CC BY
67
УДК 621.452.32:62-752
А. В. Ефименко, Н. В. Польникова, В. Н. Доценко
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ДЕМПФЕРА ОПОРЫ РОТОРА ТУРБИНЫ АВИАЦИОННОГО ГТД
Один из методов гашения колебаний роторов авиационных ГТД - применение в опорах роторов турбин гидродинамических демпферов с упругими элементами. В статье приводится конкретный случай повышения эффективности работы демпфера введением в его конструкцию канавок трапециевидного профиля и установленных в них с зазором соответствующих самопружинящих колец.
Условные обозначения
а, Ь - ширина, толщина сечения балочки;
В - осевая протяженность уплотнительного кольца;
Е - модуль упругости материала уплотнитель-ного кольца;
С - радиальный зазор в демпфере;
Ед1, Ед, Еа, Рг - равнодействующие осевые и радиальные неуравновешенные гидростатические силы от перепада давления жидкости на маслоуплотнительных кольцах;
f - коэффициент трения;
L - радиальная протяженность уплотнительно-го кольца;
LA, L1, L2, Lз - длины активных участков демпферов;
l - длина элемента упругости (балочки);
I - координата фаски уплотнительного кольца;
^а, , NR, NR1 - силы воздействия вибратора на маслоуплотнительное кольцо;
NT, NT1 - мощности внешнего трения;
Рм, Рс~ давления в полости наддува и масляной полости;
Q, Q1- суммарные силы давлений самопружинящих маслоуплотнительных колец;
Rц - радиус цилиндрической поверхности корпуса;
Та, Та1, Тк, TR1 - равнодействующие сил трения;
V - линейная скорость перемещения вибратора;
а - угол конической поверхности канавки;
8с, 8 - зазоры в стыке уплотнительного кольца в свободном состоянии и в калибре;
ю- угловая скорость вибратора;
ГДД - гидродинамический демпфер;
ГП «Ивченко-Прогресс» - государственное предприятие «Ивченко-Прогресс»;
ГТД - газотурбинный двигатель;
ТВлД - турбовальный двигатель;
ТВВ - турбина винтовентилятора;
ТНД - турбина низкого давления;
ТРДД - турбореактивный двухконтурный двигатель;
УЭ - упругий элемент.
1 Введение
Одной из важнейших проблем при создании, доводке и серийном производстве авиационных ГТД является снижение уровня вибраций вращающихся роторов.
Эффективным средством борьбы с вибрациями ротора является снижение уровня неуравновешенности вращающихся масс, что достигается балансировкой ротора. Быстровращающиеся роторы обычно балансируются на нерабочих (низких) частотах, что может быть причиной появления на рабочих режимах значительных дисбалансов.
Опыт показывает, что даже в случае идеальной балансировки, избежать вибраций в двигателе практически невозможно. Это связано с неоднородностью материалов, из-за которой, под действием центробежных сил, возникают несимметричные деформации. К тому же в процессе работы происходит увеличение температуры, детали и узлы двигателя коробятся, что приводит к нарушению их взаимного расположения.
В настоящее время считается доказанным -большая часть вибрационных дефектов может быть успешно устранена за счет применения демпфирования колебаний деталей и сборочных единиц ГТД - роторов, трубопроводов, рабочих лопаток колес, сопловых аппаратов турбин, оболочек корпусов.
Из известных в настоящее время методов демпфирования авиационных ГТД наибольшее распространение получил метод гидродинамического демпфирования, осуществляемого демпфирующими устройствами - демпферами. Широкое применение такие устройства нашли в опорах роторов, в частности, в опорах роторов турбин, т.к. именно в опоре осуществляется связь вращающейся части опоры (ротора) с корпусом (статором).
© А. В. Ефименко, Н. В. Польникова, В. Н. Доценко, 2007
В 60...-70-х годах прошлого столетия, с появлением ТРДД с передним расположением вентилятора, ТВлД с передним расположением редуктора, соединенного с турбиной центральным валом, условия работы многих сборочных единиц и деталей двигателей усложнились. В значительной степени это относится и к опорам роторов турбин, работа которых характерна высокой частотой вращения роторов, слабой радиальной нагрузкой, значительной теплонапряженностью, жестким ограничением места размещения.
Последнее, ограничение места размещения, требует особых решений конструирования всех элементов опоры, в том числе и демпферов, т.к. в данном случае диссипация энергии неуравновешенных вращающихся масс осуществляется устройствами ограниченных габаритов.
2 Функциональные особенности ГДД с УЭ
В современных опорах роторов турбин авиационных ГТД применяются преимущественно гидродинамические демпферы, в которых диссипация энергии колебаний неуравновешенных вращающихся масс осуществляется при перетекании вязкой жидкости по тонкому демпферному зазору и преодолении внешнего трения в сопряжении деталей демпфера - достижение так называемого режима «длинного» [1] гидродинамического демпфера реализуется монтажом металлических самопружинящих маслоуплотнительных колец (поршневого типа) в коротком в осевом направлении вибраторе.
В ГДД, в том числе и в ГДД с УЭ [2], колебания неуравновешенных вращающихся масс вызывают противодействия не только сил вязкого сопротивления жидкости, находящейся под давлением в демпферном зазоре 5 (рис. 1), но и сил трения по поверхностям сопряжения 7 (между торцовыми поверхностями уплотнительных колец 3 и сопрягаемыми поверхностями канавок вибратора 1).
На ГП «Ивченко-Прогресс» ГДД с УЭ был впервые применен в 1982 году в составе опоры ротора турбины двигателя ДВ-2 учебно - тренировочного самолета Л-39МБ чешского производства.
Основным демпфирующим элементом ГДД является слой масла, подаваемого под давлением через равномерно расположенные по окружности отверстия 8 в полость, образуемую поверхностью кругового цилиндра радиусом Rц корпуса 4 и вибратора 1, - демпфирующие свойства зависят от толщины С масляного слоя, длины L активного участка, определяемого расположением уплотняющих колец 3, а также особенностью течения жидкости в зазоре С («длинный» демпфер)[3].
Параллельное включение в систему демпфера сил упругости балочек 6 позволяет воспринимать вес ротора и создавать более благоприятные условия для рассеяния энергии, а также обеспечи-
вать перемещение оси подшипника 2 в пространстве плоскопараллельно, благодаря чему исключаются перекосы, что для обеспечения надежности высокоскоростных роликоподшипников имеет чрезвычайно важное значение.
Зазор С обеспечивается выполнением образующих его поверхностей корпуса и вибратора с высокой точностью - соответственно по 6 и 5 ква-литетам ГОСТ 25347-82 с ужесточением форм (допуск круглости, профиля продольного сечения), соответствующим степени точности выше 5 по ГОСТ 24643-81.
Рис. 1. ГДД с УЭ опоры ротора ТНД ТРДД двигателя ДВ-2
В некруглом демпфере возникает анизотропия характеристик, что может привести к потере устойчивости движения ротора, к тому же высокие значения параметра некруглости не способствуют использованию демпфера при малых зазорах, т.е. при самых эффективных сочетаниях зазора и длины демпферного участка, когда энергия продавлива-
ния масла через зазор значительно возрастает.
Уменьшение зазора С при принятых значениях отклонения формы поверхностей приведет к повышению параметра некруглости, а более точное выполнение поверхностей (точнее 5 степени точности) - к значительным производственным затратам.
Рассмотрим силы, действующие в сопряжении маслоуплотнительного кольца 3 прямоугольного сечения с вибратором 1 и корпусом 4 при постоянном давлении жидкости в рабочем зазоре демпфера. Для определения сил, действующих на мас-лоуплотнительное кольцо, используем криволинейную (цилиндрическую) систему координат А, R, ф [4].
В сопряжении маслоуплотнительного кольца 3 прямоугольного сечения с вибратором 1 и корпусом 4 действуют равнодействующие осевая и радиальная неуравновешенные гидростатические силы ГА, FR от перепада давления жидкости на маслоуплотнительном кольце, сила давления О самопружинящего маслоуплотнительного кольца на цилиндрическую поверхность корпуса 4, равнодействующие сил трения Та, Тк, а также силы воздействия на маслоуплотнительное кольцо вибратора по поверхности сопряжения 7 и корпуса 4 по цилиндрической поверхности сопряжения - Ыа , NR соответственно.
Уравнения равновесия сил
Е А = 0; Ра - ГА - ЫА = 0 Е Я = 0; Рк + б - Тк - Нк = 0
.(1)
Инженерные решения технических задач обычно предусматривают целый ряд предположений и упрощений. В данном случае предполагаем - коэффициент f трения скольжения имеет постоянное и одинаковое значение при скольжении маслоуп-лотнительного кольца 3 относительно вибратора 1 и цилиндрической поверхности корпуса 4, т.е.
та = ^Я • I,
Тя = N а • I.
После упрощения и замен, решая систему уравнений (1) относительно неизвестных Ыа и NR, находим
N.
Ра - (б + Рк) • I 1 -12
Nя =
РЯ + б + РА ■1 1 - 12
(2)
(3)
Контакт шероховатых поверхностей всегда дискретен, что позволяет жидкости под давлением заполнять пустоты между фактическими площадками контакта и создавать гидростатическую рас-
клинивающую силу, а неуравновешенные сжимающие контакт осевая и радиальная гидростатические силы воспринимаются в пределах номинальной площади контакта, как выступами шероховатостей, так и жидкостью. В случае относительного перемещения сопрягаемых поверхностей с такими характеристиками и наличием жидкости образуются обыкновенные пары трения с полужидкостным режимом трения [5], характер распределения (падения) давления вдоль сопрягаемых торцовых и цилиндрических поверхностей принимаем линейным, т.е. силы
Ра = ПР[(3Я„ -С)(( + С -1)-(Ь-1)2], (4)
Рк=п^ Яц • В • р , где Р = Рм - Рс. (5)
Маслоуплотнительное кольцо 3 (поршневого типа) создает своими пружинящими действиями давление на цилиндрическую поверхность корпуса 4 и величина среднего давления составляет (в случае кольца постоянного давления) [6]:
Ч =
0,07 • Е • (8С -8) • Ь3
Я
Ц
•((Яц - ь))
, а полная сила
б = (%• Яц • В • Ч .
(6)
Распределение FA, FR, О, при выбранных в соответствии с общей компоновкой двигателя Rц, Рм, Рс, определяется геометрическими параметрами
Ц В, 8С , а также, в какой-то степени, коэффициентом трения f и модулем упругости материала уп-лотнительного кольца Е.
Из теории колебаний [7] известно - демпфирование эффективно только на резонансных частотах вращения ротора, когда возбуждающим силам неуравновешенных вращающихся масс противодействуют лишь силы трения (вязкости, внешнего трения), а амплитуда колебаний достигает максимальных величин, в данном случае - величины радиального зазора С в демпфере, а вибратор совершает прецессионное движение с угловой скоростью ю: все точки вибратора, совершают плоскопараллельное перемещение и в данный момент будут иметь линейную скорость V = ю • С .
Часть энергии неуравновешенных вращающихся масс будет затрачена на преодоление сил внешнего трения по поверхности 7 сопряжения уплот-нительного кольца с вибратором
N и = NA • I • V =
Ра - (б + Рк) • I 1 -12
I •V . (7)
Из формулы (7) следует - для повышения удельной энергии трения (мощности) возможно увели-
чивать осевую силу ГА, уменьшать силу упругости О и радиальную силу Рк, в некоторых пределах.
3 Конструктивные методы повышения эффективности ГДД
Самым существенным отличием конструкций опор роторов турбин авиационных ГТД, в том числе и входящих в их состав ГДД, в сравнении с соответствующими устройствами опор роторов компрессоров авиационных ГТД, опор роторов турбин ГТД наземного (стационарного) применения - жесткое ограничение места размещения опор и их элементов: подшипников качения, уплотнительных устройств, форсунок подачи масла, средств крепления наружных и внутренних колец подшипника, гидродинамических демпферов и др.
Поэтому повышение эффективности работы ГДД (повышение энергопоглощающей способности) практически в тех же условиях ограничения габаритов устройств имеет чрезвычайно важное значение.
Введение в конструкцию ГДД (рис. 2) несколь-
ких канавок трапециевидного профиля в сечении и самопружинящих разрезных колец, монтируемых с зазором в канавках, позволило дополнительно повысить эффективность демпфирования.
В крайних канавках самопружинящие кольца уплотняют полость демпфера с маслом под давлением - эффективность демпфирования повышается за счет дополнительной энергии, за-трачива-емой на преодоление внешнего трения по поверхностям сопряжения Д, Е ( по этим сопрягаемым поверхностям происходит скольжение элементов при плоскопараллельном перемещении вибратора со скоростью V) и продавливания масла через более узкий зазор С1 - повышение сил преодоления внутреннего трения жид кости (вязкости).
Среднее кольцо, расположенное в масляной ванне, самоустанавливается, на нем нет перепада давления масла, но эффективность рассеяния энергии вращающихся неуравновешенных масс повышается за счет продавливания масла через более узкие зазоры С2.
Рассмотрим работу трапециевидного кольца с геометрическими параметрами (как у поршневого)
Рис. 2. ГДД с УЭ ротора ТНД и ГДД опоры ротора ТВВ двигателя Д-27
L, C, l, В и коническими участками, образованными равномерным расширением профиля прямоугольного кольца под углом а и угловой скоростью вибратора со.
Уравнения равновесия сил
Fai ■ cos а + Tai + tri ■ sin а — Fa ■ cos а — N^i ■ cos а = 0 | -Nri — Fr — Tri ■ cosа + fa ■ sin а + fri + Fäi ■ sinа + Qi = OÍ . (8)
Аналогично предыдущему случаю считаем
Tai = Nri ■ f , tri = nai ■ f .
После подстановок и упрощений, решая систему уравнений (8) относительно неизвестных NA1, NR1 находим
N = F4l( f ■ sin а+ cos а) + Fa ■ (sin а- f — cos а) + f (Fri + Qi — Fr ) _ (g) (I + f 2)cos а — f sin а '
Nri = sin o.(FA1 + Fa) + Fri + Qj — Fr — Nai/ ■ cos а . (10)
Энергия неуравновешенных вращающихся масс частично будет затрачиваться на преодоление сил внешнего трения по поверхностям Е и Д.
NT1 = NA1 ■ f ■V ■ cos а + NR1 ■ f ■V ■ tgа . (11)
Применение сочетания трапециевидных канавок с самопружинящими кольцами позволяют избежать анизотропии характеристики демпфера и работать с меньшими зазорами.
На рисунке 2 представлены ГДД с УЭ опоры ротора ТНД и ГДД опоры ротора ТВВ двигателя Д-27 (самолет Ан-70). ГДД с УЭ установлены также в опоре ротора ТНД двигателя АИ-22 (самолет Ту-324, Россия). В процессе доводки двигателя АИ-450 (вертолет Ка-226) возникла необходимость в подавлении вибраций ротора ТК на однокаскадном газогенераторе - применение ГДД с УЭ позволило успешно решить эту проблему.
В опорах роторов турбин авиационных ГТД конструкций ГП «Ивченко-Прогресс» нашли широкое применение не только ГДД с УЭ, но и ГДД (без УЭ): демпферами этого типа оснащены все опоры турбин двигателей Д-36, Д-436Т1(самолеты Як-42, Ан-74, Бе-200, ТУ-334), двигателей Д-136 (вертолет Ми-26), турбин двигателей Д-18Т (самолеты Ан-125 «Руслан», Ан-225 «Мрiя»), а также ГТД двигателей наземного применения различных типов - Д-336, АИ-336. В опоре ротора ТНД двигателя АИ-25 (самолеты Як-42, М-11), в опоре турбины двигателя АИ9-3Б применены демпферы с упругим кольцом. Все демпферы обеспечивают надежную работу двигателей, их безотказная наработка в составе двигателей достигает десятков тысяч часов и более.
4 Заключение
В данной работе выполнен анализ конструкций
и работы гидродинамических демпферов высокотемпературных опор роторов турбин реальных ГТД, имеющих в своем составе маслоуплотнительные кольца, сопрягаемые с поверхностью вибратора и корпуса, позволяющие дополнительно затрачивать энергию неуравновешенных вращающихся масс на преодоление сил внешнего трения и внутреннего трения (вязкости).
В статье приводится:
- анализ диссипации энергии неуравновешенных вращающихся масс внешним трением в составе гидродинамического демпфера с маслоуп-лотнительными кольцами в опорах роторов турбин ГТД;
- конкретный случай повышения эффективности работы демпфера введением в его конструкцию канавок трапециевидного профиля, установленных в них с зазором соответствующих самопружинящих колец. Повышение эффективности демпфирования осуществляется за счет за-трат энергии на продавливание жидкости через более узкий канал, (преодоление сил внутреннего трения жидкости -вязкости), а также преодоление сил внешнего трения по поверхностям сопряжения конической поверхности уплотнительного кольца с вибратором и цилиндрической поверхности - с корпусом.
Перечень ссылок
1. Новиков Д.К. Проектирование гидродинамических демпферов опор роторов двигателей летательных аппаратов. - Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2000. -164 с.
2. бфименко А.В, Польыкова Н.В., Доценко В.М., Пщвищення ефективност пдродина-мiчного демпфера для опори ротора турбЫи ав-iацiйного ГТД. Труды XIII Международной научно-технической конференции по компрессо-ростроению «Компрессорная техника и пневматика в XXI веке», т. III, г. Сумы, 2004. - С. 156-161.
3. Белоусов А.И., Новиков Д.К., Балякин В.Б. Гидродинамические демпферы опор роторов турбомашин. Куйбышев. авиац. ин-т. Самара, 1991. - 95 с.
4. Ефименко А.В., Доценко В.Н., Польникова Н.В. Диссипация энергии колебаний неуравновешенных вращающихся масс внешним трением в составе гидродинамического демпфера. Труды 11- й Международной научно-технической конференции «Гервикон», т. 2, г. Сумы, 2005. - С. 56-61.
5. И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комба-лов «Основы расчетов на трение и износ» М., «Машиностроение», 1977. - 526 с.
6. Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца -М.:Машиностроение, 1979. - 271 с.
7. Конструкция и проектирование авиационных
газотурбинных двигателей: Учебник для студен- Поступила в редакцию 21.05.2007
тов вузов по специальности «Авиационные
двигатели и энергетические установки» /С.А.
Вьюнов, Ю.И. Гусев, А.В. Корпов и др.; под
общ. ред. Д.В. Хронина. - М.:Машинострое-
ние, 1989. - 368 с.
Один з методе гаання коливань pomopie ав1аи,1йних ГТД - застосування в опорах роторе myp6iH гiдpoдинамiчних демпфеpiв i3 пружними елементами. В статт i представлено конкретний випадок п iдвищення ефекmивнoсmi роботи демпфера введенням в його конструкцю канавок mpапеиieпoдiбнoгo пpoфiлю i встановлених у них i3 зазором в'дпов'д-них самопружних кiлеиь.
One of the methods of damping rotor vibrations in the aircraft gas turbine engine is an application of hydrodynamic dampers having flexible members in the turbine rotor bearing supports. A particular case of increasing operation effectiveness of the dampers by a provision of trapezoidal-shaped grooves in their construction, and by the sufficient self-springing rings fitted with a clearance in is represented in the present article.
