Способ снижения вибронапряжений в рабочих лопатках турбомашины
METHOD FOR REDUCING VIBRATORY STRESSES IN WORKING BLADES OF TURBOMACHINE

Изобретение предназначено для использования в турбомашиностроении и может найти широкое применение для снижения вибронапряжений, в лопатках рабочих колес турбомашин в области авиационного, судового и наземного газотурбинного машиностроения.
В качестве наиболее близкого аналога выбран способ снижения вибронапряжений в рабочих лопатках турбомашины (патент на изобретение RU 2598985, 10.10.2016).
В известном способе снижение вибронапряжений достигают путем изменения окружной неравномерности потока газа на резонансных режимах за счет изменения распределения топлива по форсункам. Окружную неравномерность потока газа изменяют путем прекращения подачи топлива, по меньшей мере, в одну из форсунок.
Недостатками известного способа является необходимость при снижении вибронапряжений лопаток рабочих колес на резонансных режимах в процессе работы турбомашины определенным образом управлять подачей топлива в камеру сгорания, приводящей к возникновению окружной неравномерности температурного поля перед турбиной, приводящей к понижению ресурса и надежности лопаток рабочих колес турбины, снижению ее КПД по причине увеличения зазоров между рабочими лопатками и статором, в связи с неравномерным нагревом статора. В тоже время данное мероприятие никаким образом не влияет на снижение вибраций лопаток рабочих колес, расположенных до камеры сгорания со стороны входа в турбомашину, а также усложняет процесс и систему управления турбомашиной.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного способа, является устранение недостатков известного способа, а именно, возможность снижения вибронапряжений лопаток всех рабочих колес турбомашины, в том числе и моноколес, без искусственного внесения дополнительной окружной неравномерности в температурное поле и без усложнения системы управления турбомашиной, что, как следствие, снижает общий уровень вибраций, повышает надежность и ресурс турбомашины в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе проводят тензометрирование лопаток отдельного рабочего колеса турбомашины, определяют наиболее опасную резонансную частоту колебаний лопаток, расчетно исследуют влияние изменения геометрии лопатки рабочего колеса на опасную резонансную частоту, и, в зависимости от условий эксплуатации определяют возможные изменения геометрии лопатки, расчетно исследуют влияние такого изменения геометрии лопатки на прочностные и жесткостные свойства лопатки, выбирают оптимальное изменение, которое в меньшей степени оказывает влияние на снижение ресурса лопатки, которое закладывают в технологию производства двух типов лопаток, локально отличающихся по геометрии на размах допуска на изготовление номинальной лопатки одна в большую сторону, а вторая в меньшую сторону, или два типа лопаток - номинальной формы и локально отличающиеся по геометрии на размах допуска на изготовление номинальной лопатки в большую или в меньшую сторону, затем для рабочего колеса с четным количеством лопаток изготавливают лопатки рабочего колеса двух типов поровну и размещают их на рабочем колесе через одну, а для рабочего колеса с нечетным количеством лопаток изготавливают два комплекта лопаток разного типа с нечетным количеством лопаток в любом из комплектов и размещают их на рабочем колесе через одну с расположением в любом одном месте рабочего колеса двух лопаток нечетного комплекта подряд.
Кроме того, тензометрирование лопаток отдельного рабочего колеса проводят в составе турбомашины.
Общеизвестно, что элементы турбомашины в работе испытывают значительные вибрационные нагрузки, а основным возбудителем вибраций в турбомашинах являются ротора, в частности, лопатки рабочих колес. Снижение вибрации в лопатках рабочих колес приводит не только к повышению ресурса и надежности самих лопаток, но и к снижению влияния их колебаний на неподвижные элементы конструкции, такие как статорные лопатки, обечайки над лопатками рабочих колес и элементы конструкции на них расположенные, так как лопатки рабочих колес создают пульсации с частотой следования лопаток мимо неподвижных элементов конструкции. При этом, чем больше вибрации лопаток, тем больше и пульсации и соответствующее воздействие на другие элементы конструкции. Поэтому снижение вибраций лопаток рабочих колес приводит к снижению общего уровня вибраций турбомашины в целом и является одной из приоритетных задач при проектировании, доводке и сопровождении эксплуатации турбомашины. Этого обычно добиваются за счет внесения изменений в конструкцию лопаток или элементов конструкции, подверженных воздействию вибрации при работе турбомашины. Доводка лопаток рабочих колес и других элементов конструкции турбомашины приводит к многократным изменениям их геометрии с последующими дорогостоящими испытаниями. Заявленный способ позволяет закладывать снижение вибрации лопаток рабочих колес на стадии изготовления лопаток рабочих колес, в том числе и моноколес.
При экспериментальной доводке турбомашины, а именно при тензометрировании лопаток рабочих колес, было замечено, что уровни вибронапряжений в лопатках рабочего колеса разных опытных образцов данной турбомашины при идентичности их конструкции могут значительно отличаться. В частности, при повторном тензометрировании на другом опытном образце лопаток первой ступени компрессора низкого давления были получены значения вибронапряжений, отличающиеся в 2-3 раза от предыдущего тензометрирования. При исследовании данного вопроса выяснилось, что уровни замеренных вибраций по штатным вибродатчикам показывают такую же тенденцию, то есть общие уровни вибрации были ниже на опытных образцах, где были ниже уровни вибронапряжений лопаток рабочих колес. С целью определения причины различия динамических характеристик идентичных рабочих колес были получены семь первых частот собственных колебаний каждой лопатки из двух комплектов данных опытных образцов на вибростенде. Для каждого комплекта были построены графики нормального распределения значений каждой собственной частоты. Пример таких графиков для пятой собственной частоты лопаток двух исследуемых комплектов представлен на фиг. 1. Различие этих графиков в большей или меньшей степени было выявлено и для других собственных частот. А также и для других рабочих колес турбомашины. Притом, чем шире был график нормального распределения, то есть чем больше отличались друг от друга значения собственных частот лопаток одного рабочего колеса, особенно для более опасных частот, выявленных при тензометрировании на опытном образце, тем меньше были уровни общей вибрации на турбомашине. По данным экспериментальным исследованиям был разработан заявленный способ снижения общего уровня вибраций турбомашины за счет искусственного внедрения в конструкцию лопаток рабочего колеса незначительных конструктивных изменений в пределах размаха допуска на изготовление, максимально возможно влияющих на изменение значения опасной собственной частоты лопатки, то есть производство рабочего колеса с лопатками двух типов и расположенных на нем определенным образом.
Заявленный способ возможно применять как для одного рабочего колеса, так и для их части вплоть до всех рабочих колес турбомашины. Решения по внедрению данного способа в серийное производство, и для каких рабочих колес его применять, принимается на стадии опытной доводки турбомашины.
Пример реализации заявленного способа.
Во время опытной доводки турбомашины определяют наиболее опасные собственные частоты лопаток рабочих колес исходной конструкции, то есть тех лопаток, динамические свойства которых будут исследоваться при помощи тензометрирования. Выбирают для каждого рабочего колеса свою наиболее опасную резонансную собственную частоту колебаний лопаток по анализу результатов их тензометрирования в составе турбомашины, в частности, авиационного газотурбинного двигателя. При помощи расчетных методов, например, метода конечных элементов, исследуют влияние на изменение значения опасной собственной частоты лопатки различных изменений ее геометрии, например, увеличение радиуса скругления перехода пера лопатки к полке или изменение толщины пера лопатки в области его периферии. В зависимости от условий работы лопатки в эксплуатации определяют возможные изменения геометрии лопатки из определенных расчетом на основании их влияния на прочностные и жесткостные свойства лопатки. Выбирают оптимальное изменение геометрии, которое в меньшей степени оказывает влияние на снижение ресурса лопатки и оказывает большее влияние на изменение значения опасной собственной частоты. Оптимальное изменение геометрии закладывают в технологию производства и изготавливают два типа лопаток, локально отличающихся по геометрии, в частности, на размах допуска на изготовление номинальной лопатки. То есть один тип лопаток будет изготовлен таким образом, чтобы его номинальный размер выбранного оптимального изменения геометрии отличался от номинального размера исходной конструкции лопатки в минус на половину размаха допуска на его производство, а для второго типа лопаток - в плюс. При этом для двух типов новых лопаток сохраняются допуска на изготовления такие же, как и для исходной конструкции лопатки. Затем для рабочего колеса, например, с четным количеством лопаток изготавливают лопатки рабочего колеса двух типов поровну и размещают их на рабочем колесе через одну.
Такой способ изменения конструкции лопаток рабочего колеса обеспечивает гарантированно более широкое нормальное распределение значений опасной собственной частоты лопаток в каждом комплекте, чем снижает вибрацию лопаток рабочего колеса, что снижает общий уровень вибраций, повышает надежность и ресурс турбомашины в целом.