Способ отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний (варианты)
Владельцы патента RU 2317419:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (RU)
Изобретение относится к авиадвигателестроению и энергомашиностроению и может найти применение при прочностной доводке компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД) как авиационного, так и наземного применения, в процессе их стендовых испытаний и эксплуатации. Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний с минимальными затратами на его реализацию, при котором происходит снижение уровня резонансных колебаний. Техническая задача решается тем, что в способе отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний не менее половины лопаток изготавливают с демпфирующим покрытием или из материала с другими демпфирующими свойствами и расставляют их на рабочем колесе турбомашины, чередуя через одну лопатки с покрытием и без покрытия или лопатки из материалов с различными демпфирующими свойствами. Техническая задача решается также тем, что в способе отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний для заданного числа лопаток оптимизируют их расстановку на рабочем колесе, обеспечивающую требуемый запас устойчивости к автоколебаниям, хотя бы часть лопаток изготавливают с демпфирующим покрытием и расставляют их в колесе турбомашины с учетом результатов оптимизации. 2 н. и 9 з.п. ф-лы.
Предлагаемое изобретение относится к авиадвигателестроению и энергомашиностроению и может найти применение при прочностной доводке компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД) как авиационного, так и наземного применения, в процессе их стендовых испытаний и эксплуатации.
Известен способ отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний, при котором используют чередующуюся (перемежающуюся) схему расстановки четного числа лопаток, обеспечивающую требуемый запас устойчивости к автоколебаниям, изготавливают лопатки по двум чертежам - «тонкие» и «толстые» (с увеличенной толщиной профиля), отличающиеся значениями частот собственных колебаний, и расставляют их в рабочем колесе турбомашины, чередуя через одну «толстую» и «тонкую» лопатки (Бендиксен. Флаттер расстроенных роторов турбомашин. - М.: Мир, Энергетические машины и установки, 1984, № 1. - С.11-21).
Однако чередующаяся схема расстановки применима только для четного количества лопаток рабочего колеса турбомашины, кроме того, изготовление лопаток осуществляется по двум чертежам.
Известен способ отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний без ограничения на четность лопаток, при котором выбирают оптимальную схему расстановки лопаток, обеспечивающую заданный запас устойчивости рабочего колеса турбомашины к автоколебаниям, изготавливают лопатки по разным чертежам (разных типов), отличающиеся частотами собственных колебаний, и расставляют их в рабочем колесе турбомашины в соответствии с выбранной схемой. Чередующаяся схема расстановки рассматривается в данном способе как частный случай оптимальной (Кроули, Холл. Оптимизация и схемы расстройки решеток лопаток. - М: Мир, Энергетические машины и установки, 1985, № 2. - С.125-134).
Однако существует сложность реализации оптимальной схемы, вызванная необходимостью изготовления и хранения большого количества типов лопаток. Кроме того, оптимальная схема расстановки чувствительна к погрешности изготовления, которая может привести к браку рабочих лопаток. Например, при среднеквадратическом разбросе массовой расстройки в 1% запас устойчивости ротора снижается с 0,002 до -0,00317, т.е. теоретически устойчивый ротор из-за погрешности изготовления может стать неустойчивым. Таким образом, реализация оптимальной схемы расстановки практически трудно осуществима.
Оба способа, отстраивая от автоколебаний, недостаточно снижают уровень вибрационных напряжений в лопатках при резонансных колебаниях, т.к., устранив резонанс на одной частоте вращения (за счет изменения частоты собственных колебаний лопаток), можно получить его на другой. Кроме того, в обоих способах лопатки изготавливают по разным чертежам.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний с минимальными затратами на его реализацию, при котором требуемый запас устойчивости к автоколебаниям достигается за счет демпфирования колебаний в лопатках, упорядочение расставленных на рабочем колесе турбомашины.
Дополнительной технической задачей изобретения является снижение уровня резонансных колебаний.
Поставленная техническая задача решается двумя способами.
Вариант 1.
В способе отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний, при котором изготавливают лопатки и расставляют их в колесе турбомашины, чередуя через одну, обеспечивая требуемый запас устойчивости к автоколебаниям, в отличие от известного не менее половины лопаток изготавливают с демпфирующим покрытием или из материала с другими демпфирующими свойствами и расставляют их на рабочем колесе турбомашины, чередуя через одну лопатки с покрытием и без покрытия или чередуя через одну лопатки из материалов с различными демпфирующими свойствами.
Лопатки могут быть изготовлены по одному чертежу.
Демпфирующее покрытие может быть нанесено на профиль лопаток или на профиль и в замок лопаток.
Не менее половины лопаток могут быть изготовлены из материала с другим модулем упругости или с другим отношением модуля упругости к плотности материала.
Половина лопаток может быть изготовлена из титанового сплава, а половина - из стали и расставлены на рабочем колесе турбомашины, чередуя через одну лопатки из титанового сплава и стали.
Дополнительно лопатки с демпфирующим покрытием или из одного материала могут быть изготовлены с другим конструкционным демпфированием в замках лопаток.
Вариант 2.
В способе отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний, при котором для заданного числа лопаток оптимизируют их расстановку на рабочем колесе, обеспечивающую требуемый запас устойчивости к автоколебаниям, изготавливают лопатки и расставляют их в колесе турбомашины с учетом результатов оптимизации, в отличие от известного, и хотя бы часть лопаток изготавливают с демпфирующим покрытием.
Лопатки могут быть изготовлены по одному чертежу. Демпфирующее покрытие может быть нанесено на профиль лопаток или на профиль и в замок лопаток.
Способ отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний осуществляют следующим образом.
Вариант 1.
Используют чередующуюся расстановку лопаток на рабочем колесе турбомашины, обеспечивающую требуемый запас устойчивости к автоколебаниям. Изготавливают лопатки, например, по одному чертежу, при этом не менее половины из них изготавливают с демпфирующим покрытием или изготавливают из материала с другими демпфирующими свойствами, например из материала с другим модулем упругости или другим отношением модуля упругости к плотности материала. Демпфирующее покрытие можно наносить на профиль или на профиль и в замок лопаток.
Для лопаток с демпфирующим покрытием или из одного материала дополнительно можно реализовать другое конструкционное демпфирование в замках, например лопатки без покрытия изготавливают с конструкционным демпфированием в замке типа «ласточкин хвост», а лопатки с покрытием - в «елочном».
Расставляют лопатки на рабочем колесе турбомашины, чередуя через одну лопатки с покрытием и без покрытия или чередуя лопатки из разных материалов.
Эффективность способа проверяют при доводке компрессора ГТД, например при проверке запасов газодинамической устойчивости.
Вариант 2.
Оптимизируют для заданного числа лопаток их расстановку, обеспечивающую требуемый запас устойчивости к автоколебаниям при минимальных затратах на ее реализацию. Для достижения необходимой отстройки варьируют толщиной слоя при однослойном демпфирующем покрытии или количеством слоев - при многослойном. В процессе оптимизации выбирают подходящую целевую функцию, характеризующую затраты, и с помощью ЭВМ производят их минимизацию, используя, например, метод последовательных приближений, накладывая ограничения, сужающие область поиска.
Изготавливают лопатки, например, по одному чертежу, при этом хотя бы часть из них изготавливают с демпфирующим покрытием, используя результаты оптимизации. Демпфирующее покрытие наносят на профиль или на профиль и в замок лопаток.
Расставляют лопатки в колесе турбомашины с учетом результатов оптимизации.
Эффективность способа проверяют при доводке компрессора ГТД, например при проверке запасов газодинамической устойчивости.
В предлагаемом способе отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний оптимизацию расстановки лопаток осуществляют, например, на основе методики, приведенной в источнике: Кроули, Холл. Оптимизация и схемы расстройки решеток лопаток. - М.: Мир, Энергетические машины и установки, 1985, № 2. - С.125-134, в котором отстройка достигается за счет неоднородности массовых свойств, при этом в процессе оптимизации увеличивается масса лопаток, что происходит и при нанесении на лопатки демпфирующего покрытия в предлагаемом способе.
Известны данные о демпфирующих свойствах материалов и методах их определения (Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Вибропоглощающие свойства конструкционных материалов. - Справочник. - Киев: Наукова думка, 1971).
Известны покрытия, обладающие демпфирующими свойствами, и способы их нанесения на поверхности рабочего колеса турбомашины, например напыление покрытий электронно-лучевым и плазменным способами на лопатки турбин (Яковлев А.П. Диссипативные свойства неоднородных материалов и систем. - Киев: Наукова думка, 1985).
Известны способы изготовления лопаток с конструкционным демпфированием в замке (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. - М.: Машиностроение, 1981. - С.286-292).
Предлагаемые способы отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний реализуются при проведении стендовых испытаний в процессе опытной доводки авиационного ГТД.
Пример 1.
Использовали чередующуюся схему расстановки лопаток на рабочем колесе турбомашины, обеспечивающую требуемый запас устойчивости к автоколебаниям.
Изготовили лопатки из титанового сплава ВТ6 по одному чертежу, при этом половину из них изготовили с трехслойным демпфирующим покрытием - Cu+ЭИ435+СДП-2.
Покрытия нанесли на профиль рабочих лопаток 6 ступени компрессора методом вакуумно-плазменной технологии высоких энергий на модернизированной установке по режимам, обеспечивающим толщину каждого слоя покрытия в пределах от 30 до 50 мкм.
Определили уровень демпфирования колебаний в лопатках. В качестве характеристики демпфирующих свойств материала лопаток приняли логарифмический декремент колебаний лопаток (ЛДК), который определяли методом резонансной кривой при колебаниях лопатки по основному тону при температуре 20°С.
Расставили лопатки в колесе, чередуя через одну лопатки с покрытием и лопатки без покрытия, при этом соседние лопатки имели различные демпфирующие свойства, ЛДК соседних лопаток отличались в 2-3 раза, что обеспечило надежную отстройку от автоколебаний.
Эффективность способа проверили при доводке компрессора ГТД при проверке запасов газодинамической устойчивости.
Пример 2.
Использовали чередующуюся схему расстановки лопаток на рабочем колесе турбомашины, обеспечивающую требуемый запас устойчивости к автоколебаниям.
Изготовили лопатки по одному чертежу из материалов, имеющих различные модули упругости - половину лопаток из стали, половину - из титанового сплава ВТ6.
Определили уровень демпфирования колебаний в лопатках. В качестве характеристики демпфирующих свойств материала лопаток приняли логарифмический декремент колебаний лопаток (ЛДК), который определяли методом резонансной кривой при колебаниях лопатки по основному тону при температуре 20°С.
Расставили лопатки в колесе, чередуя через одну лопатки из стали и титанового сплава, при этом соседние лопатки имели различные демпфирующие свойства, ЛДК соседних лопаток отличались в 2-3 раза, что обеспечило надежную отстройку от автоколебаний.
Эффективность способа проверили при доводке компрессора ГТД при проверке запасов газодинамической устойчивости.
Пример 3.
Выполнили оптимизацию для заданного числа лопаток их расстановки, обеспечивающую требуемый запас устойчивости к автоколебаниям при минимальных затратах на ее реализацию. Для достижения необходимой отстройки варьировали толщиной слоя и количеством слоев при двухслойном демпфирующем покрытии. В процессе оптимизации выбрали целевую функцию, характеризующую затраты, и с помощью ЭВМ произвели их минимизацию, используя метод последовательных приближений, накладывая ограничения, сужающие область поиска.
Изготовили лопатки из титанового сплава ВТ6 по одному чертежу.
На часть лопаток нанесли двухслойное демпфирующее покрытие: слой меди с низким модулем упругости и слой с высоким модулем упругости из сплава ЭИ435. Последовательное расположение в покрытиях слоев материалов с различными характеристиками упругости и пластичности способствовало реализации принципа создания стесненной деформации, что приводило к повышению уровня деформации сдвига и, следовательно, рассеянию энергии во внутренних слоях покрытия.
Покрытия наносили на профиль рабочих лопаток 6 ступени компрессора методом вакуумно-плазменной технологии высоких энергий по режимам, обеспечивающим толщину каждого слоя покрытия в пределах от 30 до 50 мкм.
Расставили лопатки в колесе турбомашины с учетом результатов оптимизации.
Эффективность способа проверяли при доводке компрессора ГТД при проверке запасов газодинамической устойчивости.
Изобретение позволило создать способ отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний с минимальными затратами на его реализацию, позволяющий защитить рабочее колесо не только от автоколебаний, но и уменьшить уровень резонансных колебаний за счет упорядоченной расстановки в рабочем колесе турбомашины рабочих лопаток с необходимыми демпфирующими свойствами.
Способ применим и для перспективного моноколеса типа blisk-blade and disk, где лопатки выполнены за одно с рабочим колесом.
1. Способ отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний, при котором изготавливают лопатки и расставляют их в колесе турбомашины чередуя через одну, обеспечивая требуемый запас устойчивости к автоколебаниям, отличающийся тем, что не менее половины лопаток изготавливают с демпфирующим покрытием или из материала с другими демпфирующими свойствами, и расставляют их на рабочем колесе турбомашины, чередуя через одну лопатки с покрытием и без покрытия или лопатки из материалов с различными демпфирующими свойствами.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лопатки изготавливают по одному чертежу.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что лопатки изготавливают с демпфирующим покрытием, наносимым на профиль лопаток.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что лопатки изготавливают с демпфирующим покрытием, наносимым на профиль и в замок лопаток.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что не менее половины лопаток изготавливают из материала с другим модулем упругости или с другим отношением модуля упругости к плотности материала.
6. Способ по п.4, отличающийся тем, что половину лопаток изготавливают из титанового сплава, а половину - из стали и расставляют их на рабочем колесе турбомашины, чередуя через одну лопатки из титанового сплава и стали.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно лопатки с демпфирующим покрытием или из одного материала изготавливают с другим конструкционным демпфированием в замках лопаток.
8. Способ отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний, при котором для заданного числа лопаток оптимизируют их расстановку на рабочем колесе, обеспечивающую требуемый запас устойчивости к автоколебаниям, изготавливают лопатки и расставляют их в колесе турбомашины с учетом результатов оптимизации, отличающийся тем, что хотя бы часть лопаток изготавливают с демпфирующим покрытием.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что лопатки изготавливают по одному чертежу.
10. Способ по п.8, отличающийся тем, что лопатки изготавливают с демпфирующим покрытием, наносимым на профиль лопаток.
11. Способ по п.8, отличающийся тем, что лопатки изготавливают с демпфирующим покрытием, наносимым на профиль и в замок лопаток.
