Способ повышения надежности щелевого устройства компрессора газотурбинного двигателя Российский патент 2022 года по МПК G01M15/14 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к компрессорам со щелевым устройством, в частности, к способам повышения надежности щелевого устройства компрессора, и может найти применение при работе компрессоров.

Корпус компрессора содержит несущий корпус, в котором выполнен кольцеобразный желоб напротив венца рабочих лопаток компрессора. В кольцеобразном желобе установлено щелевое устройство (Сиротин Н.Н., Новиков А.С., Пайкин А.Г. и др. Основы конструирования, производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологии, книга 1., второе изд., изд. «Наука», 2011 г., стр.374, рис.8.116).

Проблемой данной конструкции является возбуждение динамических напряжений в элементах щелевого устройства при перетекании воздуха через щелевое устройство.

Частота динамических напряжений пропорциональна частоте вращения ротора с гармоникой, кратной количеству лопаток. Данные динамические напряжения могут приводить к появлению усталостных трещин.

Известен способ снижения вибронапряжений в турбомашине, при котором определяют резонансную частоту колебаний деталей турбомашины, определяют возможные изменения геометрии деталей турбомашины, расчетно исследуют влияние такого изменения на прочностные и жесткостные характеристики детали (Патент РФ на изобретение №2746365 от 05.06.2020, МПК G01M 15/14, опубл. 12.04.2021 Бюл.№11).

Недостатками данного способа является то, что требуется значительные исследования работоспособности турбомашины с новой измененной геометрией деталей, что влечет значительные затраты на доводку непосредственно самой турбомашины.

Так же известен способ повышения надежности деталей, заключающийся в том, что о степени повышения надежности деталей судят по линейности диаграммы деформирования, построенной в зависимости от прекращения приращения частоты собственных колебаний (Патент РФ №2097732 от 17.03.1995, опубл. 27.11.1997).

Недостатком данного способа является то, что при наличии резонансных колебаний элементов компрессора в диапазоне режимов его работы оптимизированние свойств используемого материала не является гарантированным условием обеспечения достаточного предела выносливости.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности и ресурса работы самого компрессора, благодаря тому, что в ходе осуществления способа вводят параметр, связывающий физические свойства материала щелевого устройства с частотой собственных колебаний щелевого устройства, позволяющий путем замены материала щелевого устройства устранить динамические напряжения благодаря отсутствию резонанса при эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что в способе повышения надежности щелевого устройства компрессора газотурбинного двигателя, в отличие от известного на стадии доводки компрессора на первом этапе определяют собственные частоты колебаний щелевого устройства компрессора и его элементов F₁, F₂, … F_n, на втором этапе определяют минимально возможную резонансную частоту возбуждения собственных колебаний F₀ щелевого устройства, :

,

где z - количество рабочих лопаток ступени компрессора, над которой расположено щелевое устройство;

- частота вращения на малом газе, об/мин;

на третьем этапе сравнивают собственную частоту колебаний щелевого устройства с минимально возможной резонансной частотой возбуждения собственных колебаний , если собственная частота колебаний щелевого устройства меньше минимально возможной резонансной частотой возбуждения собственных колебаний , то говорят о том, что в щелевом устройстве не наблюдается возбуждение резонансных колебаний, если собственная частота колебаний щелевого устройства больше или равна минимально возможной резонансной частоты возбуждения собственных колебаний , то говорят о том, что в щелевом устройстве наблюдается возбуждение резонансных колебаний, и тогда на четвертом этапе определяют фактическую частоту резонансных колебаний , ,... с обнаружением максимального значения фактической частоты резонансных колебаний , на пятом этапе определяют отношение максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний , на шестом этапе определяют параметр корень квадратный от отношения модуля Юнга и плотности материала щелевого устройства: , на седьмом этапе выбирают новый материал щелевого устройства с параметром ,

где - модуль Юнга нового подобранного материала, [Па];

- плотность нового подобранного материала, [];

и на восьмом этапе определяют отношение , которое сравнивают с отношением максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний , если , то подобранный материал щелевого устройства не удовлетворяет условиям отсутствия резонанса, и тогда возвращаются на седьмой этап до тех пор, пока не будет выполняться условие , при котором выполняется условие отсутствия резонанса на щелевом устройстве, на девятом этапе изготавливают щелевое устройство из выбранного материала, и проводят проверку работоспособности щелевого устройства компрессора.

На фигуре показана конструкция щелевого устройства компрессора низкого давления с дефектами.

Способ осуществляется следующим образом.

При испытаниях компрессора на щелевом устройстве возникают усталостные трещины на перемычке и на кольцевой части устройства. Для повышения надежности щелевого устройства осуществляют следующий способ.

На стадии доводки компрессора, на первом этапе определяют собственные частоты колебаний щелевого устройства и его элементов. Данные частоты можно определить любым известным методом, например, расчетным способом или методом простукивания (ping-test).

При этом из этих частот выделяют частоты , попадающие в рабочий диапазон (от частоты вращения на малом газе до максимальной частоты вращения ) с гармоникой, кратной количеству рабочих лопаток z.

На втором этапе определяют минимально возможную резонансную частоту возбуждения собственных колебаний F₀ щелевого устройства, в зависимости от количества рабочих лопаток z компрессора ступени, над которой расположено щелевое устройство, и от частоты вращения [об/мин] на малом газе: .

На третьем этапе сравниваем собственную частоту колебаний щелевого устройства () с минимально возможной резонансной частотой возбуждения собственных колебаний .

Если собственная частота колебаний щелевого устройства меньше минимально возможной резонансной частотой возбуждения собственных колебаний (), то говорят о том, что в щелевом устройстве не наблюдается возбуждение резонансных колебаний.

Если собственная частота колебаний щелевого устройства больше минимально возможной резонансной частоты возбуждения собственных колебаний (), то говорят о том, что в щелевом устройстве наблюдается возбуждение резонансных колебаний.

Если наблюдается возможное возбуждение резонансных колебаний в щелевом устройстве, то определяют на четвертом этапе, например, с помощью тензометрирования в составе изделия, фактическую частоту резонансных колебаний , ,...

Из полученных значений , , выбирают максимальное значение фактической частоты резонансных колебаний .

На пятом этапе определяют отношение максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний: , которое больше 1, так как .

На шестом этапе определяют параметр корень квадратный от отношения модуля Юнга и плотности материала щелевого устройства: , .

Данный параметр позволяет связать физические свойства материала с частотой собственной колебаний детали.

На седьмом этапе выбирают новый материал щелевого устройства с параметром , ,

где - модуль Юнга нового подобранного материала, [Па];

- плотность нового подобранного материала, [].

На восьмом этапе определяют отношение , которое сравнивают с отношением максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний .

Если , то подобранный материал щелевого устройства не удовлетворяет условиям отсутствия резонанса, и тогда возвращаются на седьмой этап (этап подбора нового материала для щелевого устройства) до тех пор, пока не будет выполняться условие .

Если , то при таком соотношении выполняется условие отсутствия резонанса на щелевом устройстве. Таким образом, подобранный материал с характеристиками модуль Юнга и плотностью удовлетворяет требованиям отсутствия резонанса, и на девятом этапе изготавливают щелевое устройство из выбранного материала, и проводят проверку работоспособности щелевого устройства компрессора.

Если щелевое устройство из выбранного материала в составе компрессора не удовлетворяет условиям проверки работоспособности, то выбирают другой материал для изготовления щелевого устройства, который удовлетворяет вышеуказанному требованию, а именно .

Таким образом, предложенный способ повышения надежности щелевого устройства компрессора за счет изменения материала щелевого устройства позволяет повысить надежность щелевого устройства компрессора.

Предложенный способ повышения надежности щелевого устройства был реализован при повышении надежности щелевого устройства компрессора турбореактивного двигателя. Материалом щелевого устройства является титановый сплав ВТ6 с характеристиками материала:

модуль Юнга =120 ГПа;

плотность =4500 ;

При этом параметр м/с.

При проведении теоретических расчетов было выявлено, что частоты собственных колебаний щелевого устройства равны: . При этом эти частоты оказались больше минимально возможной частоты возбуждения собственных колебаний .

Затем проводили тензометрирование щелевого устройства, при котором определили фактическую частоту резонансных колебаний , , с обнаружением максимального значения фактической частоты резонансных колебаний .

При тензометрировании щелевого устройства компрессора низкого давления турбореактивного двигателя (фигура) из материала ВТ6, было выявлено, что причиной усталостных трещин являются высокие динамические напряжения (11,7-12,3 ), возникающие в элементах из-за резонансов с частотами колебаний кратным количеству рабочих лопаток (), возбуждаемых в рабочем диапазоне вращения ротора.

Определили отношение .

В ходе осуществления данного способа был заменен материал щелевого устройства с титанового сплава ВТ6 на фторполимерный материал.

При этом параметр фторполимерного материала . Сравнивали отношения .

В результате сравнения видно, что видно, что , а именно . В ходе проведения испытаний после замены материала щелевого устройства из фторполимерного материала зафиксирован низкий уровень колебаний с гармоникой К23, который носит вынужденный характер. Резонансных колебаний не обнаружено. Результаты тензометрирования щелевого устройства из титанового материала ВТ6 и фторполимерного материала представлены в таблице 1.

По результатам дефектации после тензометрирования на щелевом устройстве из фторполимерного материала дефектов не обнаружено.

Таблица 1. Результаты тензометрирования

Материал щелевого устройства Максимальные замеренные динамические напряжения, кгс/мм² Резонансная частота, Гц Гармоника ВТ6 11,7 7026-7066 К=46 12,3 5398-5445 К=23 Фторполимерный материал 0,02 Не выявлено ---

После тензометрирования щелевое устройство было установлено на турбореактивный двигатель, который проходил эквивалентно-циклические испытания (ЭЦИ) в объеме установленного ресурса. Дефектов после ЭЦИ не обнаружено.

Благодаря тому, что в способе повышения надежности щелевого устройства компрессора газотурбинного двигателя, в отличие от известного на стадии доводки компрессора на первом этапе определяют собственные частоты колебаний щелевого устройства компрессора и его элементов F₁, F₂, … F_n, на втором этапе определяют минимально возможную резонансную частоту возбуждения собственных колебаний F₀ щелевого устройства, :

,

где z - количество рабочих лопаток ступени компрессора, над которой расположено щелевое устройство;

- частота вращения на малом газе, об/мин;

на третьем этапе сравнивают собственную частоту колебаний щелевого устройства с минимально возможной резонансной частотой возбуждения собственных колебаний , если собственная частота колебаний щелевого устройства меньше минимально возможной резонансной частотой возбуждения собственных колебаний , то говорят о том, что в щелевом устройстве не наблюдается возбуждение резонансных колебаний, если собственная частота колебаний щелевого устройства больше или равна минимально возможной резонансной частоты возбуждения собственных колебаний , то говорят о том, что в щелевом устройстве наблюдается возбуждение резонансных колебаний, и тогда на четвертом этапе определяют фактическую частоту резонансных колебаний , ,... с обнаружением максимального значения фактической частоты резонансных колебаний , на пятом этапе определяют отношение максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний , на шестом этапе определяют параметр корень квадратный от отношения модуля Юнга и плотности материала щелевого устройства: , на седьмом этапе выбирают новый материал щелевого устройства с параметром ,

где - модуль Юнга нового подобранного материала, [Па];

- плотность нового подобранного материала, [];

и на восьмом этапе определяют отношение , которое сравнивают с отношением максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний , если , то подобранный материал щелевого устройства не удовлетворяет условиям отсутствия резонанса, и тогда возвращаются на седьмой этап до тех пор, пока не будет выполняться условие , при котором выполняется условие отсутствия резонанса на щелевом устройстве, на девятом этапе изготавливают щелевое устройство из выбранного материала, и проводят проверку работоспособности щелевого устройства компрессора достигается повышение надежности и ресурса работы самого компрессора.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к компрессорам со щелевым устройством, в частности к способам повышения надежности щелевого устройства компрессора. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности и ресурса работы компрессора. Технический результат достигается тем, что в способе повышения надежности щелевого устройства компрессора газотурбинного двигателя на стадии доводки компрессора на первом этапе определяют собственные частоты колебаний щелевого устройства компрессора и его элементов F₁, F₂, … F_n, на втором этапе определяют минимально возможную резонансную частоту возбуждения собственных колебаний F₀ щелевого устройства, : , где z - количество рабочих лопаток ступени компрессора, над которой расположено щелевое устройство; - частота вращения на малом газе, об/мин; на третьем этапе сравнивают собственную частоту колебаний щелевого устройства с минимально возможной резонансной частотой возбуждения собственных колебаний , если собственная частота колебаний щелевого устройства больше или равна минимально возможной резонансной частоты возбуждения собственных колебаний , то в щелевом устройстве наблюдается возбуждение резонансных колебаний, и тогда на четвертом этапе определяют фактическую частоту резонансных колебаний , ,… с обнаружением максимального значения фактической частоты резонансных колебаний , на пятом этапе определяют отношение максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний , на шестом этапе определяют параметр , корень квадратный от отношения модуля Юнга и плотности материала щелевого устройства: , на седьмом этапе выбирают новый материал щелевого устройства с параметром ,

где - модуль Юнга нового подобранного материала, [Па]; - плотность нового подобранного материала, []; и на восьмом этапе определяют отношение , которое сравнивают с отношением максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний , если , то подобранный материал щелевого устройства не удовлетворяет условиям отсутствия резонанса, и тогда возвращаются на седьмой этап до тех пор, пока не будет выполняться условие , при котором выполняется условие отсутствия резонанса на щелевом устройстве, на девятом этапе изготавливают щелевое устройство из выбранного материала и проводят проверку работоспособности щелевого устройства компрессора. 1 ил., 1 табл.

Способ повышения надежности щелевого устройства компрессора газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что на стадии доводки компрессора на первом этапе определяют собственные частоты колебаний щелевого устройства компрессора и его элементов F₁, F₂, … F_n,

на втором этапе определяют минимально возможную резонансную частоту возбуждения собственных колебаний F₀ щелевого устройства, :

,

где z - количество рабочих лопаток ступени компрессора, над которой расположено щелевое устройство;

- частота вращения на малом газе, об/мин;

на третьем этапе сравнивают собственную частоту колебаний щелевого устройства с минимально возможной резонансной частотой возбуждения собственных колебаний , если собственная частота колебаний щелевого устройства меньше минимально возможной резонансной частоты возбуждения собственных колебаний , то говорят о том, что в щелевом устройстве не наблюдается возбуждение резонансных колебаний, если собственная частота колебаний щелевого устройства больше или равна минимально возможной резонансной частоты возбуждения собственных колебаний , то говорят о том, что в щелевом устройстве наблюдается возбуждение резонансных колебаний, и тогда

на четвертом этапе определяют фактическую частоту резонансных колебаний , ,… с обнаружением максимального значения фактической частоты резонансных колебаний ,

на пятом этапе определяют отношение максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний ,

на шестом этапе определяют параметр , корень квадратный от отношения модуля Юнга и плотности материала щелевого устройства: , ,

на седьмом этапе выбирают новый материал щелевого устройства с параметром ,,

где - модуль Юнга нового подобранного материала, [Па];

- плотность нового подобранного материала, [];

и на восьмом этапе определяют отношение , которое сравнивают с отношением максимальной фактической частоты собственных колебаний к минимальной частоте возбуждений колебаний , если , то подобранный материал щелевого устройства не удовлетворяет условиям отсутствия резонанса, и тогда возвращаются на седьмой этап до тех пор, пока не будет выполняться условие , при котором выполняется условие отсутствия резонанса на щелевом устройстве,

на девятом этапе изготавливают щелевое устройство из выбранного материала и проводят проверку работоспособности щелевого устройства компрессора.