Способы демпфирования колебаний лопаток компрессора (2 видео)

Автоколебания — специфический вид вынужденных колебаний лопаток. Характерной особенностью автоколебаний является то, что они происходят при отсутствии каких либо пульсаций набегающего на лопатки потока, которые можно было бы связать с рассмотренными выше внешними источниками возбуждения колебаний. Обычно автоколебаниям подвержены лопатки компрессоров. Автоколебания очень опасны из-за резкого возрастания амплитуды вибронапряжений, поэтому при проектировании лопаток их предотвращению уделяется особое внимание.

Автоколебания представляют собой самовозбуждающиеся незатухающие колебания, поддерживающиеся за счет периодического подвода энергии из набегающего потока, который при этом может быть вполне равномерным.

С энергетической точки зрения сущность автоколебаний состоит в следующем. При колебаниях лопатки в равномерном набегающем потоке и вследствие этих колебаний возникает и действует на лопатку дополнительная переменная газодинамическая сила. При обычных затухающих колебаниях она оказывает сопротивление колебаниям лопатки, и именно она обеспечивает их затухание. При автоколебаниях пополнение энергии колебаний лопатки происходит за счет работы, совершаемой этой переменной газодинамической силой. То есть эта сила, возникающая в результате колебаний, и раскачивает лопатку. Ее не следует путать с переменной газодинамической силой, действующей на лопатку в неравномерном потоке.

Рассмотрим механизм возникновения автоколебаний по первой изгибной форме. Для простоты будем считать, что колеблется отдельный профиль,

Рисунок 14.4.6_1 — Схема возникновения срывных автоколебаний лопатки компрессора

Глава 14 — Динамика и прочность ГТД

совершающий плоскопараллельное движение в направлении, перпендикулярном хорде. В недеформированном состоянии на лопатку, движущуюся со скоростью u , набегает равномерный поток с абсолютной скоростью c и относительной скоростью w , с углом атаки i , создающий силу P , действующую в окружном направлении в сторону спинки (см. Рис.14.4.6_1).

Пусть профиль лопатки в процессе колебаний движется в направлении спинки со скоростью V (см. Рис.14.4.6_1а). При этом окружная скорость лопатки уменьшается на величину ∆ u = -V , а угол атаки — на величину ∆ i . При докритических углах атаки ( i êð ) это приводит к уменьшению силы P , стремящейся изогнуть лопатку, то есть появляется дополнительная сила, обусловленная деформацией лопатки, направленная в сторону корыта и стремящаяся вернуть лопатку в положение равновесия (см. Рис.14.4.6_1в). При этом амплитуда колебаний снизится. В полуцикле движения лопатки в сторону корыта (см. Рис.14.4.6_1б) окружная скорость лопатки увеличивается на величину ∆ u = V , что приводит к увеличению силы P, то есть появлению дополнительной силы, направленной в сторону спинки и стремящейся вернуть лопатку в положение равновесия. Таким образом, при работе лопатки на докритических углах атаки дополнительная газодинамическая сила, возникающая вследствие изгибных колебаний лопатки, стремится эти колебания заглушить.

На закритических углах атаки ( i > i êð ) при движении лопатки в сторону спинки и уменьшении угла атаки сила P увеличивается (см. Рис.14.4.6_1в)

è стремится еще больше увеличить прогиб лопатки. То же происходит в полуцикле движения лопатки в сторону корыта: дополнительная аэродинамическая сила направлена в сторону корыта

è увеличивает амплитуду колебаний. При работе на закритических углах атаки даже незначительное отклонение лопатки от положения равновесия вызывает появление сил, увеличивающих амплитуду колебаний. Такие колебания — вынужденные, вынуждающая сила возникает вследствие самих колебания. Вынуждающая сила совершает работу, пополняющую и увеличивающую энергию колебаний, колебания являются самоподдерживающимися (автоколебания). Их частота совпадает с собственной частотой колебаний лопатки по соответствующей форме. Возникнув, колебания будут быстро нарастать и могут привести к поломке лопатки.

Рассмотрим работу, которую совершает аэродинамическая сила при изгибных колебаниях лопатки. Пусть при колебаниях лопатки ее сечение перемещается по оси y со скоростью

, (14.4.6-1)

ãäå V 0 — амплитуда скорости;

p — круговая частота колебаний; t — время.

Изменение угла атаки ∆ i при колебаниях как видно из Рис 14.4.6_1 можно выразить приближенно как

Дополнительную аэродинамическую силу ∆ P можно выразить через изменение угла атаки

Работу этой силы за один период колебаний T=2 π /p определим интегрированием по времени

Как видно из (14.4.6-4) и Рис.14.4.6_1 на докритических углах атаки производная dP/di положительна и работа оказывается отрицательной и уменьшает механическую энергию колебаний лопатки, а при закритических углах атаки — положительной, то есть увеличивает энергию колебаний.

Читайте также: Компрессор camaro comcon 200

Автоколебания, возникающие по описанному механизму, называют срывным флаттером. Он может возникнуть при малых расходах воздуха через ступень компрессора, когда осевая составляющая скорости мала, а угол атаки i велик и может превысить критический. Для исключения срывных автоколебаний необходимо исключить закритическое обтекание лопаток на всех режимах работы двигателя. Это обеспечивается противопомпажными средствами механизации компрессора.

Другие виды автоколебаний более сложны для изучения.

Изгибно-крутильный флаттер может возникнуть в случае сильно закрученных лопаток при сближении собственных частот колебаний по из-

Видео:Как делают лопатки струйного компрессора реактивного двигателяСкачать

Устройство демпфирования колебаний охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей

Владельцы патента RU 2695513:

Изобретение относится к области охлаждаемых сопловых и рабочих лопаток газовых турбин, оборудованных демпфирующими устройствами. Устройство демпфирования колебаний охлаждаемых лопаток включает демпфирующий элемент в виде дефлектора из материала с эффектом памяти формы, плотно соприкасающегося с внутренней полостью лопаток и имеющего воздухораспределительные каналы. Дефлектор из материала с эффектом памяти формы имеет на внешней стороне штырьковую матрицу с расположением штырьков в шахматном порядке. Поверхности внутренней радиальной полости лопатки и штырьковой матрицы дефлектора из материала с эффектом памяти формы покрыты износостойким материалом. В качестве материала дефлектора использован никелид титана. Изобретение позволяет повысить надежность и долговечность охлаждаемых лопаток газотурбинного двигателя. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области охлаждаемых сопловых и рабочих лопаток газовых турбин, оборудованных демпфирующими устройствами.

Устройство демпфирования колебаний лопаток турбоагрегатов включает демпфирующий элемент, выполненный в виде дефлектора, у которого внешняя сторона выполнена в виде штырьковой матрицы, плотно соприкасающейся штырьками с внутренней полостью лопаток. Материалом дефлектора служит никелид титана — сплав, обладающий эффектом памяти формы. Использование такого конструктивного решения позволит повысить надежность, экономичность и долговечность энергоустановок, снизить виброакустическую активность роторов газотурбинных двигателей.

Известна конструкция лопатки турбомашины, имеющая перо с внутренней охлаждаемой полостью, в которой размещен демпфер в виде листа, изогнутого таким образом, что его стенки соприкасаются с охлаждаемой полостью в нескольких точках (патент Франции №1341910, кл. F01D, 1962).

Недостатками такой конструкции лопатки являются: малое число точек контакта, износ контактирующих поверхностей в процессе эксплуатации и, следовательно, невысокий эффект снижения виброактивности турбоагрегата.

Известна также лопатка турбины, имеющая перо, изготовленное с радиальной полостью, в которой укреплен демпфер в виде пластины с продольными гофрами (патент США №2689107, кл. 416-233, 1950).

Недостаток этой конструкции лопатки — отсутствие рассеяния энергии в демпфирующем элементе, что не позволяет обеспечить стабильность и эффективность процесса демпфирования.

Наиболее близкой, принятой за прототип является конструкция охлаждаемой рабочей лопатки, содержащей перо, выполненное с радиальной полостью, в которой укреплен демпфер в виде пластины с продольными гофрами. Этот демпфер выполнен из пакета контактирующих между собой металлических сеток с поперечным расположением проволок в каждой паре смежных слоев (патент RU №641129, МПК F01D 5/26).

Недостатком такого конструкционного решения является износ контактирующих поверхностей в процессе эксплуатации агрегата, что ведет к снижению эффекта демпфирования колебаний и, следовательно, снижению прочностных характеристик лопаток.

Технический результат заявляемого изделия заключается в повышении надежности и долговечности охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей за счет использования материала с эффектом памяти формы и повышения эффективности демпфирования колебаний.

Указанный технический результат достигается тем, что в охлаждаемых сопловых и рабочих лопатках газотурбинных двигателей используется устройство демпфирования колебаний охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей, включающее демпфирующий элемент в виде дефлектора из материала с эффектом памяти формы, плотно соприкасающегося с внутренней полостью лопаток, при этом дефлектор из материала с эффектом памяти формы имеет на внешней стороне штырьковую матрицу с расположением штырьков в шахматном порядке, а поверхности внутренней радиальной полости лопатки и штырьковой матрицы дефлектора покрыты износостойким материалом. Дефлектор изготовлен из никелида титана — материала с высокими антикоррозионными и жаростойкими свойствами, обладающего эффектом памяти формы, проявляющимся при нагреве за счет мартенситного превращения, что обеспечит его плотный контакт с внутренней поверхностью лопатки.

Читайте также: Компрессор elitech кпб 190 24 характеристики

Выполнение демпфирующего элемента в виде дефлектора, на внешней стороне которого расположена штырьковая матрица, плотно соприкасающаяся штырьками с внутренней радиальной полостью лопатки, торцевые поверхности которых покрыты износостойким материалом методом холодного газодинамического напыления, обеспечит за счет их надежного взаимного контакта гашение колебательной энергии лопаточных венцов.

Плотность контакта соприкасающихся элементов в процессе эксплуатации турбоустановки будет сохраняться неизменной, так как дефлектор выполнен из материала с эффектом памяти формы, контактирующие поверхности покрыты износостойким материалом, что обеспечит высокую эффективность демпфирования колебательных процессов в проточной части, повысит экономичность и надежность энергоблоков.

Использование дефлектора со штырьковой матрицей с расположением штырьков в шахматном порядке обеспечит стабильность и равномерность каналов для протечки воздуха вдоль охлаждаемой поверхности лопатки, интенсивный конвективный съем тепла с ее стенок.

На фиг. 1 изображена предлагаемая лопатка, общий вид.

На фиг. 2 — сечение А-А фиг. 1.

На фиг. 3 — показан вид на штырьковую матрицу дефлектора на внешней стороне участка охлаждения.

Лопатка 1 (фиг. 1) изготовлена с внутренней радиальной полостью 2 (фиг. 2), в которой установлен дефлектор 3, имеющий на внешней поверхности штырьковую матрицу 4, плотно соприкасающуюся с внутренней поверхностью лопатки. В дефлекторе выполнены отверстия 5 для подвода охлаждающего агента к стенкам лопатки.

При работе двигателя охлаждающий воздух в лопатке 1 (фиг. 2) проходит вдоль радиальной полости 2 в дефлекторе 3 и поступает через отверстия 5 на оребренный участок 7 в области ее входной кромки и к внутренним стенкам. Часть воздуха проходит через штырьковую матрицу 4 (фиг. 2, фиг. 3), обеспечивающую стабильность воздушного зазора и турбулизацию потока, перетекает, снижая температуру лопатки, к выходной кромке 6, попадая далее в проточную часть турбины.

Теплонапряженность в лопатках значительно снижается за счет повышения конвективного съема тепла в их высокотемпературных зонах, что исключает разрушение лопаточных венцов в процессе эксплуатации. Наряду с этим, за счет эффекта памяти формы материала дефлектора 3 (фиг. 2) и выполнения на его внешней поверхности (на участке охлаждения) штырьковой матрицы 4, создается стабильный воздушный зазор вдоль всей поверхности охлаждения стенок лопаток, обеспечивается их плотный контакт с демпфирующим устройством, что повышает надежность и снижает виброакустическую активность решеток.

1. Устройство демпфирования колебаний охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей, включающее демпфирующий элемент в виде дефлектора из материала с эффектом памяти формы, плотно соприкасающегося с внутренней полостью лопаток, при этом дефлектор из материала с эффектом памяти формы имеет на внешней стороне штырьковую матрицу с расположением штырьков в шахматном порядке, а поверхности внутренней радиальной полости лопатки и штырьковой матрицы дефлектора из материала с эффектом памяти формы покрыты износостойким материалом.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала дефлектора использован никелид титана.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в дефлекторе равномерно размещены воздухораспределительные каналы.

Видео:Лопатки рабочие для паровых турбин (энергозапчасти) ПОЛТАВАМАШСкачать