СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМ И ЧАСТОТ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2014 года по МПК G01H1/06 

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к авиадвигателестроению, а именно к способу определения форм и частот собственных колебаний рабочих лопаток газотурбинных двигателей.

Уровень техники

В связи со сложной конструкцией современных рабочих лопаток авиационных газотурбинных двигателей определение их форм колебаний и частот собственных колебаний (ЧСК) расчетным путем не представляется возможным. Единственным точным способом определения форм и ЧСК лопаток являются экспериментальные испытания в лабораторных условиях на специальных установках, позволяющих возбудить лопатку в широком диапазоне частот.

Эти испытания проводятся для каждой лопатки, устанавливаемой на двигатель, и значения частоты записываются в дело двигателя.

Широкое распространение в заводских и опытно-конструкторских организациях получили испытания, при которых окончательно изготовленная лопатка зажимается за хвостовик, а к свободному концу прикладывается возмущающая сила, частота которой меняется в широком диапазоне. Возбуждение лопатки осуществляется электродинамическим возбудителем вибраций, широко распространенным в двигателестроении, или иным способом /С.В. Серенсен, М.Э. Гарф, В.А. Кузьменко. Динамика машин для испытаний на усталость. М.: Машиностроение, 1967 г./.

Сообщая лопатке вынужденные колебания сначала с небольшой частотой, затем повышая частоту, в определенный момент наблюдается явление резонанса - совпадение частоты возбуждающей силы (f_воз) с частотой собственных колебаний лопатки (f_соб), и соответствующая форма колебания. Зафиксированная наименьшая частота собственных колебаний лопатки называется частотой колебаний по 1-й изгибной форме (или по основному тону), при этом узловая линия располагается в корневой зоне. При дальнейшем повышении частоты возбуждающей силы будет наблюдаться явление резонанса (f_воз=f_соб) при колебаниях лопатки по 2-й изгибной форме с узловой линией в корневой и верхней части пера лопатки и т.д. /Г.С. Жирицкий, В.А. Стрункин. Конструкция и расчет на прочность деталей, паровых и газовых турбин. М.: Машиностроение, 1968 г., стр.111-113/.

Известен способ определения форм и частот собственных колебаний лопаток (определяемый для каждой лопатки, поставляемой на двигатель), включающий в себя установление лопатки в зажиме в горизонтальном положении с насыпанным на ее поверхности тонким слоем песка, возбуждение колебаний лопатки возмущающей силой, приложенной к свободному концу лопатки, до возникновения резонансных колебаний, когда песок будет сброшен со всех вибрирующих мест лопатки и оставаться на неподвижных линиях - узлах, что свидетельствует о совпадении частоты возбуждения с частотой собственных колебаний (f_воз=f_соб) при соответствующей форме колебаний лопатки, зафиксированной по виду песочных фигур, значение которой (f_соб) записывается в дело двигателя /Г.С. Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1969 г., стр.274-275/.

Однако существующий способ определения форм и частот собственных колебаний практически невозможно применить к лопаткам, имеющим на своей поверхности перфорационные охлаждающие отверстия. Такие типы лопаток, в основном рабочие лопатки турбин, все больше применяются в современных конструкциях авиационных двигателей.

При насыпании сухого песка на поверхность лопатки и ее возбуждении забиваются мелкие перфорационные отверстия, что приводит к нарушению системы охлаждения и невозможности использовать лопатки в эксплуатации.

Удаление песка (после определения форм и ЧСК) сжатым воздухом, промывкой или иным способом является чрезвычайно трудоемким процессом и требует повторного определения расходных характеристик каждой лопатки, чтобы убедиться в восстановлении системы охлаждения в полной мере. Эти технологические процедуры не всегда приводят к положительному результату (песок остается в системе охлаждения лопатки). В серийном производстве ~20% лопаток бракуется.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является достоверное определение форм и частот собственных колебаний лопаток, имеющих перфорационные охлаждающие отверстия на поверхности лопатки, при сокращении материальных затрат путем использования существующих лабораторных установок.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе экспериментального определения форм и частот собственных колебаний посыпается мелким песком поверхность лопатки до изготовления перфорационных охлаждающих отверстий, после чего лопатка возбуждается в горизонтальном положении, фиксируется по виду песочных фигур форма колебаний, определяется частота ее собственных колебаний, к которой вводится поправка на величину Δf.

Известно, что частота собственных колебаний обратно пропорциональна массе лопатки

$f_{соб}\sim 1/m\text{ (1)}$

Поэтому после изготовления отверстий в связи с уменьшением массы действительное значение частоты, которое записывается в дело двигателя, должно быть несколько больше (в зависимости от диаметра отверстий и их количества). Следовательно, полученную поправку Δf надо прибавлять к частоте лопатки без перфорации.

Поскольку экспериментальное определение частот лопаток имеет статистический разброс, величину поправки Δf необходимо определять в вероятностно статистическом аспекте.

С этой целью один раз для одинаковой конструкции лопатки по репрезентативной выборке (обычно 15-20 лопаток) перфорированных лопаток и лопаток без перфорации определяются средние значения частоты собственных колебаний и среднеквадратические отклонения, по которым вычисляются максимально возможные значения по каждой выборке:

${{\text{(f}}_{\text{соб}}\text{)}}_{\text{пер}}{}^{\text{max}}{\text{=(f}}_{\text{соб}}{\text{)}}_{\text{пер}}{}^{\text{сред}}{\text{+3σ}}_{\text{пер}}\text{ (2)}$ - для лопаток с перфорацией,

${{\text{(f}}_{\text{соб}}\text{)}}_{\text{без пер}}{}^{\text{max}}{\text{=(f}}_{\text{соб}}{\text{)}}_{\text{без пер}}{}^{\text{сред}}{\text{+3σ}}_{\text{без пер}}\text{ (3)}$ - для лопаток без перфораций.

Вычитая из уравнения (2) уравнение (3), получим

$\Delta f=\Delta f_{сред}+3\cdot \Delta \sigma \text{ (4)}$

где Δf - максимально возможная разница между частотой собственных колебаний любой лопатки одинаковой конструкции с перфорацией и без перфорации,

Δf_сред - разница в средних значениях частот собственных колебаний выборки лопаток с перфорацией и без перфорации,

Δσ - разница в среднеквадратических отклонениях частот собственных колебаний выборки лопаток с перфорацией и без перфорации.

Известно, что вероятность попадания случайной величины в интервал 3σ составляет 99,7%, поэтому достоверность определения поправки очень высока и полученные значения поправки Δf можно распространить на всю генеральную совокупность изготовляемых лопаток одинаковой конструкции.

Пример конкретного выполнения

Выборка частот собственных колебаний (ЧСК) по 20 рабочим лопаткам турбины с перфорационными охлаждающими отверстиями имела следующие значения:

${{\text{(f}}_{\text{соб}}\text{)}}_{\text{пер}}{}^{\text{сред}}=1093Гц$ - среднее значение ЧСК,

σ_пер = 22 Гц - среднеквадратическое отклонение.

До изготовления охлаждающих отверстий эти же лопатки имели следующие значения:

${{\text{(f}}_{\text{соб}}\text{)}}_{\text{без пер}}{}^{\text{сред}}=1082\text{ Гц}$ - среднее значение ЧСК,

σ_{без пер} = 14 Гц - среднеквадратическое отклонение.

Тогда, согласно (4), величина поправки будет равна:

Δf=11+3·8=35 Гц.

Таким образом, чтобы получить действительное значение ЧСК окончательно изготовленной перфорированной лопатки и записать его в дело двигателя, к каждому полученному значению ЧСК лопатки без перфорации необходимо прибавлять 35 Гц.

Технико-экономическая или иная эффективность

Использование предлагаемого способа позволяет исключить отбраковку лопаток с перфорацией после определения их форм колебаний и частот собственных колебаний, проводить испытания на имеющемся на предприятиях оборудовании, что тем самым приводит к экономии материальных затрат.

Использование: для определения форм и частот собственных колебаний рабочих лопаток газотурбинных двигателей. Сущность изобретения заключается в том, что каждую окончательно изготовленную лопатку (поставляемую на двигатель) закрепляют в зажиме за хвостовик в горизонтальном положении, наносят на ее поверхность тонким слоем песок и возбуждают колебания лопатки возмущающей силой, приложенной к свободному концу лопатки, до возникновения резонансных колебаний, когда песок будет сброшен со всех вибрирующих мест, кроме неподвижных линий-узлов, что свидетельствует о совпадении частоты возбуждения с частотой собственных колебаний лопатки (f_воз=f_соб) при соответствующей форме колебаний лопатки, зафиксированной по виду песочных фигур, значение которой (f_соб) и записывают в дело двигателя, при этом для лопаток, имеющих на своей поверхности перфорационные охлаждающие отверстия, определяют экспериментальным путем формы и частоты собственных колебаний 15-20 лопаток до и после изготовления перфорационных отверстий (репрезентативная выборка), определяют для этих выборок средние и среднеквадратические отклонения частот и вычисляют поправку Δf, которую прибавляют к частоте собственных колебаний каждой лопатки, (поставляемой на двигатель), полученной до изготовления перфораций на поверхности лопатки, и записывают суммарную величину частоты в дело двигателя. Технический результат: обеспечение возможности достоверного определения форм и частот собственных колебаний рабочих лопаток газотурбинных двигателей.

Способ определения форм и частот собственных колебаний (ЧСК) рабочих лопаток газотурбинных двигателей, заключающийся в том, что каждую окончательно изготовленную лопатку (поставляемую на двигатель) закрепляют в зажиме за хвостовик в горизонтальном положении, наносят на ее поверхность тонким слоем песок и возбуждают колебания лопатки возмущающей силой, приложенной к свободному концу лопатки, до возникновения резонансных колебаний, когда песок будет сброшен со всех вибрирующих мест, кроме неподвижных линий-узлов, что свидетельствует о совпадении частоты возбуждения с частотой собственных колебаний лопатки (f_воз=f_соб) при соответствующей форме колебаний лопатки, зафиксированной по виду песочных фигур, значение которой (f_соб) и записывают в дело двигателя, отличающийся тем, что для лопаток, имеющих на своей поверхности перфорационные охлаждающие отверстия, определяют экспериментальным путем формы и частоты собственных колебаний 15-20 лопаток до и после изготовления перфорационных отверстий (репрезентативная выборка), определяют для этих выборок средние и среднеквадратические отклонения частот и вычисляют поправку Δf,
Δf=Δf_сред+3·Δσ,
где
Δf_cред - разница между средними значениями частот выборки лопаток после и до изготовления перфораций,
Δσ - разница между среднеквадратическими отклонениями частот выборки лопаток после и до изготовления перфораций,
которую прибавляют к частоте собственных колебаний каждой лопатки, (поставляемой на двигатель), полученной до изготовления перфораций на поверхности лопатки, и записывают суммарную величину частоты в дело двигателя.