CC BY
51
УДК 629.7.036:539.4
И. Ф. Кравченко, А. В. Шереметьев, А. В. Петров, В. А. Хромов
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОПУСТИМОГО УРОВНЯ РАЗНОЧАСТОТНОСТИ ЛОПАТОК ЦЕНТРОБЕЖНЫХ
КОЛЕС
Исследованы особенности колебаний центробежных колес (ЦБК) и рабочих лопаток осевых ступеней компрессоров авиационных ГТД. Изложены основные принципы и практические рекомендации по выбору допустимого уровня разночастотности ЦБК. Проведено исследование влияния различных конструктивно-технологических факторов и мероприятий на собственные частоты и вибронапряженность ЦБК.
Введение
Отклонение геометрических размеров лопаток авиационных ГТД вследствие технологических факторов (даже в пределах допуска) приводит к изменению их собственных частот, шага лопаток в рабочем колесе и других параметров. Геометрическая неоднородность лопаточных венцов вызывает их динамическую неоднородность, приводящую к неравномерности распределения динамических напряжений в лопатках и повышению уровня резонансных напряжений на отдельных лопатках рабочего колеса при колебаниях на работающем двигателе [1-4]. При колебаниях динамически неоднородных лопаточных венцов, в частности, моноколес осевых ступеней компрессора и центробежных колес (ЦБК), имеет место расслоение спектра собственных частот, вызванное нарушением их циклической симметрии [5, 6]. Практика показывает, что практически возможная для рабочих колес газотурбинных двигателей расстройка частот незначительна. Однако, связанные с ней фазовые сдвиги и наложения расслоившихся форм колебаний являются одними из основных источников возникновения неравномерности распределения динамических напряжений в рабочих колесах авиационный ГТД [7-10]. Характерной особенностью колебаний ЦБК является достаточно высокая связанность колебаний лопаток и диска. При этом
влияние расстройки собственных частот лопаток на характеристики колебаний ЦБК отличается от аналогичного влияния для рабочих колес осевых ступеней и недостаточно изучено. По данной проблеме имеется ограниченное число публикаций [11, 12].
Исходя из вышесказанного, исследование колебаний ЦБК и определение допустимого уровня разночастотности лопаток в них является актуальной научной и практической задачей.
1 Основные критерии выбора допускаемого диапазона частот для лопаток различных типов
Собственная частота лопаток является комплексным критерием для косвенной оценки точности изготовления лопаток авиационных ГТД. Для рабочих лопаток с хвостовиками и моноколес осевых ступеней компрессора контроль частот лопаток ведется по первой изгибной форме колебаний на электродинамических вибростендах. Выбор контролируемого диапазона частот производится после набора объема статистических данных путем построения гистограмм — распределений лопаток по собственным частотам таким образом, чтобы отбраковывалось минимальное количество лопаток (рабочих колес). В табл. 1 приведены основные факторы, определяющие выбор контролируемого диапазона частот и их применение для рабочих лопаток авиационных ГТД различных типов.
Фактор Типы лопаток
Лопатки с хвостовиками Моноколеса (осевые) ЦБК
Контроль геометрии и отбраковка да да да
Отстройка от опасных резонансов да да да
Повышение резонансных напряжений, вызванное разночастотностью да да нет
Контроль по формам выше 1 изгибной При необходимости При необходимости При необходимости
© И. Ф. Кравченко, А. В. Шереметьев, А. В. Петров, В. А. Хромов, 2009
- 54 -
Таблица 1 — Основные факторы, определяющие выбор допускаемого диапазона частот рабочих лопаток авиационных ГТД
2 Особенности колебаний ЦБК
На рис. 1 показаны сравнительные экспериментальные зависимости максимальных относи-
тельных динамических напряжении Оу
О
в лопатках моноколеса вентилятора и ЦБК от величины их разночастотности по первой изгиб-
ной форме /1 =
/ /
Л 1ш;
на базе 1-го числа исследо-
ванных лопаток. Как показывает практика, частотный контроль лопаток ЦБК по формам колебаний выше первой изгибной нецелесообразен, поскольку резонаные напряжения по этим формам имеют, как правило, незначительный уровень.
Как видно из рис. 1, разночастотность лопаток ЦБК выше, чем лопаток моноколес, однако при этом динамические напряжения в лопатках ЦБК имеют практически постоянный уровень, в то время как «выпадение» по частоте даже одной лопатки моноколеса может приводить к разбросу напряжений в лопатках более, чем на 30% и достигать опасного уровня при резонансных колебаниях.
Для лопаток ЦБК описанное явление проявляется не столь очевидно из-за достаточно высокой связанности колебаний лопаток с диском, которая компенсирует неоднородность динамических напряжений в лопатках, вызванную их разночастотностью.
В случае достаточно близкого расположения собственной частоты лопатки по отношению к гармонике явного возбудителя требуется введение частотного контроля для недопущения работы лопаток на резонасных режимах.
Для рабочих лопаток ЦБК явными возбудителями резонансных колебаний являются:
— стойки опор корпусов;
— лопатки диффузора;
— лопатки направляющих аппаратов (если перед ЦБК имеются осевые ступени).
В качестве примера рассмотрим резонанс -но-частотную диаграмму ЦБК малоразмерного ГТД при колебаниях по первой изгибной форме (рис. 2).
Рис. 1. Влияние разночастотности на вибронапряженность лопаток
3 Отстройка ЦБК от опасных резонансов
При проектировании рабочих лопаток авиационных ГТД необходимо обеспечить достаточный запас (по частоте и оборотам) от опасных резонансов, т.е. от резонансов с повышенными уровнями динамических напряжений на режимах работы двигателя с максимальной частотой вращения.
Рис. 2. Отстройка лопаток ЦБК от опасного резонанса
В корпусе двигателя имеется 4 равномерно расположенные по окружности стойки, поэтому резонанс с гармоникой возбуждения К = 4, вызывающий повышенный уровень динамических напряжений в лопатках ЦБК, считается опасным.
В результате частотного контроля достаточно большого числа центробежных колес (минимум
8......12 шт.) определяется диапазон собственных
частот лопаток ЦБК. Также устанавливается диапазон рабочих частот вращения ротора двигателя.
Для обеспечения достаточного запаса от опасных резонансов значение минимальной собственной частоты лопатки в ЦБК должно быть выше
резонансной частоты на величину А/ > 10% (см. рис. 2).
4 Влияние технологических отклонений
Для определения влияния толщин лопаток ЦБК на их собственные частоты были проведены замеры толщин лопаток и получены зависи-
1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2009
— 55 —
мости, показанные на рис. 3 (в качестве примера показана зависимость собственных частот от толщины входной кромки лопаток, хотя, в общем случае, могут использоваться и другие геометрические характеристики лопаток). Из условия обеспечения достаточного запаса от опасного резонанса по 4-й гармонике (см. рис. 2), собственная частота первой изгибной формы колебаний должна быть /1 > 2400 Гц.
Г» 5ч: N
1S- ---------L ---J---
Рис. 3. Зависимость собственной частоты колебаний лопаток ЦБК от толщины входной кромки
Как видно из рис. 3, лопатки с частотами Д < 2400 Гц имеют толщины входных кромок в контролируемом сечении ниже требуемых по техническим условиям чертежа.
Таким образом, на основании полученных зависимостей собственных частот лопаток от их толщин с учетом ограничения по частоте, вызванного отстройкой лопаток от опасного резонанса, имеется возможность установки и корректировки допусков на размеры лопаток ЦБК.
5 Конструктивная доработка ЦБК
Центробежные колеса являются достаточно сложными и, как следствие, дорогими деталями авиационных ГТД, поэтому применение подхода к определению допустимого диапазона частот (описанного в п. 1) для ЦБК является недопустимым, а отбраковка крайне нежелательной. Поэтому, единственным и наиболее эффективным методом введения собственных частот лопаток ЦБК в рамки допустимого диапазона является их конструктивная доработка.
В качестве примера приводится отстройка лопаток ЦБК от опасного резонанса по первой изгибной форме колебаний с кратностью К = 6
на рабочей частоте вращения п = 38000......
39000 об/мин и /рез = 3800......3900 Гц.
После проведения частотного контроля всех лопаток ЦБК необходимо путем доделки лопаток, собственные частоты по первой изгибной
форме которых /1 < 4300 Гц, повысить их частоту выше резонансной на максимальной рабочей частоте вращения с запасом не менее 10%.
На рис. 4. представлен эскиз доработки лопаток данного ЦБК. Рассматривалось три варианта доработки:
1) обрезка уголков лопаток на величину от нуля у корневого сечения до величины Ь на периферии лопатки по линейному закону со стороны входной кромки (рис. 4, а);
2) уменьшение толщины лопатки от нуля, начиная с размера К до размера т на периферии лопатки по линейному закону со стороны спинки (рис. 4, б);
3) комбинация первого и второго варианта доработки.
Л-А
If
а б
Рис. 4. Схема доработки лопаток ЦБК для повышения собственной частоты первой изгибной формы колебаний
а — обрезка уголка; б — изменение толщины лопатки
На рис. 5 показано влияние доработок по размерам L и m на собственную частоту первой изгибной формы колебаний для лопаток двух экземпляров ЦБК ( с двигателей № 1 и № 2).
Как видно из рис. 5, несмотря на то, что доработка лопаток по размеру L более проста в реализации, она является малоэффективной. Наиболее эффективной доработкой является изменение толщины лопатки по размеру m. Однако, если при этом получается слишком маленькая толщина лопаток на периферии, то необходимо сочетать оба варианта доработки.
Выводы
1. Выбор допустимого уровня разночастотнос-ти для ЦБК необходимо проводить по другим принципам, отличным от аналогичных принципов для рабочих колес осевых ступеней и моноколес компрессоров авиационных ГТД.
2. Разночастотность лопаток ЦБК выше, чем для рабочих лопаток осевых ступеней, поэтому при проектировании ЦБК отстройку от опасных резонансов необходимо проводить с запасом по частоте не менее 10% на максимальной частоте вращения.
I Гл А^ЧР
||
^ I
--------: ■- ^----
& 4 -¿Ч^" I 1 4 .-Л:
^ГСМ-ГТг-и ,
Рис. 5. Влияние конструктивных доработок лопаток ЦБК на собственные частоты первой изгибной формы колебаний
— изменение частоты при доделке по размерам L и m (рис. 4); — — — — — изменение частоты при доделке только по размеру L (рис. 4);
Л1(2) — лопатка №1 из колеса ЦБК двигателя № 02; Л5(1) — лопатка №5 из колеса ЦБК двигателя № 01 и т.д.
3. Характерной особенностью колебаний ЦБК является связанность колебаний лопаток и диска, которая в определенной степени способствует равномерности резонансных напряжений в лопатках ЦБК.
4. Резонансные колебания с высоким уровнем динамических напряжений при колебаниях ЦБК по формам выше первой изгибной на исследуемых двигателях, как правило, не проявлялись, поэтому контроль частот по ним нецелесообразен.
5. В случае, когда собственные частоты лопаток ЦБК находятся вне допустимого диапазона, то для данного колеса требуется проведение дополнительного исследования и, в случае необходимости, проведение его конструктивной доработки.
Перечень ссылок
1. Динамика авиационных газотурбинных двигателей / [под ред. И. А. Биргера, Б. Ф. Шорра]. — М. : Машиностроение, 1981. — 232 с.
2. Воробьев Ю. С. Колебания лопаточного аппарата турбомашин / Ю. С. Воробьев. — К. : Наук. думка, 1988. — 224 с.
3. Зиньковский А. П. Резонансные колебания расстроенных лопаточных венцов рабочих колес турбомашин / А. П. Зиньковский,
B. В. Матвеев // Динамика роторных систем : сб. тр. меядунар. конф. — Каменец-Подол., 1996. —
C. 86—88.
4. Муравченко Ф. М. Обеспечение динамической прочности деталей авиационных ГТД при прогнозировании больших ресурсов / Ф. М. Муравченко, А. В. Шереметьев // Вестник двигателестроения — 2002. — № 1. — С. 32—36.
5. Иванов В. П. Колебания рабочих колес турбомашин / В. П. Иванов. — М. : Машиностроение, 1983. — 224 с.
6. Rzadkowki R. The General Model of Free Vibration of Mistuned Bladed Disks. Part I. Theoretical Model / R. Rzadkowki // Journal of Sound and Vibration. — 1994. — Vol. 173(3). — № 9, June. — P. 395—401.
7. Писаренко Г. С. Вопросы моделирования колебаний лопаток турбомашин / Г. С. Писа-ренко, Ю. С. Воробьев // Проблемы прочности. — 2000. — № 5. — C. 122—126.
8. Зиньковский А. П. Влияние технологических отклонений в изготовлении лопаток на вибронапряженность их венцов / А. П. Зиньковский // Вибрации в технике и технологиях. — 1999. — № 1(10). — С. 28—33.
9. Rzadkowki R. The General Model of Free Vibration of Mistuned Bladed Disks. Part II. Numerical results / R. Rzadkowki // Journal of Sound and Vibration. — 1994. — Vol. 173(3). — № 9, June. — pp. 402—413.
10. Compact, Generalized Component Mode Mistuning Representation for Modeling Bladed Disk Vibration / [S. Lim, R. Bladh , M. P. Castanier, C. Pierre ] // AIAA Journal. — 2007. — Vol. 45. — № 9. — pp. 2285—2298.
11. Модель выносливости лопаток центробежного колеса компрессора / [В. А. Богуслаев, В. К. Яценко, Д. В. Павленко и др. ] // Технологические системы. — 2002. — № 5(16). — С. 52—55.
12. Resonance Identification for Impellers. Proceedings of the Thirty-Second Turbomachinery Symposium / [M. P. Singh, B. K. Thakur, W. E. Sullivan , G. Donald]. — Turbomachinery Laboratory, Texas A&M University. — 2003. — P. 59—70.
Поступила в редакцию 04.07.2008
UO*
*t км ■
До^джено oco6nueoemi коливань eidu^eHmpoeux колес (ВЦК) iробочих лопаток осьових ступетв кoмпpecopiв авiаuiйнux ГТД. Викладено основт принципи i практичт рекомен-дацП з вибору припустимого piвня piзнoчаcmomнocmi ВЦК Проведено до^дження впливу piзнux кoнcmpукmuвнo-mexнoлoгiчнux факmopiв i заxoдiв на власт частоти i вiбpoнапpу-жетсть ВЦК.
The features of oscillations produced by impellers and compressor blades of aircraft gas turbine engines are studied. The fundamental principles and practical recommendations concerning impeller mistuning tolerance are set out. The influence of various design and technological factors and measures on impeller intrinsic oscillation frequencies and vibration stress is researched.
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2009
- 57 -
