Исследование флаттера рабочих лопаток вентилятора на режиме срывного обтекания

УДК: 621.51.226.2.53

ИССЛЕДОВАНИЕ ФЛАТТЕРА РАБОЧИХ ЛОПАТОК ВЕНТИЛЯТОРА НА РЕЖИМЕ СРЫВНОГО ОБТЕКАНИЯ

© 2011 А. А. Хориков, С. Ю. Данилкин Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова, г. Москва

Приведены результаты экспериментального исследования динамического состояния трёхступенчатого вентилятора современной блисковой конструкции, спроектированного по новым расчётным технологиям. Выявлены особенности колебаний рабочих лопаток при исследовании флаттера в срывной области. В результате проведённого экспериментального исследования сделан вывод о том, что имеются два вида дозвукового решётчатого флаттера: бессрывной флаттер, которому соответствует волна деформации, бегущая по вращению, и срывной флаттер, при котором волна деформации бежит против вращения.

Флаттер, вращающийся срыв, срывное обтекание, вентилятор, рабочие лопатки, волны деформации, пульсации потока.

В работе [1] аналитическим решением было показано, что в отсутствие набегающего потока газа собственными колебаниями компрессорного колеса являются бегущие по вращению и против вращения волны деформации. При этом в каждой из бегущих волн реализуется временной сдвиг фаз колебаний между лопатками, соответствующий определенной диаметральной форме, а между крутильной и изгибной составляющими колебаний на каждой лопатке должен существовать сдвиг фаз колебаний, равный 90°. Однако, вследствие существующей в отсутствие потока симметрии системы, эти бегущие волны деформации при равном числе узловых диаметров имеют одинаковые частоты и амплитуды и в результате их суперпозиции получаются стоячие волны, в которых временной сдвиг между лопатками и между изгибной и крутильной составляющими колебаний на каждой лопатке становится равным нулю или 180°, что свойственно всем консервативным системам. При колебаниях лопаток в потоке набегающего потока газа, т.е. в неконсервативной системе, волны деформаций, бегущие по вращению и против вращения колеса, уже не являются одинаковыми. Вследствие несимметричности действующих на лопатки нестационарных аэродинамических сил, эти волны имеют разные частоты и разные декременты колебаний даже при равном числе узловых диаметров, а практическая реализация какой-либо из этих двух волн деформа-

ций зависит от конкретных значений аэродинамических сил.

Вместе с тем при экспериментальных исследованиях вентиляторов и компрессоров неоднократно было отмечено, что при возникновении флаттера (автоколебаний) лопаток на режимах вблизи рабочей линии по лопаткам и в потоке возникает только волна деформации, бегущая по вращению колеса. Это обстоятельство позволило сформулировать один из информативных диагностических признаков флаттера, основанный на измерении сдвигов фаз колебаний между лопатками (см., например, [2]), а также предложить способы бесконтактной диагностики флаттера по сигналам с датчиков пульсаций потока [3,4]. Появился даже ряд работ, в которых утверждалось о правомерности этого положения для всех случаев решётчатого флаттера лопаток вне зависимости от их упругомассовых характеристик и режимов обтекания лопаток.

В настоящей работе приведены результаты экспериментального исследования динамического состояния трехступенчатого вентилятора современной блисковой конструкции, спроектированного по новым расчетным технологиям. Исследование проводилось по линии рабочих режимов и в процессе дросселирования вентилятора по напорной характеристике на приведенной частоте вращения ппр = 0,8 (¡р = 140,1 Гц), которая соответствовала наиболее напряжённой работе вентилятора в эксплуатационных

условиях. При этом согласно расчетам все сечения лопаток обтекались дозвуковым потоком, кроме периферийных, где реализовалось почти трансзвуковое обтекание. Для проведения исследования вентилятор был подробно препарирован. Рабочие лопатки, лопатки направляющих аппаратов, барабан ротора и корпус вентилятора были препарированы тензорезисторами. Кроме того, на входе и на выходе из вентилятора были установлены датчики пульсаций давления ППД-100, непосредственно над рабочими лопатками были установлены высокочастотные датчики пульсаций М116В03, на корпусе вентилятора были размещены вибродатчики (в том числе векторные). Регистрация сигналов с перечисленных датчиков осуществлялась на регистраторы-анализаторы М1С-300М.

Отличительной особенностью поведения исследуемого вентилятора были срывные

колебания на частотах вращения вплоть до ппр = 0,7 на линии рабочих режимов. Колебания происходили с суммарным уровнем напряжений до а = 9 кгс/мм2 с превалированием уровня с а » 2 кгс/мм2 для спектральных составляющих на частотах /л = =543...546 Гц, что соответствовало первой крутильной форме колебаний. Спектр этих колебаний представлен на рис.1. Следует заметить, что эти колебания являются типичными для современных вентиляторов, так как при их проектировании существует чёткая тенденция к уменьшению количества ступеней, которая при высокой аэродинамической нагруженности не позволяет обеспечить безотрывное обтекание лопаток первых ступеней в диапазоне малых частот вращения.

Рис. 1. Осциллограмма и спектр сигнала с тензодатчика при срывных колебаниях при ппр =0,65

На рис. 2 представлены осциллограмма и 3Б спектрограмма колебаний одной из лопаток в процессе дросселирования при ппр = 0,8. В начальный момент дросселирования вблизи линии рабочих режимов в спектре превалируют колебания с частотой крутильной формы колебаний /л = 559 Гц с уровнем напряжений на этой частоте до

а » 0,5 кгс/мм и суммарным уровнем а » 1,5

кгс/мм2.

При достижении смещения от линии рабочих режимов на 5Ку » 0,5% уровень напряжений с частотой /л=559 Гц увеличился до а » 1,5 кгс/мм2 и одновременно появились спектральные составляющие невысокого уровня на частотах /л = 229 Гц,/ = 29,7Гц и

/ = 59,3 Гц. Первая из этих спектральных составляющих соответствовала первой форме колебаний лопатки, а частоты / = 29,7 Гц и / = 59,3 Гц являются первой и второй гармониками вращающегося срыва. В спектре

При достижении 8Ку » 1,5% спектральные составляющие, соответствующие слабому вращающемуся срыву, исчезают. При этом в спектре колебаний лопатки начинает доминировать частота /л = 229 Гц с замеренным уровнем напряжений до а = = 15 кгс/мм2 (с учетом коэффициентов пересчета максимальный уровень составил а= =27 кгс/мм2), а в спектрах пульсаций потока появляются частоты / = 749,8 Гц, /2= = 1766,6 Гц и /3= 3266,2 Гц, причем спектральная составляющая с частотой/2 больше спектральной составляющей с частотой /¡. Относительно спектральной составляющей, соответствующей частоте следования лопаток Ы/р = 2518,9 Гц (Ы = 18 - количество лопаток 1-й ступени), спектральные составляющие с частотами / и / находятся на одинаковом частотном расстоянии, равном /¡. Аналогичная картина поведения частот имеет место и по лопаткам спрямляющего аппарата, где отмечены мгновенные значе-

пульсаций потока, т.е. в неподвижной системе координат, этот вращающийся срыв проявился весьма слабо на частоте / = 110,7 Гц и его второй гармонике с частотой /=221,4 Гц (рис. 3).

ния /¡= =750,6 Гц, /2 = 1769 Гц, /з = 3269 Гц (рис. 4). Указанным колебаниям лопаток в барабане вентилятора соответствовали вибрационные напряжения той же частоты с уровнем а = =1,5 кгс/мм .

На рис. 5 приведены осредненные спектры колебаний лопатки и пульсаций потока за время существования колебаний лопаток с высоким уровнем напряжений. Из них видно, что колебаниям лопаток с частотой/=230 Гц в спектрах пульсаций потока соответствуют диагностические частоты / = 751 Гц, /2= = 1771 Гц и /3 = 3273 Гц, причем частоты/2 и /з находятся точно на одинаковом расстоянии / от частоты следования лопаток Ы/р = =2522 Гц, а спектральная составляющая на частоте /2 больше, чем спектральная составляющая на частоте/3. В соответствии с положениями работ [5,6] это должно соответствовать волне деформаций, бегущей против вращения колеса.

Рис. 2. Осциллограмма и 3Б спектр колебаний лопатки в процессе дросселирования

по напорной характеристике

Рис. 3. 3Б спектр пульсаций потока перед (а) и над (б) 1-й ступенью в процессе дросселирования

по напорной характеристике

Рис. 4. 3Б спектр колебаний лопатки направляющего аппарата в процессе дросселирования

по напорной характеристике

Рис. 5. Спектр колебаний лопатки и пульсаций потока над ¡, 2 и 3-й ступенями в процессе дросселирования по напорной характеристике

Для подтверждения последнего положения были определены сдвиги фаз колебаний между рабочими лопатками 1-й ступени (рис. 6,7). Между соседними лопатками, с нумерацией в направлении вращения колеса, сдвиг фаз оказался отрицательным, а в целом экспериментальная зависимость сдвигов фаз от разности порядковых номеров лопаток оказался весьма близкой к тео-

ретической для бегущей против вращения волны деформации с количеством узловых диаметров т = 7 в однородном колесе. С учетом этого обстоятельства для частоты / в спектре пульсаций потока и частоты /л в спектре колебаний лопаток в соответствии с [3] выполняется следующее соотношение:

/1 = / - 7/р = 230 - 7 140,1 = -751 Гц.

Рис. 6. Значения функции когерентности и сдвигов фаз колебаний между лопатками

Y о

-200

-400 -

-600 -

-800

1000 4 0

\ \ \ « fc^-138,17 -----

V

« 1-553,54

V \ 4 >-691,69 --

> ,-843,8 \ V \ \

7 8

расстояние между лопаткам!

Рис. 7. Зависимость сдвигов фаз от расстояния между лопатками:

---теоретическая зависимость для т=-7;

• - экспериментальные значения

Таким образом, в настоящем исследовании выявлены следующие особенности колебаний лопаток:

- наличие не очень сильного срывного обтекания с невысоким уровнем напряжений в лопатках;

- резкое увеличение амплитуды колебаний лопаток при достижении некоторого порогового значения положения рабочей точки на напорной характеристике вентилятора и исчезновение в этот момент слабого вращающегося срыва;

- строгая синхронность колебаний лопаток на частоте, близкой к частотам первой формы изолированных лопаток;

- наличие сдвига фаз колебаний между лопатками, соответствующего определенной диаметральной форме колебаний колеса;

- появление в потоке в момент возникновения колебаний лопаток диагностических спектральных составляющих, соотношения между которыми указывают на существование в потоке волны деформации, бегущей против вращения колеса. Перечисленный перечень особенностей колебаний лопаток позволяет их трактовать как решётчатый флаттер на режиме дозвукового срывного обтекания. Все известные до настоящего времени случаи решётчатого флаттера с волной деформации, бегущей по вращению ко-

леса, соответствовали безотрывным режимам обтекания лопаток. В настоящей работе получены результаты экспериментального исследования флаттера лопаток в срывной области. В связи с этим имеются основания считать, что существует два вида дозвукового решётчатого флаттера: бессрывной флаттер, которому соответствует волна деформации, бегущая по вращению, и срывной флаттер, при котором волна деформации бежит против вращения. Очевидно, что мероприятия по устранению этих видов флаттера должны быть разными.

Библиографический список

1. Хориков, А. А. К вопросу влияния механической связанности лопаток на устойчивость однородного компрессорного колеса к флаттеру [Текст] / А. А. Хориков // Аэроупругость лопаток турбомашин. Вып. 2. (Тр. ЦИАМ; №1064) - ЦИАМ, 1983. - С.234-254.

2. Снайдер, К. Сверхзвуковой безотрывный флаттер в роторах вентиляторов: теория и эксперимент [Текст] / К. Снайдер, Коммер-форд // Энергетические машины и установки (пер. Trans ASME. Ser.A). - 1974. - №4. - С. 57-67.

3. Kurkov, A. Synthesis of blade flutter vibratory patterns using stationary transducers. / A.

Kurkov, J. Diccus // ASME Publ. NGT-160, 1978.

4. Сачин, В.М. Исследование фазовых характеристик связанных колебаний лопаток компрессоров в потоке [Текст] / В.М. Сачин, А.А. Хориков, А.Г. Шатохин // Аэроупругость лопаток турбомашин (Тр. ЦИАМ; №953) - ЦИАМ, 1981. - С.287-296.

5. Пат. № 2111469 РФ. Способ диагностики колебаний рабочего колеса турбомашины. [Текст] / А. А. Хориков.

6. Хориков, А. А. Метод и система диагностики аэроупругих колебаний рабочих лопаток компрессоров датчиками пульсаций [Текст] / А. А. Хориков // Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования. -Харьков: ИПМ, 1997. - С.323-332.

RESEARCH OF THE FAN BLADES FLUTTER ON THE STALLING AIRFLOW MODE

© 2011 A. A. Khorikov, S. Y. Danilkin Central Institute of Aviation Motors, Moscow

Results of a dynamic condition experimental research of the modern three-stage blisk fan designs, designed on new calculated technologies are resulted. Features of rotor blades fluctuations are revealed at research of a flutter in stalling area. As a result of the carried out experimental research the conclusion that there are two kinds of a subsonic cascade flutter is made: without-stalling flutter to which there corresponds the wave of deformation running on rotation and a stalling flutter at which the wave of deformation runs against rotation.

Flutter, rotating stall, stalling airflow, fan, rotor blades, waves of deformation, flow pulsation.

Информация об авторах

Хориков Анатолий Алексеевич, доктор технических наук, профессор, начальник отдела Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова. Тел.: (495) 552-46-11. Е-mail: khorikov@rtc.ciam.ru. Область научных интересов: прочность, динамика, расчетно-экспериментальный анализ.

Данилкин Сергей Юрьевич, начальник сектора Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова. Тел.: (495) 552-97-26. Е-mail: danilkin@rtc.ciam.ru. Область научных интересов: прочность, динамика, цифровая обработка сигналов.

Khorikov Anatoliy Alekseevich, Doctor of Technical Sciences, professor, head of department of P.I. Baranov Central Institute of Aviation Motors, Moscow. Phone: (495) 5524611. Е-mail: khorikov@rtc.ciam.ru. Area of research: strength, dynamics, experiment-calculated analysis.

Danilkin Sergey Yurievich, chief of group of P.I. Baranov Central Institute of Aviation Motors, Moscow. Phone: (495) 5529726. Е-mail: danilkin@rtc.ciam.ru. Area of research: strength, dynamics, digital signal processing.