НАГРУЗОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОРЦЕВОГО ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ВЕНТИЛЯТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ВИБРОСТЕНДЕ
LOADING DEVICE FOR INVESTIGATION OF END DAMPING OF OSCILLATIONS OF FAN BLADES OF GAS-TURBINE ENGINE ON VIBRATION TEST RIG

Изобретение относится к средствам исследования, а более точно касается нагрузочного устройства для исследования торцевого демпфирования колебаний лопаток вентиляторов газотурбинного двигателя (ГТД) на вибростенде.
Экспериментальное исследование эффективности демпфирующих устройств вентиляторных лопаток современных газотурбинных двигателей (ГТД) является важным аспектом при оценке их сопротивления многоцикловой усталости.
Для имитации действия демпфирующих устройств необходимы специальные приспособления (прижимные устройства), входящие в систему оснастки испытаний.
Известно использование в испытаниях по исследованию эффективности демпфирующих устройств, действие которых основано на рассеивании энергии колебаний за счет работы сил сухого (кулонова) трения, специальных прижимных устройств. Так, в работе [Koh K.H., Filippi S., Griffin J.H., Akay A. Characterization of turbine blade friction dampers. Proc. of ASME Turbo Expo 2004, GT2004-53278] нормальная нагрузка от прижимного устройства создавалась постоянным грузом и прикладывалась к специальной пластине через блок, а элемент трения прикреплялся в центре горизонтально расположенной балки, которая приводилась в колебания вибратором. Демпфер имел полусферическую головку заданного радиуса, прижимавшуюся к плоской поверхности неподвижной тонкой пластины.
Однако проведенные испытания показали несоответствие нормальной силы и силы трения, что снижает точность исследования.
Известно устройство управления фрикционным взаимодействием пар (патент РФ №2374628) трения, которое содержит держатель образца, привод перемещения держателя, индентор, взаимодействующий с ним механизм нагружения, связанный с индентором двухкомпонентный датчик силы. При этом устройство снабжено приводом вращения индентора и автоматическим вычислителем, выход которого включен в цепь управления приводом вращения индентора, а входы подключены к двухкомпонентному датчику силы, причем индентор выполнен таким образом, что в зоне контакта имеет выраженную анизотропию поверхностных физико-механических свойств с известным расположением осей скольжения, а привод перемещения держателя образца выполнен независимым. Технический результат заключается в возможности управления параметрами контакта фрикционных узлов и механизмов с использованием эффекта анизотропного трения.
Известные технические решения нагрузочных устройств, управляющих фрикционным взаимодействием пар, не позволяют точно имитировать действия демпфирующих устройств, так как не отвечают ряду требований, а именно: положение устройства должно быть тщательно выверено, т.е. устройство должно быть регулируемым в трех взаимно ортогональных направлениях пространства. Кроме того, во время испытаний должна обеспечиваться сила прижатия, обеспечивающая достаточную силу трения для требуемого в исследовании рассеивания энергии колебаний.
В основу изобретения положена задача создания нагрузочного устройства для исследования торцевого демпфирования колебаний лопаток вентиляторов газотурбинного двигателя на вибростенде, позволяющее повысить точность имитирования действия демпфирующих устройств при исследовании торцевого демпфирования колебаний лопаток вентиляторов авиационных ГТД, в том числе лопаток с большой конусностью втулки.
Техническим результатом является повышение точности имитирования действия демпфирующего устройства на вибростенде за счет возможности регулирования параметров перемещения в трех взаимно ортогональных направлениях пространства и силы прижатия демпфирующего устройства к лопатке, с достижением требуемой в исследовании силы трения и приближение этим условий исследования к натурным.
Под торцевым демпфированием понимается демпфирование при прижатии демпфирующего устройства к торцевой поверхности непрофильной части рабочих лопаток вентиляторов газотурбинного двигателя, в том числе с большой конусностью втулки.
Поставленная задача решается тем, что нагрузочное устройство для исследования торцевого демпфирования колебаний лопаток вентиляторов газотурбинного двигателя на вибростенде, содержит узел фиксации, предназначенный для удержания и фиксации демпфирующего устройства, узел ориентации, предназначенный для ориентации демпфирующего устройства относительно торца лопатки, выполненный с возможностью регулирования перемещения демпфирующего устройства в трех взаимно ортогональных направлениях пространства; установленный на вибростенде и соединенный с устройством фиксации, и размещенный в узле ориентации узел нагружения прижатием демпфирующего устройства к торцевой поверхности непрофильной части лопатки, выполненный с возможностью регулирования и создания прижимного усилия, обеспечивающего силу трения достаточной для требуемого в исследовании рассеивания энергии колебаний лопатки.
Целесообразно, чтобы узел фиксации включал пластины, предназначенные для размещения между ними демпфирующего устройства, узел ориентации содержал бы плиту, стойку установленную на плите и несущую пластины с устройством демпфирования между ними, проточки фрезой, выполненные в плите и стойке под крепежные болты, обеспечивающие ход в радиальном направлении и поворот относительно станины вибростенда, а узел нагружения прижатием содержал вставленный в отверстие стойки винт с расчетными диаметром и шагом резьбы, которые выбраны так, что регулируемые винтом силы прижатия, обеспечивали бы требуемую силу трения.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и чертежами, где изображено:
фиг.1 - общий вид нагрузочного устройства согласно изобретению, размещенного на вибростенде;
фиг.2 - эскиз стойки нагрузочного устройства с устройством фиксации;
фиг.3 (а, б) - эскиз пластины с проточкой для фиксации нагрузочного устройства (а) и сборку устройства фиксации с демпфирующим устройством (б);
фиг.4 (а, б, в) - иллюстрация прижима демпфирующего устройства (а) и положения поверхностей трения на лопатке (б) и демпфирующего устройства (в);
фиг.5 - крепление нагрузочного устройства струбцинами;
фиг.6 - эскиз варианта стойки нагрузочного устройства с отверстиями под крепление.
Нагрузочное устройство 1 для исследования торцевого демпфирования колебаний рабочих лопаток вентиляторов газотурбинного двигателя (ГТД) на вибростенде, согласно изобретению, содержит узел фиксации, предназначенный для удержания и фиксации демпфирующего устройства, нагружающего торцевую поверхность колеблющейся лопатки при прижатии, узел ориентации, размещенный на вибростенде и соединенный с узлом фиксации, выполненный с возможностью регулируемого перемещения демпфирующего устройства в трех взаимно ортогональных направлениях пространства и узел нагружения прижатием, размещенный в узле ориентации, выполненный с возможностью регулирования прижатия демпфирующего устройства к колеблющемуся объекту (лопатке вентилятора) и создания силы прижатия, обеспечивающей силу трения достаточную для требуемого в исследовании рассеивания энергии колебаний.
Узел фиксации демпфирующего устройства содержит пластины 15 и 16, которые прижимают размещенное между ними демпфирующее устройство 17 (фиг.1, фиг.2).
Узел ориентации (фиг.1) размещен на вибростенде 2 и содержит плиту 7, установленную на ней стойку 12, несущую пластины 15 и 16 (фиг.2) с устройством демпфирования 17 между ними. Плита 7 подвижна и может быть закреплена к станине 3 стенда 2 струбцинами 21 (фиг.5).
Плита 7 и стойка 12 содержат проточки 6 фрезой под крепежные болты, обеспечивающие ход в радиальном направлении и поворот плиты 7 относительно станины 3 вибростенда 2, что обеспечивает возможность регулируемого перемещения демпфирующего устройства 17 в трех взаимно ортогональных направлениях пространства.
В стойке 12, в пластинах 15 и 16 выполнены отверстия 14 под болты, для крепления к ним демпфирующего устройства 17.
Узел нагружения прижатием содержит винт 18, вставленный в отверстие 13 стойки 12. Винт 18 выполнен с расчетным выбранным диаметром резьбы, причем шаг резьбы выбран так, чтобы регулированием прижатия демпфирующего устройства 17 к колеблющемуся объекту (лопатке вентилятора 5) обеспечивать необходимое приращение прижимного усилия, обеспечивающего достаточную силу трения для требуемого в исследовании рассеивания энергии колебаний в стойке 12.
Нагрузочное устройство описано на модельном примере размещения модели демпфирующего устройства и имитатора лопатки вентилятора ГТД.
На фиг.2 представлен эскиз стойки 12, в верхней части стойки 12 имеется отверстие 13 для винта 18. Два нижних отверстия 14 для болтов служат для соединения стойки 12 с пластиной 15. Входящая в соединение со стойкой 12 пластина 15 также имеет два отверстия для болтов и общее соединение происходит через пластину 16. Пластины 15 и 16 обеспечивают заделку - удержание и фиксацию устройства 17. На фигурах демпфирующее устройство 17 представляет собой длинную податливую балку прямоугольного сечения, выполненную из упругого материала, являющейся моделью реального демпфирующего устройства. Прижатие устройства 17 к имитатору лопатки 5 осуществляется болтом 18 через отверстие 13 со стандартной головкой под динамический ключ.
На фиг.3а представлен эскиз пластины 15 с выполненной проточкой для фиксации модели демпфирующего устройства 17 от боковых смещений и углов поворота. Положение удерживающих пластин 15 и 16 в сборке со стойкой 12 и моделью демпфирующего устройства 17 представлено на фиг.3б.
На фиг.4а представлен прижим модели демпфирующего устройства 17 винтом 18, вставляемым в отверстие 13, на фиг.4б и фиг.4в показаны положения поверхностей трения 19 и 20 непрофильной части торца лопатки 5 и модели демпфирующего устройства 17 соответственно.
На фиг.5 представлено положение нагрузочного устройства 1 на вибростенде 2. Крепление устройства 1 к станине 3 происходит через специальные струбцины 21, прижимающие подвижную плиту 7.
На фиг.6 представлен эскиз стойки 12 с прижимными пластинами 15 и 16 и моделью демпфирующего устройства 17. Стойка 12 соединена со станиной 3 болтами через специальные отверстия 22. Проточка в пластине 15 и соединение ее со стойкой 12 идентичны варианту, представленному на фиг.3а и фиг.3б соответственно.
Поверхности трения модели демпфирующего устройства 17 и лопатки 5 идентичны поверхностям, представленным на фиг.4а и фиг.4б.
Для надлежащей работы перед установкой нагрузочного устройства 1 на станину 3 стенда 2 предварительно осуществляется начальное регулирование станины относительно установленной в зажиме 8 толкателя 9 лопатки 5 (или ее имитатора) следующим образом.
В ряде случаев напрямую проводить экспериментальные исследование на реальных лопатках вентиляторов не представляется возможным (это связано как с затратами на проведение эксперимента, так и сложностью изготовления лопаток, демпфирующих устройств к ним и сложностью самого эксперимента), поэтому для экспериментальных исследований изготовляется специальная модель вентиляторной лопатки (имитатор), обладающая всеми необходимыми упругими и инерционными свойствами реальной лопатки и исследование по определению демпфирующих характеристик проводится непосредственно на ней.
После установки нагрузочного устройства 1 на станину 3 стенда 2 выполняется точное регулирование положения модели демпфирующего устройства 17 относительно торца лопатки 5 с помощью перемещения подвижной плиты 7 относительно станины 3 так, чтобы модель демпфирующего устройства 17 поверхностью трения 20 касалась торца лопатки 5 по ее поверхности трения 19. Расстояние от заделки лопатки 5 в зажиме 8 до места касания модели демпфирующего устройства 17 к торцу ее непрофильной части определяется заранее расчетным путем.
Регулировка устройства 17 по высоте осуществляется с помощью ослабления резьбового соединения пластин 15 и 16, выставлением требуемого уровня высоты устройства 17 и дальнейшей фиксацией пластин.
В отверстие 13 ввинчивают винт 18 с выбранным расчетным диаметром резьбы. Винт 18 должен касаться модели демпфирующего устройства 17. Данное положение нагрузочного устройства при возбуждении резонансных колебаний лопатки 5 имитирует отсутствие демпфирующего устройства.
Работа нагрузочного устройства происходит следующим образом: Вызывают колебания лопатки 5 кинематическим возбуждением от стенда 2, передающимся на основание толкателя 11 и далее через систему толкатель 9 - зажим 8 на лопатку 5.
При дальнейшем ввинчивании винта 18 в отверстие 13 он начинает давить на модель демпфирующего устройства 17, в результате происходит изгиб модели демпфирующего устройства 17 и оно начинает давить на торцевую поверхность непрофильной части лопатки 5.
Ход винта 18 определяет перемещение модели демпфирующего устройства 17 и, как следствие, силу ее прижатия к торцу лопатки. Ход винта 18 регулиремый и диапазон прижимного усилия ограничен только прочностью самой модели демпфирующего устройства 17.
При контакте поверхности трения 20 устройства 17 с поверхностью трения 19 торца непрофильной части лопатки 5 (имитатора) возникают силы сухого (Кулонова) трения, их действие направлено на рассеяние энергии колебаний.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает как регулирование ориентации нагрузочного устройства в трех взаимно ортогональных направлениях пространства; так и создание силы прижатия, обеспечивающей достаточную силу трения для требуемого в исследовании рассеивания энергии колебаний, что позволяет точно имитировать действия демпфирующего устройства и этим повышает достоверность исследования торцевого демпфирования колебаний лопаток вентиляторов газотурбинного двигателя на вибростенде.
Предлагаемое изобретение может быть использовано для исследования торцевого демпфирования колебаний лопаток вентиляторов авиационного газотурбинного двигателя, в том числе с большой конусностью втулки.