СПОСОБ ДЕМПФИРОВАНИЯ, СООТВЕТСТВЕННО, ПОДАВЛЕНИЯ ВОЗНИКАЮЩИХ ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ЛОПАТКЕ ТУРБИННОЙ МАШИНЫ, А ТАКЖЕ ЛОПАТКА ТУРБИННОЙ МАШИНЫ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD OF DAMPING, RESPECTIVELY, SUPPRESSION OF MECHANICAL OSCILLATIONS, OCCURRING DURING OPERATION, IN VANE OF TURBINE MACHINE, AND ALSO VANE OF TURBINE MACHINE FOR IMPLEMENTATION OF METHOD

Данное изобретение относится к области турбинных машин, таких как ветровые турбины, паровые турбины, газовые турбины или компрессоры. Оно относится к способу оказания влияния, в частности, демпфирования, соответственно, подавления возникающих во время работы механических колебаний в лопатке турбинной машины, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, оно относится к лопатке турбинной машины для осуществления способа, а также к пьезоэлектрическому демпфирующему элементу для установки в такой лопатке турбинной машины.
При работе турбин (или компрессоров) могут создаваться несинхронные и синхронные вибрации лопаток за счет аэродинамических (например, флаттер) или механических (например, за счет трения лопаток о корпус) эффектов. Резонансы в лопатках могут приводить к проблемам вибрационного растрескивания (многоцикловой усталости HCF), которое представляет критичный вид отказов турбинных и компрессорных лопаток.
Для защиты лопаток турбинной машины от таких неисправностей многоцикловой усталости перо лопатки соединяют с интегральными элементами лопаточного бандажа или крылышками, которые повышают жесткость лопаточной системы турбинной ступени и демпфируют, соответственно, подавляют вибрации за счет трения между соседними лопатками. Такие системы известны, например, из публикации ЕР 0214393 А1 или публикации US 3752599.
Когда концепция турбины требует свободно стоящих лопаток, то создающие трение приспособления могут быть расположены на лопатках под платформами или между лопатками в виде штифтов трения или же расположены внутри лопаток. Такие решения известны, например, из публикаций ЕР 1538304 А2 или US 4460314 или US 6979180 В2.
Однако действие демпфирования таких создающих трение приспособлений и создающих трение связей зависит от оптимальной нормальной силы и жесткости контакта связи, которые должны быть подходящим образом согласованы с представляющей интерес (подлежащей демпфированию) резонансной частотой. Другими словами, демпфирование трением можно эффективно использовать лишь для одной определенной частоты вибрации лопатки, в то время как другие частоты демпфируются недостаточно или вообще не демпфируются.
Демпферы трением сильно зависят от амплитуды, и любое изменение жесткости и участвующей системы масс в результате износа или других процессов изменения в системе приводит к изменению резонансных частот, которые уменьшают эффективность демпфирования трением.
Однако было уже предложено (смотри, например, ЕР 0727564 А1) демпфировать вибрации турбинных лопаток тем, что за счет взаимодействия постоянных магнитов с лопатками создаются вихревые токи, которые преобразуются в потери тепла. Однако область использования таких решений узко ограничена, поскольку взаимодействие ограничивается зоной между вершиной лопатки и противоположной стенкой корпуса. Таким образом, возникающие внутри лопатки вибрации не могут эффективно демпфироваться.
Кроме того, известна (смотри, например, JP 2003138904) установка в лопатках для активного управления связью трением между соседними турбинными лопатками пьезоэлектрических элементов, с помощью которых можно оптимировать и юстировать контакт трения во время работы. Для свободностоящих лопаток это решение непригодно. Однако такие пьезоэлектрические элементы можно также устанавливать для измерения и контролирования контактного давления таких связей трением (JP 2003138910).
Также известна система демпфирования механических колебаний, раскрытая в RU 2222701 С2. Однако в данном решении имеет демпфирующая система расположена снаружи на лопатке, что усложняет ее обработку, ухудшает ее аэродинамические свойства, а также приводит к негативным воздействиям внешней среды на демпфирующую систему, что также ограничивает или усложняет возможность ее широко применения.
В целом, основанные на трении системы демпфирования являются сложными по конструкции и в использовании и с трудом поддаются настройке по частоте, в то время как основанный на создании вихревых токов принцип обеспечивает возможность лишь сильно ограниченного использования.
Поэтому задачей изобретения является создание способа указанного в начале вида, который исключает недостатки известных способов, в частности исключает негативное влияние на аэродинамику лопатки и негативное воздействие внешней среды на демпфирующий элемент, и отличается возможностью простого и широкого применения.
Другой задачей изобретения является создание лопатки турбинной машины для осуществления этого способа.
Указанная задача решается способом демпфирования, соответственно, подавления возникающих во время работы механических колебаний в лопатке турбинной машины, в котором механическую колебательную энергию лопатки турбинной машины сначала преобразуют в электрическую энергию, а затем созданную электрическую энергию преобразуют в тепло потерь, причем для преобразования механической колебательной энергии в электрическую энергию используют пьезоэлектрический эффект, и при этом в подлежащую демпфированию лопатку турбинной машины жестко устанавливают, по меньшей мере, один пьезоэлектрический демпфирующий элемент, который деформируется за счет механических колебаний лопатки турбинной машины и создает электрическое напряжение, и причем с помощью созданного электрического напряжения создают в подключенной электрической цепи омическое тепло потерь, причем для установки пьезоэлектрического демпфирующего элемента внутри лопатки турбинной машины создают полое пространство, и что пьезоэлектрический демпфирующий элемент устанавливают в полое пространство и там жестко соединяют с лопаткой турбинной машины за счет замыкания по материалу или механического зажимания.
Указанная задача в части лопатки турбинной машины решается с помощью лопатки, посредством которой реализуется указанный выше способ и в которой жестко установлен, по меньшей мере, один пьезоэлектрический демпфирующий элемент, причем внутри лопатки турбинной машины образовано полое пространство, в котором расположен, по меньшей мере, один пьезоэлектрический демпфирующий элемент.
В способе, согласно изобретению, оказания влияния, в частности, демпфирования, соответственно, подавления возникающих во время работы механических колебаний в лопатке турбинной машины, механическую энергию колебаний лопатки турбинной машины сначала преобразуют в электрическую энергию, а затем созданную электрическую энергию преобразуют в тепло потерь. Способ, согласно изобретению, характеризуется тем, что для преобразования механической энергии колебаний в электрическую энергию применяют пьезоэлектрический эффект.
При этом для преобразования механической энергии колебаний в электрическую энергию, по меньшей мере, один пьезоэлектрический демпфирующий элемент жестко встраивают в подлежащую демпфированию лопатку турбинной машины, который деформируется за счет механических колебаний лопатки турбинной машины и создает электрическое напряжение, и с помощью созданного электрического напряжения создает в подключенной электрической цепи омическое тепло потерь.
Указанное встраивание пьезоэлектрического демпфирующего элемента внутрь лопатке турбинной машины обеспечивается посредством создания полого пространства внутри лопатки, в которое пьезоэлектрический демпфирующий элемент устанавливают и там жестко соединяют с лопаткой турбинной машины, в частности, за счет замыкания по материалу или механического зажимания.
В частности, электрическая цепь содержит в качестве шунта последовательную схему из индуктивности и активного (т.е. омического) сопротивления, при этом пьезоэлектрический демпфирующий элемент содержит в виде емкости расположенное между электродами пьезоэлектрическое тело, и резонансная частота полученного колебательного контура настроена на подлежащее демпфированию механическое колебание лопатки турбинной машины.
Кроме того, предпочтительно, когда электрические колебания в пьезоэлектрическом демпфирующем элементе измеряют и оценивают для определения и контролирования механических колебаний в лопатке турбинной машины.
Лопатка турбинной машины для выполнения способа, согласно изобретению, характеризуется тем, что в лопатке турбинной машины жестко установлен, по меньшей мере, один пьезоэлектрический демпфирующий элемент.
Один вариант выполнения лопатки турбинной машины, согласно изобретению, характеризуется тем, что, по меньшей мере, один пьезоэлектрический демпфирующий элемент выполнен в виде пьезоэлектрического элемента, который электрически демпфируется с помощью соединенного с электрической цепью, в частности, с помощью содержащего активное сопротивление шунта.
В частности, электрическая цепь, соответственно, шунт содержит последовательную схему из активного сопротивления и индуктивности.
При этом электрическая цепь, соответственно, шунт может предпочтительно содержать катушку.
Согласно другому варианту выполнения, пьезоэлектрический элемент содержит пакет из пьезоэлектрических тел и электродов.
Другой вариант выполнения лопатки турбинной машины, согласно изобретению, характеризуется тем, что в лопатке турбинной машины образовано полое пространство, в котором расположен, по меньшей мере, один пьезоэлектрический демпфирующий элемент.
В частности, по меньшей мере, один пьезоэлектрический демпфирующий элемент окружен собственным корпусом, который составлен из верхнего и нижнего частичного корпуса.
Согласно другому варианту выполнения изобретения, по меньшей мере, один пьезоэлектрический демпфирующий элемент неподвижно соединен с лопаткой турбинной машины, в частности, посредством замыкания по материалу или механического зажимания.
Другой вариант выполнения характеризуется тем, что с распределением по лопатке турбинной машины в лопатке турбинной машины расположено несколько пьезоэлектрических демпфирующих элементов.
Еще один вариант выполнения характеризуется тем, что по меньшей мере один пьезоэлектрический демпфирующий элемент соединен без проводов с измерительным устройством для приема и оценки возникающих в пьезоэлектрическом демпфирующем элементе сигналов.
Пьезоэлектрический демпфирующий элемент, согласно изобретению, для установки в лопатке турбинной машины, согласно изобретению, характеризуется тем, что пьезоэлектрический демпфирующий элемент выполнен в виде пьезоэлектрического элемента, который соединен с электрической цепью, в частности, электрически демпфируется с помощью содержащего активное сопротивление шунта.
Один вариант выполнения пьезоэлектрического демпфирующего элемента характеризуется тем, что пьезоэлектрический элемент содержит пакет из пьезоэлектрических тел и электродов.
Другой вариант выполнения характеризуется тем, что электрическая цепь, соответственно, шунт содержит последовательную схему из активного сопротивления и индуктивности.
В частности, электрическая цепь, соответственно, шунт содержит катушку, которая может иметь любую форму.
Согласно другому варианту выполнения, пьезоэлектрический демпфирующий элемент окружен корпусом, который предпочтительно составлен из верхнего и нижнего частичного корпуса.
Наконец, в электрической цепи может быть предусмотрено изменяемое во времени сопротивление.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основании примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - пример лопатки турбинной машины с расположенным внутри пьезоэлектрическим демпфирующим элементом, согласно одному примеру выполнения изобретения, в изометрической проекции;
фиг.2 - схема замещения встроенного пьезоэлектрического элемента с шунтом, с одной механической степенью свободы;
фиг.3 - разрез примера выполнения пьезоэлектрического демпфирующего элемента, согласно изобретению;
фиг.4 - пример установки пьезоэлектрического демпфирующего элемента, согласно фиг.3, в турбинной лопатке;
фиг.5 - пьезоэлектрический демпфирующий элемент, согласно фиг.3, включая катушку в шунте, который расположен в состоящем из двух частей корпусе, в изометрической проекции;
фиг.6 - пример установки элемента из фиг.5 в турбинной лопатке подобно фиг.4;
фиг.7а-с - различные стадии при установке пьезоэлектрического демпфирующего элемента в турбинной лопатке, согласно одному примеру выполнения изобретения; и
фиг.8 - принципиальная система для передачи и оценки сигналов из встроенных в турбинную лопатку пьезоэлектрических демпфирующих элементов.
Данное изобретение основывается в основном на пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект заключается в способности материала образовывать электрический заряд при нагрузке его внешними силами, т.е. в конечном итоге способности преобразовывать механическую энергию в электрическую энергию. Если места, в которых возникает созданное напряжение, соединены с электрической цепью, содержащей активное сопротивление, то часть созданной электрической энергии можно преобразовывать в тепло потерь. Для того чтобы не вводить снаружи энергию во вращающиеся лопатки турбинной машины, соответственно, турбинные лопатки, электрическая цепь, которая образует шунт, должна быть выполнена пассивной. Особенно эффективная относительно демпфирования пассивная цепь состоит из индуктивности L, включенной последовательно с электрическим сопротивлением R (смотри шунт 21 на фиг.2). Такой шунт часто называется «LR-шунт» и может в целом содержать самые различные комбинации индуктивностей L и сопротивлений R в последовательном и/или параллельном включении (типа «self powered synchronized switch damping on inductor» (SSDI)) и т.п. Однако можно также использовать активные решения с отрицательной емкостью или предусматривать в целом изменяемое во времени сопротивление в цепи.
р
На фиг.2 показана схема 17 замещения установленного с одной механической степенью свободы (перпендикулярно опорной поверхности) пьезоэлектрического демпфирующего элемента SPE с шунтом 21. Пьезоэлектрический демпфирующий элемент SPE лежит между базовой плоскостью 18 и массой 20 величины m, которая пружинно соединена с базовой плоскостью 18 (пружина 19 с модулем упругости с). Снабженный электродами на противоположных поверхностях пьезоэлектрический элемент (серый прямоугольник на фиг.2) можно рассматривать в качестве емкости величины С, которая лежит параллельно внутреннему источнику I напряжения и на которой при приложении снаружи механической нагрузки лежит напряжение v. Если пьезоэлектрический элемент снабдить шунтом 21 с последовательной схемой из сопротивления R и индуктивности L (смотри катушку 27 на фиг.5), то образуется колебательный контур, который действует в качестве настроенного по частоте демпфера колебаний. Аналогично настроенному демпферу колебаний, колебательный контур должен быть настроен на колебания системы 18, 19, 20 с целью обеспечения демпфирования. Однако колебательный контур может также по типу демпфера оказывать обратное влияние на лопатку и ее колебания и выполнять колебания с собственной частотой, которая в этом случае больше или меньше демпфируется.
р
При установке, как показано на фиг.1, таких пьезоэлектрических демпфирующих элементов SPE1, SPE2 внутри турбинной лопатки 10, которая содержит в показанном примере хвостовик 11 лопатки, платформу 12, перо 13 лопатки и переднюю кромку 14 и заднюю кромку 15 и вершину 16 лопатки и которая вибрирует обозначенным двойными стрелками образом, вибрации турбинной лопатки 10 создают деформации в пьезоэлектрическом элементе, которые заряжают емкость С пьезоэлектрического демпфирующего элемента SPE с помощью соответствующего напряжения. Затем шунт 21 преобразует энергию колебаний лопатки в зависимости от заданных заранее параметров и от положения демпфирующего элемента на вибрирующей лопатке в энергию потерь.
Преимущество такого пьезоэлектрического демпфирующего элемента SPE состоит в том, что демпфирование не зависит от нормальной силы и жесткости механического контакта, которые играют существенную роль при демпфировании трением. Кроме того, действие демпфирования может быть установлено в этой системе для большей, чем одной резонансной частоты лопатки, например, посредством предусмотрения нескольких LR-шунтов с соответствующими различными параметрами. Однако несколько пьезоэлектрических демпфирующих элементов могут быть также соединены друг с другом общей электрической цепью.
По сравнению с обычными демпферами трения пьезоэлектрический демпфирующий элемент имеет дополнительное преимущество, состоящее в том, что его действие не зависит от сдвигов фаз и величины амплитуд колебаний соседних лопаток при резонансной частоте. Можно также демпфирующее действие пьезоэлектрического демпфирующего элемента легко настраивать на другую резонансную частоту посредством изменения лишь электрической схемы. Так, например, при соответствующем доступе к внутреннему пространству лопатки можно изменять параметры шунта 21 с помощью лазерного луча (например, посредством изменения геометрии полосы сопротивления) или т.п.
Кроме того, по сравнению с обычными демпферами трения техническое преимущество состоит в том, что за счет использования предлагаемого демпфера резонансная частота неискаженной лопатки меньше сдвигается к другому значению, что является важным критерием конструкции турбины. В пьезоэлектрическом демпфере отпадают также проблемы привода, которые необходимо учитывать при демпфировании трением.
Пьезоэлектрический демпфирующий элемент, согласно изобретению, можно использовать, например, в турбинных и компрессорных лопатках паровых, газовых и ветряных машин. Пьезоэлектрический демпфирующий элемент предпочтительно устанавливается в полое пространство в лопатке или в соответствующем носителе лопаток. При этом форму и место расположения полого пространства можно выбирать максимально оптимально.
Пример выполнения пьезоэлектрического демпфирующего элемента, согласно изобретению, показан в разрезе на фиг.3. Пьезоэлектрический демпфирующий элемент SPE на фиг.3 выполнен в виде пакета из двух плоских, дискообразных пьезоэлектрических тел 22 и 23 из подходящего для создания пьезоэлектрического эффекта и пригодного для рабочей температуры турбины материала, которые расположены в пакете попеременно с контактными элементами, соответственно, электродами 24. Выбор материала и технологии соединения для элементов 22-24 в принципе известен для специалистов в данной области техники.
Пьезоэлектрический демпфирующий элемент SPE, согласно фиг.3, может быть непосредственно установлен, как показано на фиг.4, в предусмотренном для этого полом пространстве 25 внутри лопатки 26, соответственно, собран там. Противоположные наружные стороны пьезоэлектрического демпфирующего элемента SPE неподвижно соединены с внутренними стенками полого пространства 25. Это можно осуществлять различным образом, как, например, посредством склеивания, пайки или механического зажима на основании трения или теплового расширения. После установки элемента полое пространство можно защищать крышкой, которая соединяется, например, с помощью пайки или сварки с краем полого пространства 25. После закрывания можно подвергать поверхность системы обработке, с целью выполнения аэродинамических требований к лопатке. Однако можно также заполнять или заливать полое пространство 25 с встроенным пьезоэлектрическим демпфирующим элементом SPE материалом, который затвердевает, например, под воздействием тепла, и образует жесткий блок с элементом и лопаткой.
Однако наряду с непосредственной установкой пьезоэлектрического демпфирующего элемента SPE в полое пространство 25 в лопатке 26, как показано на фиг.4, можно также вводить пьезоэлектрический демпфирующий элемент SPE, как показано на фиг.5, сначала между верхним частичным корпусом 28а и нижним частичным корпусом 28b, которые состоят из металла или другого подходящего для цели применения материала и образуют совместно корпус 28. Как показано на фиг.6, пьезоэлектрический демпфирующий элемент SPE вместе с его корпусом 28 можно устанавливать в полое пространство 25 в лопатке 26. За счет подходящего выбора материала можно при необходимости использовать другие технологии соединения между корпусом 28 и лопаткой 26, чем при непосредственной установке пьезоэлектрического демпфирующего элемента SPE без корпуса.
Наружный контур корпуса 28 можно точно согласовывать с наружным профилем турбинной лопатки, так что в этом случае отпадает необходимость в дополнительной обработке. Такой согласованный контур можно выполнять, например, посредством избирательного оплавления лазером (Selective Laser Melting SLM) в соответствии с трехмерным ощупыванием геометрии соответствующей турбинной лопатки. Возможно также использование других технологий быстрого изготовления.
Другая возможность состоит, как показано на фиг.7, в вырезании из турбинной лопатки 29 в месте установки выреза 30 (смотри фиг.7а), разделения затем этого выреза 30 на верхнюю часть 30а и нижнюю часть 30b (смотри фиг.7b), выполнения в обеих частях 30а, b выемки 31, соответственно, 32 и применения затем обеих частей в качестве частичного корпуса (как показано на фиг.5 и 6) для пьезоэлектрического демпфирующего элемента SPE. Затем система из пьезоэлектрического демпфирующего элемента SPE и корпуса 30а, b снова устанавливается в лопатку 29 (смотри фиг.7с).
В данном случае можно снова использовать различные технологии неподвижного соединения между корпусом 30а, b с расположенным в нем пьезоэлектрическим демпфирующим элементом SPE и турбинной лопаткой. Например, можно использовать процесс пайки твердым припоем. В этом процессе припой нагревают до температуры плавления выше 450°С, так что он затем распределяется между корпусом 30а, b и турбинной лопаткой 29. При этом важным является то, что пьезоэлектрический демпфирующий элемент не нагревается выше своей температуры Кюри, поскольку иначе он потеряет свои пьезоэлектрические свойства.
Положение пьезоэлектрического демпфирующего элемента SPE задается с учетом возможно более сильного демпфирования соответствующих колебаний турбинной лопатки, при этом важно, чтобы в целом не уменьшался срок службы лопатки. В частности, как показано на фиг.1, несколько пьезоэлектрических демпфирующих элементов SPE1, SPE2 могут быть расположены в различных местах турбинной лопатки 10, когда там возникают соответствующие расширения.
На практике все лопатки турбинной ступени (роторного диска) могут быть снабжены пьезоэлектрическими демпфирующими элементами SPE. Однако возможно также снабжение лишь избранных лопаток, соответственно, перьев лопаток турбинной ступени такими элементами. При этом выбор можно осуществлять на основе заданной определенной модели расстройки или измеренной модели расстройки в имеющейся турбинной ступени. Если желательно, то пьезоэлектрические демпфирующие элементы, которые расположены на различных турбинных лопатках одной турбинной ступени, можно соединять друг с другом в одну (электрическую) цепь, с целью усиления и оптимизации демпфирующего эффекта в турбинной ступени.
Допустимая рабочая температура и другие значения нагрузки определяются, соответственно, ограничиваются выбором пьезоэлектрического материала и технологии соединения. Имеются пьезоэлектрические материалы с высокой температурой Кюри. Для использования в турбомашинах можно выбирать, например, титанат бария, который имеет высокую рабочую температуру примерно 500°С. Однако титанат бария имеет, к сожалению, относительно небольшой пьезоэлектрический модуль и низкую проницаемость. Поэтому титанат бария является предпочтительным до температуры 350°С. Материалы типа PZT (цирконат - титанат свинца) имеют наибольший пьезоэлектрический модуль, однако применимы лишь при температурах до 180°С.
Кроме того, можно использовать предлагаемые пьезоэлектрические демпфирующие элементы также вместе с обычными демпферами трения, с целью оптимизации общего демпфирования в лопатке.
Кроме того, как показано на фиг.8, можно использовать пьезоэлектрические демпфирующие элементы SPE одновременно в качестве датчиков для измерения колебаний лопатки. Измеренные сигналы можно без проводов (телеметрически) передавать с вращающейся турбины в стационарное измерительное устройство 34, которое снабжено (приемной) антенной 35, приемником 36 сигналов и оценочным блоком 37. Полученные данные можно использовать для контролирования турбины, в частности, ее характеристик колебания. При этом обе функции демпфирования и измерения вибраций можно выполнять в системе одновременно.
Указанное выше применение пьезоэлектрических демпфирующих элементов SPE может быть расширено на различные компоненты газовых турбин, паровых турбин и компрессоров в авиации, судоходстве, промышленности и в больших двигателях, если рабочая температура не превышает температуру Кюри применяемого пьезоэлектрического материала.
Перечень позиций
10 Турбинная лопатка
11 Хвостовик лопатки
12 Платформа
13 Перо лопатки
14 Передняя кромка
15 Задняя кромка
16 Вершина лопатки
17 Схема замещения
18 Базовая плоскость
19 Пружина
20 Масса
21 Шунт
22, 23 Пьезоэлектрическое тело
24 Контактный элемент (электрод)
25 Полое пространство
26, 29 Турбинная лопатка
27 Катушка (индуктивность)
28 Корпус
28а, b Частичный корпус
30 Вырез
30а Верхняя часть
30b Нижняя часть
31, 32 Выемка
34 Измерительное устройство
35 Антенна
36 Приемник сигналов
37 Оценочный блок
SPE Пьезоэлектрический демпфирующий элемент
SPE1, 2 Пьезоэлектрический демпфирующий элемент.