рабочих лопаток 1-й ступени вентилятора одного из серийных авиационных двигателей (рис. 4......7). На этом двигателе было также выполнено подробное тензометрирование лопаток, так как на оборотах п « 98% был обнаружен резонанс от третьей гармоники входной окружной неравномерности потока по «надполочной» форме, который реализовался с числом узловых диаметров т = 3 совместных колебаний лопаток с бандажом и диском. Препарирование лопаток при этом выполнялось по общепринятой в этих случаях схеме. Приведенные в таблицах №1 и №2 данные свидетельствуют, что при перечисленных выше способах определения вибрационных напряжений возможны большие различия при определении уровня максимальных напряжений в лопатках от этого резонанса.
Рис. 4 - Распределение напряжений в РЛ 1-й ступени при колебаниях колеса по 1-й форме с т=3, п1 = 98%.
а) волна колеса бежит по вращению;
б) волна колеса бежит против вращения
а)
б)
<■•■ I
При проведении тензометрирования бандажи-рованных лопаток с целью определения максимального уровня напряжений по «надполочной» форме
Рис. 5 - Распределение напряжений в РЛ 1-й ступени при стоячей волне колебаний колеса по 1-й форме с т = 3, п1 = 98%. а) лопатка в узле; б) лопатка в пучности.
а)
б)
г-
I rtKI
Рис. 6 - Распределение напряжений в РЛ 1-й ступени при колебаниях по 1-й форме при п=98% при расчете с изолированной лопатки без закрепления по полке
а) 2-я форма колебаний;
б) 3-я форма колебаний.
<Г"
п Ь I
а)
б)
I
Рис.7 - Распределение напряжений в РЛ 1-й ступени при колебаниях по 1-й форме при п1 = 98% при расчете с изолированной лопатки с закреплением по полке
распределению напряжений расчеты для бегущих волн деформации и для стоячей волны, если напряжения определять в пучности. Наиболее информативным тензодатчиком для определения уровня максимальных напряжений при этом резонансе является тензодатчик №2 (над полкой). Однако место максимальных напряжений согласно расчетам находится не в месте размещения тен-зодатчика №2, а в корневом сечении на выходной кромке, где напряжения больше почти в 2 раза (рис. 4).
Из сравнения расчетных и экспериментальных данных следует, что наиболее близки к реальному
Расчетные и экспериментальные распределения напряжений при резонансе
Таблица 1
т/д № 1 т/д № 2 т/д № 3 т/д № 5 т/д № 2 т/д № 1 т/д №3 т/д № 1 т/д № 5 т/д № 1 Частота, Гц
Волна, бегущая по вращению 5,69E+10 5,98E+10 4,72E+08 2,45E+10 1,051 0,008 0,431 487,8
Волна, бегущая против вращения 5,70E+10 6,01E+10 4,70E+08 2,47E+10 1,054 0,008 0,433 487,8
Стоячая волна, узел 1,12E+10 1,57E+10 3,07E+08 5,94E+09 1,402 0,027 0,530 520,4
Стоячая волна, пучность 6,88E+10 6,88E+10 9,71E+08 2,13E+10 1,000 0,014 0,310 520,4
Изолированная с закреплением по замку, 2-я форма 4,33E+10 1,34E+10 3,11E+08 3,47E+09 0,309 0,007 0,080 441,49
Изолированная с закреплением по замку, 3-я форма 1,71E+10 7,27E+09 5,90E+08 3,62E+09 0,425 0,035 0,212 497,38
Изолированная с закреплением по замку и полке, 1-я форма 4,56E+10 3,26E+10 2,22E+08 1,13E+10 0,715 0,005 0,248 417,03
Эксперимент ~98% 3,44 3,45 0 1,21 1,003 0,000 0,352 506
ISSN 1727-0219 ВестникдвигателестроенияТ№3М2ё§ёазом, есть основание сч-аМ «Г-3
приведенных двух случаях использование расчетных значениях распределений напряжений, которые учитывают особенности колебаний лопаток в
Таблица 2
Значения коэффициентов пересчета показаний тензометров на максимальные
значения напряжений
т/д № 1 т/д № 2 т/д № 3 т/д № 5
Волна, бегущая по вращению 2,074 1,973 250,000 4,816
Волна, бегущая против вращения 2,070 1,963 251,064 4,777
Стоячая волна, узел 5,143 3,669 187,622 9,697
Стоячая волна, пучность 1,642 1,642 116,375 5,305
Изолированная с закреплением по замку, 2-я форма 2,242 7,246 312,219 27,983
Изолированная с закреплением по замку, 3-я форма 9,006 21,183 261,017 42,541
Изолированная с закреплением по замку и полке, 1-я форма 2,368 3,313 486,486 9,558
чем определение их на вибростенде. В то же время существующие методики нормирования вибрационных напряжений в лопатках по результатам тензометрирования ориентированы, в основном, на величины максимальных напряжений, замеряемые тензодатчиками, наклеенными на лопатках по результатам испытаний на вибростенде. При этом разница между максимумом напряжений по датчикам и реальным максимумом компенсируется значительными величинами нормируемых минимально допустимых запасов усталостной прочности. Авторы статьи надеются, что изложенные здесь результаты послужат основанием для организации расчетно-экспериментальных работ для разработки методик нормирования вибрационных напряжений по их расчетным распределениям.
Литература
1. Хориков А.А. О возможности возникновения «классического флаттера рабочих лопаток турбо-
машин - Проблемы прочности, 1976, №3. - С. 2528.
2. Srinivasan A.V. Flutter and resonant vibration characteristics of engine blades.-Paper presented at the International gas turbine and aeroengine congress, Orlando, Florida.-June 2 - June 5, 1997. - 36 p.
Поступила в редакцию 25.07.2006 г.
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Фишгойт А.В. ЦИАМ им. П.И. Баранова
Анота^я: Розглянуто питання розрахунково-експериментального визначення в1брац1йних напруг уробочих лопатках турбомашин при флаттер1 й резонансних коливаннях. Наведено приклади, коли розпод1ли напруг, визначен1 при експериментальних досл1дженнях лопаток на в1бростенд1, можуть приводити до значних погр1шностей при визначенн1 макси-мальних напруг у процес тензометрирування лопаток на двигун1. Запропоновано спосо-би оц1нювання рвня в1брац1йних напруг у цих випадках.
Abstract: Questions of calculating and experimental definition of vibrating stresses in turbo machines rotor blades are considered at flutter and resonant fluctuations. Examples when the distributions of stresses determined at experimental researches of blades on vibration plant can result to significant errors at definition of the maximal stresses in blades during gauging process on the engine are shown. Estimation ways of a stresses value in these cases are offered.
