CC BY
7
УДК 621.45.037:621.3.018.6
Канд. техн. наук Г. В. Пухальська1, Г. В. Карась2, В. В. Голощапова2, Т. О. Панченко1
1 Национальный техшчний университет, 2 ВАТ «Мотор С1ч»; м. Запор^жжя
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЧАСТОТ ВЛАСНИХ КОЛИВАНЬ У ВИРОБНИЦТВ1 В1ДЦЕНТРОВИХ КОЛЕС
Рекомендовано диапазон частот власних коливань лопаток в^дцентрового колеса. Вста-новлена залежшсть м1ж частотами власних коливань лопаток в^дцентрового колеса та площею прошарку материалу, що зшмаеться. Розроблено практичнарекомендаци по впливу на частоти власних коливань моноколеса.
Вгдцентрове колесо, частоти, власш коливання, лопатка, дгапазон
Профшьна частина лопатки вщцентрового колеса е тим элементом, вщхилення у виготов-ленш якого призводять до попршення газоди-намчних характеристик компресора. Нершношр-ний знос пера лопатки по довжиш призводить до змши в1брочастотних характеристик в сторону зсуву частот власних коливань в резонансш зони, що знижуе можливий резерв мщноста де-тал1 й всього ав1адвигуна [1]. Забезпечення дос-татньо! в1бромщност1 лопаток в1дцентрового колеса е одним з важливих 1 найбшьш важких зав-дань в ав1ацшному двигунобудуванш.
Моноколеса працюють в умовах пдвищених температур при статичнш 1 в1брацшнш напру-женост1. Тривала д1я щдвищених температур у поеднанш з мехашчною напружешстю пород-жуе з часом зм1ни властивостей сплавiв, пов'я-заш 1з структурними ф1зико-х1м1чними перетво-реннями. При цьому з'являються деяк1 особли-вост1, не властив1 сплавам в умовах нормальних температур, а саме: повзуч1сть, релаксац1я, сто-млюван1сть щд д1ею тривалого статичного на-вантаження, охрупчуван1сть.
Вимушет коливання моноколес викликають сили, що виникають унасл1док нер1вном1рност1 пов1тряного потоку в проточнш частиш двигу-на. Чим б1льше ця нер1вном1рн1сть, тим бшьши-ми будуть ампл1туди гармошк й штенсившсть резонансних коливань лопаток, що збуджуються цими гармошками.
Лопатки в1дцентрового колеса збуджуються коливаннями деюлькох форм. Небезпечною формою буде та, власна частота яко! при деякому числ оберт1в сп1впаде з частотою сил збудження коливань. Частоту коливань можна визначити розрахунковим шляхом або експериментально [2].
Виходячи з вищесказаного, досл1дження частот власних коливань в1дцентрового колеса е ак-туальним практичним 1 науковим завданням.
Мета роботи — експериментально встановити
д1апазон частот власних коливань лопаток в1дцен-трового колеса, надати практичн1 рекомендаци по впливу на частоти власних коливань за допо-могою зм1ни питомо! ваги лопаток моноколеса.
Об'ектом досл1дження е ввдцентрове колесо двигуна АИ 450-МС з титанового сплаву ВТ8-1. Блшг компресора по конструкци е ц1л1сним в1дцентровим колесом нап1взакритого типу з од-ностороншм входом пов1тря [3].
Визначення дапазону частот власних коливань лопаток вщцентрового колеса
Внесок р1зних елементв конструкци робочо-го колеса в утворенш загально! асиметри може бути р1зноман1тним. Зрозум1ло, що виготовити дискову частину робочого колеса з високим сту-пенем симетри легше, нж забезпечити високий ступшь 1дентичност1 велико! кшькосп однотип-них лопаток, що закр1плеш на н1й. Для забезпечення найбшьшо! динамчно! щентичносп лопаток, зокрема, допусюв на геометричн1 розм1ри, встановлюють жорстк1 допуски на деяк1 ¿х власт частоти. Част1ше це частоти першо! форми коли-вань. Так1 частоти контролюють, а лопатки, що не в1дпов1дають допуску на частоту, або доопра-цьовують, або бракують [4].
Частотний контроль лопаток е:
а) одним 1з засоб1в боротьби з небезпечними коливаннями лопаток;
б) одним 1з заход1в забезпечення стаб1льност1 технологи виробництва.
Велике значення для запоб1гання небезпеч-ним пружн1м коливанням придбало попередне визначення частот 1 форм власних коливань де-тал1 методом штучного ¿х збудження.
На виробництв1 визначення частот власних коливань здшснюеться за першою формою на ун1версальн1й установц1 для автоматизованого частотного контролю лопаток моноколес ГТД «Мжат-ЧКМ».
© Г. В. Пухальська, Г. В. Карась, В. В. Голощапова, Т. О. Панченко, 2010
Установка призначена для здшснення техно-лопчно! операцл частотного контролю лопаток моноколес осьових 1 в1дцентрових рiвнiв ГТД.
Установка працюе в автоматизованому режим й забезпечуе:
- тестування точност1 вим1ру частот за конт-рольними зразками;
- почергове демпфування вс1х лопаток моноколес, окрш т1е1, що контролюеться;
- автоматичний пошук власно! частоти коли-вань лопатки, що контролюеться, з в1дображен-ням ц на монпор1 персонального комп'ютера (ПК) 1 фжсащю 11 в пристро! ПК, що запам'ятовуе;
- реестращю результат1в в протоколах частотного контролю.
Ввдцентрове колесо базуеться на щдставщ та здшснюеться почергове демпфування великих лопаток (рис. 1).
системи Windows 2000.
Було встановлено, що величини частот влас-них коливань великих лопаток колеса розподь лет за нормальним законом розподiлу (розподл Гауса) [5]:
m(У) = n .2 У,
D( у ) =
n -1
i =1
2[yi - т(У)]2 i =1
S (У) = 4Dy),
V = — *100,
ymin - 2 = (m - 2S X УтЬ-3 = (m - 3SX
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Рис. 1. Установка для збудження та демпфування лопаток
За перюд виготовлення вщцентрового колеса для двигуна АИ 450-МС з титанового сплаву ВТ8-1, було проконтрольовано 10 колес, кожне з яких мае 9 великих лопаток.
При статистичнш обробцi результатв вимiрiв використано програмний додаток Excel MS Office для операцшно! системи Windows та специальш програми Agrapher та Sigma Plot для операцшно!
yi — значення в1дпов!дно1 характеристики i-го зразка;
n — об'ем виб1рки даних; m — середне значення в!дпов1дно1 характеристики (виб1ркове середне);
D — незмщена оцшка дисперсii (виб1ркова оцшка) вiдповiдноi характеристики;
— = -y[D — середньоквадратичне вщхилення характеристики;
v — коефшдент вар1ацл, %; jmin_3 = (m-35) — мшшальне значення вщпо-вiдноi характеристики;
ymin-2 = (m-25) — одне з мшшальних значень вiдповiдноi характеристики.
Вивдш данн1 та результата розрахуныв на-веден1 в таблицях 1, 2.
На основ1 статистичноi обробки експеримен-тальних даних, одержаних в процес1 виробницт-ва колеса, побудовано графж нормальноi щшьносп розподiлу (рис. 2) i визначено, що ви-б1рка пщкоряеться нормальному закону розподо-лу. Були визначет величини середнього значення частоти власних коливань лопаток вiцдентрового колеса m(y) = 2838,11 Гц i середньоквадратичного вщхилення S = 21,58 Гц для всiei виб1рки.
Таблиця 1 — Частоти власних коливань лопаток вщцентрових колес
1
m
№ колеса Частоти власних коливань лопаток, Гц
№ лопатки вщцентрового колеса
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 2728,5 2798,3 2810,2 2811 2814,9 2817,9 2818,1 2819,4 2819,6
2 2820 2820,7 2823,4 2824,9 2827,2 2827,8 2827,9 2828,1 2829,3
3 2829,8 2830,7 2830,8 2831,4 2831,6 2831,8 2832,2 2832,6 2833,3
4 2833,4 2834,1 2834,2 2834,2 2834,8 2835 2835,1 2835,3 2835,9
5 2836,5 2836,8 2838 2838,3 2838,3 2838,7 2839,5 2839,9 2840
6 2842,1 2842,3 2842,4 2842,6 2843 2843,7 2843,7 2843,8 2843,9
7 2844 2844,7 2844,9 2845,1 2845,5 2845,7 2846 2846,1 2847,9
8 2848,6 2848,7 2848,7 2849,2 2849,5 2849,6 2849,8 2850 2850,6
9 2850,6 2850,9 2852 2852,1 2852,2 2852,2 2852,3 2852,7 2852,7
10 2852,8 2853,9 2854,1 2854,2 2855 2856,2 2859,2 2859,7 2865,5
Таблиця 2 — Результата статистично! оброб-ки експериментальних даних
Po3Mip вибiрки (n), шт. 90
Середне значення частоти коливань (m), Гц 2838,11
Середньоквадратичне вiдхилення (S), Гц 21,58
m-2*S 2796,07
m-3*S 2774,49
Оск!льки на даний момент на виробництв! не встановлено д1апазон для контролю частот влас-них коливань, то необх!дно визначити його меж1. Це можливо зробити за допомогою анал1зу криво! й перев!рки на аномальн1сть випадних значень.
В результат! статистично! обробки експериментальних даних одержано д!апазон частот влас-них коливань лопаток в!дцентрового колеса дви-гуна АИ 450-МС: 2775...2905 Гц.
Доведения лопаток вщцентрового колеса
Час та грош!, що витрачуються на забезпе-чення над!йност! колес новостворюваних комп-ресор!в, займають значне м!сце у загальному баланс! часу та засоб!в, що йдуть на доводку та впровадження в експлуатац!ю [4]. Проблема ди-нам!чно! м!цност! дуже складна та багатогранна.
В процес! сер!йного виробництва виникае не-обх!дн!сть у доведенн! лопаток з метою введен-ня частот власних коливань лопаток у припусти-мий д!апазон шляхом зм!ни питомо! ваги лопатки колеса. Головна задача: лопатка повинна за-лишатися придатною (знаходитися в пол! допуска) , а частота повинна зм!нитися (зб!льшитися чи зменшитися на необх!дну величину). На сьо-годн!шн!й день не !снуе практичних рекомен-дац!й по зд!йсненню дано! задач!. Тому !снуе необх!дн!сть досл!дження по доведенню частот власних коливань лопаток в!дцентрового колеса.
Попередньо було зазначено, як зд!йснювати контроль частот власних коливань лопаток вже виго-
товленого колеса ! визначити д!апазон контролю.
Для розробки рекомендац!й по впливу на ча-стоти власних коливань було використано в!дцен-трове колесо, контроль геометричних параметр!в якого зд!йснювався на трикоординатн!й конт-рольно-вим!рювальн!й машин! (КВМ) Wenzel LH-87 методом сканування (рис. 3, 4); контроль частот власних коливань на установц! «М!кат-ЧКМ».
Вим!рювання проводяться у дек!лька етап!в:
1. Виб!р параметр!в роботи: запуск програми, виб!р параметр!в випробування, настройка конт-рольно-вим!рювально! машини (рис. 3).
2. Визначення геометричних параметр!в кон-тролюемих лопаток в!дносно математично! мо-дел! в!дцентрового колеса.
3. Визначення частот власних коливань вип-робовуваних лопаток.
4. Отримання результату (друк протоколу).
Пот!м почергово з кожно! лопатки в певному
м!сц! зн!мався невеликий прошарок металу (рис. 5).
Рис. 3. Контрольно-вимхрювальна машина Wenzel LH-87
Рис. 2. Закон нормального розпод!лу частот власних коливань великих лопаток в!дцентрового колеса
за першою формою
Рис. 4. Настройка контрольно-витрювально! машини
О ИТ иод
-оом
-ода 0Св7 -0Ю8 -0067 -0 019 -0069 -йОЯ
•0.019 ■О «5
-о.огз
-О 024
-оово -О 034
■0022 ■0С64
О «в
-0006 ФОМ С 001
0016
-ООК9 -СКЕЗ
-0015
а
Рис. 5. Результата контролю геометричних параметр1в колеса на контрольно-витрювальнш машин
(КВМ) ""епге! ЬИ-87 методом сканування
д
Було встановлено, що якщо зшмати його з верхньо! частини пера, частота збшьшуеться, а якщо з нижньо! — зменшуеться (рис. 6).
П1сля зн1мання прошарку металу знову про-водився контроль геометри на контрольно-вим1-рювальн1й машиш та контроль частоти на уш-
версальнги установц1 для автоматизованого частотного контролю лопаток моноколес «Мжат-ЧКМ».
Результати проведено! роботи вщображеш на графжах залежносп зм1ни частоти в1д площ1 прошарку металу, що зшмаеться (рис. 7).
а б
Рис. 6. Позначення мтсць зшмання прошарку матер1алу при доведенн1 частот власних коливань: а — верхня частина пера велико! лопатки вщцентрового колеса, б — нижня частина
Таблиця 3 — Результати вим1р1в частот власних коливань лопаток
№ лопатки Частота до доопрацювання, Гц Вщхилення, % Частота тсля доопрацювання, Гц Вщхилення, % Змша частоти, Гц Площа металу, х10"4 м2
1 2822,6 +0,1 2826,1 +0,1 -3,5 6,2
2 2831,0 +0,1 2827,0 +0,1 4 10,0
2 2827,0 +0,1 2834,0 +0,1 -7 8,2
3 2832,7 +0,1 2838,3 +0,1 -5,6 10,0
4 2837,8 +0,1 2839,0 +0,1 -1,2 7,0
5 2833,8 +0,1 2838,4 +0,0 -4,6 9,0
6 2832,5 +0,1 2831,5 +0,0 1 3,0
7 2834,1 +0,1 2821,1 +0,1 13 9,7
8 2881,5 +0,1 2879,6 +0,1 1,9 6,1
Рис. 7. Залежшсть змши частот власних коливань лопаток вщцентрового колеса вщ площ1 прошарку металу, що
зшмаеться:
а — з верхньо!' частини пера велико! лопатки; б — з нижньо! частини пера
а
Вщцентров1 колеса е достатньо складними 1 дорогими деталями ав1ацшних ГТД; власна частота лопаток е комплексним критер1ем поб1чно! оцнки точност1 виготовлення лопаток моноколес. Тому найбшьш ефективним методом вве-дення власних частот лопаток вщцентрового колеса в припустимий доапазон е !х доопрацюван-ня.
Згщно з проведеними досл1дженнями можна надати так практичт рекомендаци:
- якщо зн1мати прошарок металу з верхньо! частини пера лопатки, то частота збшьшуеться, а з нижньо! — зменшуеться. М1сця зшмання прошарку матер1алу при доведенш власних частот коливань приведет на рис. 6;
- отримат залежност1 змши частот власних коливань лопаток вщцентрового колеса вщ плошд прошарку металу, що зн1маеться, як1 можна ви-користовувати на виробницти для уникнення бракування вщцентрових колес.
Висновки
Внаслщок проведено! роботи рекомендовано д1апазон частот власних коливань лопаток вщцентрового колеса двигуна АИ 450-МС (2775...2905 Гц).
Проведено дослщження доопрацювання лопаток в1дцентрових колес з метою забезпечення необхщно! частоти власних коливань лопаток 1 запропоновано практичт рекомендаци по впли-ву на частоти власних коливань лопаток вщцентрового колеса за першою формою.
Перелш посилань
1. Отбор геометрических параметров и синтез модели частотной характеристики лопаток компрессора на основе эволюционного
поиска / [Богуслаев А. В., Олейник А. А., Пухальская Г. В., Субботин С. А.] // Вестник двигателестроения — 2006. — № 1 — 160 с.
2. Басов К. А. ANSYS : справочник пользователя / Басов К. А. — М. : ДМК Пресс, 2005. — 640 с., ил.
3. Отделочно-упрочняющая обработка деталей ГТД. / [Богуслаев В. А., Яценко В. К., Же-манюк П. Д. и др.] — Запорожье, изд-во ОАО «Мотор Сич», 2005. — 559 с.
4. Иванов В. П. Колебания рабочих колес тур-бомашин. / Иванов В. П. — М. : Машиностроение, 1983. — 224 с., ил.
5. Смирнов Н. В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. / Смирнов Н. В., Дунин-Бар-ковский И. В. — М. : Наука, 1969. — 511 с.
6. Богуслаев В. А. Прочность деталей ГТД : монография / Богуслаев В. А., Жуков В. Б., Яценко В. К. — Запорожье, изд-во ОАО «Мотор Сич», 1999. — 249 с.
7. Обеспечение допустимого уровня разночас-тотности лопаток центробежных колес / [Краченко И. Ф., Шереметьев А. В., Петров А. В., Хромов В. А.] // Вестник двигателестроения. — 2009. — № 1. — 160 с.
8. Скубачевский Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей / Скубачевский Г. С. — М. : Машиностроение, 1974. — 520 с.
9. D. S. Whitehead M.A., Ph.D., A.M.I. Mech, A.F.R.Ae.S. Cambridge University Engineering Laboratory. The Analysis of Blade Vibration due to Random Excitation. Aeronautical research council report and memoranda / D. S. Whitehead. — London : Her Majesty stationary office, 1962. —16 p.
Поступила в редакцию 22.02.2010
G. V Pukhal's'ka, G. V Karas, V V Goloschapova, T. O. Panchenko
PROVISION OF FREE FREQUENCIES IN PRODUCTION OF CENTRIFUGAL WHEELS
Рекомендован диапазон частот собственных колебаний центробежного колеса. Установлена зависимость между частотами собственных колебаний лопаток центробежного колеса и площадью снимаемого слоя материала. Разработаны практические рекомендации по влиянию на частоты собственных колебаний моноколеса.
Центробежное колесо, частоты, собственные колебания, лопатка, диапазон
There was recommended range of free frequencies of the centrifugal wheel's blades. There was determined dependence between free frequencies of the centrifugal wheel's blades and the area of removed layer of material. There are developed practical recommendations concerning influence upon free frequencies of the blisk.
Centrifugal wheel, frequencies, free frequencies, blade, range
