СПОСОБ КОМПЛЕКТОВАНИЯ ЛОПАТОК РАБОЧЕГО КОЛЕСА ТУРБОМАШИНЫ
METHOD OF FORMING A SET OF TURBO MACHINE IMPELLER BLADES

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при комплектовании лопаток рабочих колес турбомашин.
При комплектовании лопаток, как правило, используют способы, в которых расстановку осуществляют по значениям весовых характеристик (масса, статический момент) лопаток. Такие способы обеспечивают уровень дисбаланса в соответствии с требованиями конструкторской документации.
Известен способ комплектования лопаток рабочего колеса турбомашины, при котором измеряют статический момент (весовую характеристику) каждой лопатки множества, отбирают лопатки в комплект, предназначенный для оснащения рабочего колеса, и расставляют лопатки в пазы диска по выбранной схеме (авторское свидетельство СССР №391430, G01M 1/12, опубл. 25.07.1973). Расставляют лопатки по значениям статического момента.
Известен способ комплектования лопаток рабочего колеса турбомашины, при котором измеряют массу (весовую характеристику) каждой лопатки множества, отбирают лопатки в комплект, предназначенный для оснащения рабочего колеса, и расставляют лопатки в пазы диска по выбранной схеме (ОСТ 1.41672-77. Статическая балансировка колес роторов ГТД путем распределения лопаток в дисках. Метод анализа, введен 01.07.1978). Расставляют лопатки по значениям масс.
Известен способ комплектования лопаток рабочего колеса турбомашины, при котором измеряют массу или статический момент (весовые характеристики) каждой лопатки множества, отбирают лопатки в комплект, предназначенный для оснащения рабочего колеса, и расставляют лопатки в пазы диска по выбранной схеме (А.А. Гусаров. Балансировка роторов машин: В 2 кн. М.: Наука, 2004, кн. 1, С. 114-117). Расставляют лопатки по значениям масс или статических моментов.
В известных способах комплектования лопаток рабочего колеса турбомашины в комплект лопатки отбирают и расставляют по значениям их весовых характеристик (величин статических моментов или масс) из условия получения минимального дисбаланса с целью обеспечения низкого уровня вибраций при последующей работе турбомашины, что определяет их широкую промышленную применимость. Однако при этом не учитываются частотные характеристики лопаток по наиболее опасным формам колебаний, что может привести к возникновению автоколебаний рабочего колеса турбомашины.
В данных способах не реализованы мероприятия по повышению устойчивости к возникновению автоколебаний рабочего колеса турбомашины при расстановке отобранных лопаток.
Известен способ комплектования лопаток рабочего колеса турбомашины, при котором определяют частоту собственных колебаний основного тона каждой лопатки множества, отбирают лопатки в комплект, предназначенный для оснащения рабочего колеса, и расставляют лопатки в пазы диска по выбранной схеме (патент US №4097192, F01D 5/10, опубл. 27.06.1978).
Наиболее близким является способ комплектования лопаток рабочего колеса турбомашины, при котором определяют частоту собственных колебаний основного тона каждой лопатки множества, отбирают лопатки в комплект, предназначенный для оснащения рабочего колеса, и расставляют лопатки в пазы диска по выбранной схеме (авторское свидетельство СССР №1167461, МПК G01M 1/12, опубл. 15.07.85).
В указанных способах расстановку выполняют по значениям частоты собственных колебаний основного тона (по первой изгибной форме). Однако колебания по данной форме, хотя и достаточно часто, но не всегда являются наиболее опасными с точки зрения возникновения автоколебаний.
Данные способы не могут найти промышленного применения, т.к. не обеспечивают при расстановке лопаток отобранного комплекта снижения дисбаланса рабочего колеса до значений, указанных в конструкторской документации, что может привести к массовой неуравновешенности рабочего колеса турбомашины, а следовательно, к высокому уровню вибраций с частотой вращения рабочего колеса при ее работе. Данные способы позволяют снизить уровни вибрационных напряжений в лопатках, но это не исключает возможности возникновения автоколебаний, т.к. в них не предусмотрено эффективных мероприятий по повышению устойчивости.
Задачей изобретения является создание способа комплектования лопаток рабочего колеса турбомашины, при котором лопатки отбирают в комплект по значениям комплексного критерия, учитывающего как их весовые, так и частотные характеристики по наиболее опасной форме колебаний, и расставляют их по пазам диска по значениям комплексного критерия.
Техническим результатом является повышение устойчивости рабочего колеса турбомашины к автоколебаниям при обеспечении уровня дисбаланса рабочего колеса в соответствии с требованиями конструкторской документации.
Технический результат достигается тем, что в способе комплектования лопаток рабочего колеса турбомашины, при котором определяют частоту собственных колебаний каждой лопатки множества, отбирают лопатки в комплект, предназначенный для оснащения рабочего колеса, и расставляют лопатки в пазы диска по выбранной схеме в отличие от известного, для каждой лопатки множества определяют частоту собственных колебаний по наиболее опасной форме и измеряют весовую характеристику, определяют комплексный критерий, учитывающий весовые характеристики и частоты собственных колебаний лопаток по наиболее опасной форме, в комплект отбирают лопатки, отклонение значений комплексного критерия которых от его среднего значения не превышает установленной величины, выбирают схему расстановки, при которой разброс значений комплексного критерия рядом стоящих лопаток наиболее близок к его среднему значению, и расставляют лопатки по пазам диска по значениям комплексного критерия.
Комплексный критерий, учитывающий весовые характеристики и частоты собственных колебаний лопаток по наиболее опасной форме, может быть определен как произведение весовой характеристики лопатки на квадрат отношения частоты собственных колебаний к ее среднему значению.
В качестве весовой характеристики используют массу лопатки или статический момент лопатки или суммарный статический момент лопатки.
На фиг. 1 показана схема расстановки лопаток рабочего колеса турбомашины с использованием предлагаемого способа, когда в качестве весовой характеристики использована масса лопатки, на фиг. 2 показана схема расстановки лопаток рабочего колеса турбомашины с использованием предлагаемого способа, когда в качестве весовой характеристики использован радиальный статический момент, на фиг. 3 показана схема расстановки лопаток рабочего колеса турбомашины с использованием предлагаемого способа, когда в качестве весовой характеристики использован суммарный статический момент лопаток, определенный по измеренным радиальному и тангенциальному статическим моментам.
Способ комплектования рабочего колеса турбомашины осуществляют следующим образом.
Для лопаток множества определяют наиболее опасную форму колебаний. Обычно наиболее опасной формой бывает первая изгибная, но может быть и другая, например, первая крутильная или вторая изгибная формы колебаний. Экспериментальным или расчетным путем определяют частоту собственных колебаний по наиболее опасной форме для каждой лопатки множества (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1981 С. 265-274). Определяют среднее значение частоты собственных колебаний лопаток по наиболее опасной форме.
Измеряют весовую характеристику каждой лопатки множества. В качестве весовой характеристики можно использовать массу лопатки. В качестве весовой характеристики можно использовать статический момент лопатки (А.А. Гусаров. Балансировка роторов машин: В 2 кн. М.: Наука, 2004, кн. 1, С. 117). В качестве весовой характеристики можно использовать суммарный статический момент, определяемый по измеренным радиальному, и/или тангенциальному, и/или осевому статическим моментам.
Определяют комплексный критерий k, учитывающий весовые характеристики и частоты собственных колебаний лопаток по наиболее опасной форме. Комплексный критерий к может быть определен по формуле:
где BXi - весовая характеристика i-ой лопатки;
i
f - частота собственных колебаний i-ой лопатки по наиболее опасной форме, Гц;
cp
f - среднее значение частот собственных колебаний лопаток по наиболее опасной форме, Гц;
i=1÷n, номер лопатки, где n - количество лопаток.
cp
cp
Определяют среднее значение комплексного критерия лопаток множества k. Определяют отклонение комплексного критерия каждой лопатки множества от его среднего значения. Устанавливают значение допустимого отклонения ∆k. В комплект, предназначенный для оснащения рабочего колеса, отбирают лопатки, имеющие значение комплексного критерия в пределах k±∆k, т.е. отклонение значений комплексного критерия которых от его среднего значения не превышает установленного значения, т.е. отбирают в комплект лопатки, значение комплексного критерия которых близко к его среднему значению.
Выбирают схему расстановки, при которой разброс значений комплексного критерия рядом стоящих лопаток наиболее близок к его среднему значению, т.е. подряд не должны стоять лопатки с наибольшими или наименьшими значениями комплексного критерия.
Расставляют лопатки в пазы диска по значениям комплексного критерия.
Способ был реализован при сборке и балансировке рабочего колеса турбомашины. Имелось множество из 27 лопаток, предназначенных для оснащения рабочего колеса компрессора, у которых были измерены массы и статические моменты (Y - тангенциальный и Ζ - радиальный).
cp
Наиболее опасной для рассматриваемого случая является первая изгибная форма колебаний (по основному тону). Определили частоты собственных колебаний лопаток по первой изгибной форме (таблица 1). Определили для множества лопаток среднее значение частоты f=59,541 Гц.
Для оснащения рабочего колес необходимо было выбрать комплект лопаток из 10 штук.
Вариант 1
i
i
i
cp
cp
i
i
cp
i
i
cp
2
В качестве весовой характеристики использовали массу лопаток m. Определили значения комплексного критерия для каждой i-ой лопатки множества по формуле k=m·(f/f) и его среднее значение k=2,266756. Определили отклонение ∆k значения комплексного критерия k каждой лопатки от его среднего значения k. В комплект отобрали лопатки, отклонение ∆k значения комплексного критерия k которых от его среднего значения не превышало 0,01693 кг·м, т.е. последовательно отбрасывали лопатки с наибольшими отклонениями комплексного критерия до тех пор, пока множество лопаток (27 шт.) не уменьшилось до комплекта лопаток (10 шт.). В результате остался комплект из 10 лопаток со значениями комплексного критерия, близкого к среднему значению k, чем и обеспечивается требование равномерности при расстановке лопаток на диске, необходимое для уравновешенности рабочего колеса и повышения его устойчивости за счет учета влияния частотных характеристик лопаток.
Выбрали схему расстановки, при которой лопатки соседних пар с наибольшими или наименьшими значениями критерия расстановки не были расположены подряд. Схема расстановки выбирается в зависимости от количества лопаток в рабочем колесе. Например, при количестве лопаток n=10, схема расстановки может быть, например, «двухлепестковой», как по патенту РФ №2317418 «Способ расстановки лопаток ротора турбомашины», опубликованному 20.02.2008. При использовании данной схемы расстановки лопатки с ближайшими наибольшими или наименьшими значениями комплексного критерия не располагаются подряд.
Расставили лопатки выбранного комплекта в пазы диска по выбранной схеме. Схема расстановки показана на фиг. 1.
Отобранный для оснащения рабочего колеса комплект лопаток представлен в таблице 2.
Вариант 2
В качестве весовой характеристики использовали радиальный статический момент Z.
i
i
i
cp
i
i
Определили комплексный критерий по формуле k=Z·(f/f). В комплект отобрали лопатки, отклонение ∆k значения комплексного критерия k которых от его среднего значения не превышало 0,5020732 кг·м. Отобранный для оснащения рабочего колеса комплект лопаток представлен в таблице 3. Схема расстановки показана на фиг. 2.
Вариант 3
i
i
i
cp
i
i
В качестве весовой характеристики использовали суммарный статический момент. Для этого измерили радиальный Ζ и тангенциальный Y статические моменты и определили их суммарный статический момент как корень квадратный из суммы квадратов тангенциального Y и радиального Ζ статических моментов. Определили комплексный критерий по формуле k=YZ·(f/f). В комплект отобрали лопатки, отклонение ∆k значения комплексного критерия k которых от его среднего значения не превышало 0,5047712 кг·м. Отобранный для оснащения рабочего колеса комплект лопаток представлен в таблице 4. Схема расстановки показана на фиг. 3.
Аналогично способ может быть применен при комплектовании рабочего колеса лопатками, отобранными по комплексному критерию, где в качестве весовой характеристики использован суммарный статический момент, определенный по радиальному, тангенциальному и осевому статическим моментам.
Благодаря применению предложенного способа комплектования лопаток рабочего колеса турбомашины повышается его устойчивость к автоколебаниям при обеспечении требуемого уровня дисбаланса в соответствии с требованиями конструкторской документации.