Виды колебаний лопаток в авиационных двигателях в рабочих условиях и способы их устранения

Рис.8. Связанные собственные колебания бандажированного рабочего колеса турбины (шесть узловых диаметров)

Наибольший практический интерес собственные формы представляют с точки зрения прогнозирования характера распределения вибронапряжений в лопатке при резонансных колебаниях. При изгибных формах колебаний наибольшие напряжения возникают на входной и выходной кромках и спинке лопатки в сече

ниях с наибольшим изгибающим моментом. На рис. 8 показано распределение вибронапряжений в лопатке при колебаниях по первой и второй изгибной формам. Знание форм колебаний позволяет правильно определить места установки датчиков при проведении сложных экспериментов по определению величины вибронапряжений на работающем натурном двигателе [5].

9. Классификация колебаний лопаток в рабочих условиях

В зависимости от режима работы двигателя возможны следующие виды колебаний лопаток:

а) резонансные колебания от окружной неравномерности потока на входе в двигатель, создаваемой воздухозаборником;

б) резонансные колебания от впереди и сзади стоящих направляющих аппаратов;

в) резонансные колебания от вращающегося срыва потока;

г) флаттер (автоколебания). Возникает при наличии взаимодействия лопаток через поток и диск.

д) случайные колебания, вызываемые пульсациями потока в воздухозаборнике и по тракту компрессора;

е) колебания лопаток при помпаже турбомашины;

ж) колебания лопаток от вибрационного горения в камере сгорания.

Типичные места возникновения перечисленных колебаний по тракту двигателя представлены на рис. 9.

При вращающемся срыве возникает окружная неравномерность потока, которая вращается со скоростью 50…80% от скорости вращения ротора в обратном направлении в системе координат колеса. Если частота возникающей при этом возбуждающей силы, не кратной частоте вращения, совпадает с частотой собственных колебаний лопаток, то также наступает явление резонанса. Появление вращающегося срыва зависит от многих факторов: угла атаки, температуры, частоты вращения и т.д. При эксплуатации двигателя на самолете в рабочем диапазоне оборотов вращающийся срыв не допускается. То есть вращающийся срыв может возникать только на нерасчетных режимах работы двигателя при отклонении от заданной программы регулирования, например при проведении экспериментальных работ [2].

Рис. 9. Схема расположения мест разрушения узлов при флаттере лопаток вентилятора:

1 - разрыв защитного фланца корпуса вентилятора;

2 - разрушение по елочному замку 2-х лопаток и трещины еще на 2-х лопатках;

3 - разрушение, перехлест и задиры по антивибрационным полкам;

4 - разрывы корпуса вентилятора;

5 - смещение вперед носка КСД;

6 - срез заклепочного соединения корпуса с силовым корпусом;

7 - срез шпилек крепления корпуса КСД с силовым корпусом;

8 - обрыв 2-х лопаток КСД;

9 - разрушение вала КСД.

В камерах сгорания двигателей летательных аппаратов виброционное горение приводит к частичному или полному разрушению элементов конструкции, снижают надежность их работы. Поэтому обеспечение устойчивости процесса горения является серьезной проблемой, требующей больших материальных затрат, и занимает значительную часть времени в общей доводке двигателей. При вибрационном или пульсационном горении в основной или форсажной камерах сгорания также возникает периодическая сила, частота которой может совпасть с частотой собственных колебаний лопаток. Колебания при этом, как правило, возникают в осевом направлении, а частота колебаний также не кратна частоте вращения двигателя. В эксплуатации такие колебания весьма опасны и поэтому обычно не допускаются.

Постоянное стремление к снижению весовых характеристик и повышению аэродинамической нагруженности лопаток способствует появлению флаттера (автоколебаний) лопаток. Характерной особенностью этих колебаний лопаток является отсутствие какой-либо внешней периодической силы, которой можно было бы приписать возбуждение этих колебаний. Флаттер является наиболее опасным и наиболее часто встречающимся видом колебаний лопаток, который приводит к серьезным последствиям для двигателей и самолетов.

9.1 Флаттер лопаточных венцов компрессоров

Флаттер (автоколебания) венцов компрессорных лопаток – это самовозбуждающиеся колебания лопаток с незатухающей амплитудой, поддерживаемые переменными аэродинамическими силами, возникающими при колебательном движении лопаток из-за обратных связей. Возможность самовозбуждения и амплитуда таких колебаний существенно зависит от упруго-массовых характеристик и условий обтекания, определяемых оборотами ротора и положением рабочей точки на напорной характеристике, а также от величины давления и температуры воздуха. При возникновении автоколебаний рабочих лопаток, как правило, реализуется бегущая по вращению волна деформации.

Рис. 10. Диаграмма рабочих режимов компрессора и границ флаттера

В компрессорах ГТД известны несколько типов флаттера. Наиболее часто из них встречаются:

- срывной флаттер рабочих лопаток, который возникает, в основном, на пониженных приведенных оборотах при околозвуковом обтекании с повышенными углами атаки. Как правило, возникновению этого типа флаттера способствует смещение рабочей точки на характеристике рабочего колеса в сторону уменьшения расхода воздуха.

- сверхзвуковой флаттер, который возникает при сверхзвуковом обтекании с малыми углами атаки на приведенных оборотах, близких к максимальным.

- флаттер запирания, который возникает, как правило, на лопатках спрямляющих и направляющих аппаратов при смещении рабочей точки в сторону увеличения расхода воздуха. В основе механизма этого флаттера лежит процесс периодического смещения положения эффективного горла в межлопаточном канале в результате отрыва потока от поверхности лопаток и их относительного движения в процессе колебаний.

- связанный (решетчатый) флаттер лопаток. Этот вид флаттера возникает тогда, когда возбуждающие силы обусловлены колебаниями соседних лопаток.

Кратковременные автоколебательные явления могут быть также на режимах помпажа.

Помпаж это срывной режим работы авиационного турбореактивного двигателя, нарушение газодинамической устойчивости его работы, сопровождающийся хлопками, резким падением тяги и мощной вибрацией, которая способна разрушить двигатель. Воздушный поток, обтекающий лопатки рабочего колеса, резко меняет направление, и внутри турбины возникают турбулентные завихрения, а давление на входе компрессора становится равным или бо́льшим, чем на его выходе.

В зависимости от типа компрессора помпаж может возникать вследствие мощных срывов потоков воздуха с передних кромок лопаток рабочего колеса и лопаточного диффузора или же срыва потока с лопаток рабочего колеса и спрямляющего аппарата [2].

Основным способом борьбы с помпажем является применение нескольких соосных валов в двигателе, вращающихся независимо друг от друга с различными скоростями вращения.

 Скачать реферат