УСТРОЙСТВО ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ РАБОЧИХ КОЛЕС БЛИСКОВОГО ТИПА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
VIBRATION DAMPING DEVICE OF BLISK IMPELLERS OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к демпферам для гашения вибраций рабочих колес газотурбинных двигателей, а именно к устройствам демпфирования колебаний рабочих колес типа блиск (моноколес).
Конструкция современных газотурбинных двигателей предусматривает применение рабочих колес типа блиск, в которых лопатки выполнены с диском за одно целое. Использование блисков требует решения проблемы исключения опасных вибраций; сложность проблемы заключается в недостаточно высоком конструкционном демпфировании и рассеянии энергии колебаний исключительно в материале конструкции.
Наиболее близким устройством того же назначения к изобретению по совокупности признаков является устройство демпфирования колебаний рабочих колес блискового типа газотурбинного двигателя, представляющее собой упругое разрезное кольцо, установленное с натягом на внутренней поверхности обода блиска (Laxalde D, Thouverez F, Lombard J-P. Vibration control for integrally bladed disks using friction ring dampers. ASME Turbo Expo 2007, Montreal, Canada, GT 2007-27087). Возникающие в контакте кольцо-блиск силы трения при наличии взаимных перемещений на контактной поверхности совершают работу, которая обеспечивает демпфирующий эффект. Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками изобретения - устройство демпфирования колебаний рабочих колес блискового типа газотурбинного двигателя представляет собой упругое кольцо, установленное на внутренней поверхности обода блиска.
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является узкий диапазон частот вращения рабочих колес, в котором обеспечивается демпфирование колебаний блиска. При высоких частотах вращения под действием на кольцо центробежных сил контактное давление в контакте кольцо-блиск возрастает до величины, при которой блокируются взаимные перемещения на контактной поверхности и потери энергии на трение исчезают. Кроме того, поскольку в конструкции демпфера предусмотрен технологический разрез для его монтирования в блиск, под действием поля центробежных сил демпфер прижимается к ответной поверхности и вследствии наличия разреза создает неравномерно-напряженное состояние в блиске, приводящее к некоторой разбалансировке конструкции и увеличивающее количество резонанстных пиков системы.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении прочности и надежности рабочих колес блискового типа газотурбинного двигателя за счет уменьшения неравномерности контактного давления и повышении эффективности демпфирования колебаний за счет исключения возможности «закусывания» демпфера при высоких частотах вращения ротора.
Указанный технический результат достигается тем, что известное устройство демпфирования колебаний рабочих колес блискового типа газотурбинного двигателя, представляющее собой упругое кольцо, установленное с натягом на внутренней поверхности обода блиска, согласно изобретению установлено на цилиндрической или конической поверхности обода блиска и снабжено замковым соединением и упором, причем между замковым соединением и упором имеется зазор, при этом замковое соединение выполнено с возможностью расширения в радиальном направлении под действием центробежных сил до уменьшения величины зазора до нулевого значения.
Устройство может быть изготовлено из материала с высоким внутренним трением.
Материал с высоким внутренним трением представляет собой композиционный материал.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - установлено на цилиндрической или конической поверхности обода блиска; снабжено замковым соединением и упором; между замковым соединением и упором имеется зазор; замковое соединение выполнено с возможностью расширения в радиальном направлении под действием центробежных сил до уменьшения величины зазора до нулевого значения; устройство изготовлено из материала с высоким внутренним трением; материал с высоким внутренним трением представляет собой композиционный материал.
Выполнение демпфирующего элемента в виде кольца со скользящим замковым соединением и упором и установка его с натягом на цилиндрической или конической поверхности обода блиска обеспечивает при колебаниях блиска потери энергии на трение между кольцом и контактной поверхностью блиска, тем самым обеспечивается демпфирование колебаний, снижение их амплитуды, что повышает надежность и прочность рабочих колес газотурбинного двигателя.
Наличие зазора между замковым соединением и упором и выполнение замкового соединения с возможностью расширения в радиальном направлении под действием центробежных сил обеспечивает плотное прилегание демпфера к ободу блиска во всем диапазоне режимов работы двигателей, что повышает эффективность демпфирования.
После уменьшения величины зазора до нулевого значения замковое соединение с упором начинает препятствовать его расширению в окружном и радиальном направлении под действием возникающей при вращении блиска центробежной силы, ограничивая контактное давление между блиском и демпфером, тем самым расширяет диапазон и повышает эффективность работы демпфирующего устройства.
Выполнение кольцевого демпфера из материала с высоким внутренним трением, представляющим собой композиционный материал, обеспечивает более высокую эффективность демпфирования за счет дополнительного механизма демпфирования - внутреннего трения в демпфере.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков устройства демпфирования колебаний рабочих колес блискового типа газотурбинного двигателя с получением указанного технического результата.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 изображен кольцевой демпфер для рабочих колес блискового типа.
На фиг. 2 - вид А на фиг. 1.
На фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 2.
Устройство демпфирования колебаний рабочих колес блискового типа (фиг. 1) представляет собой упругое кольцо 1. Устройство установлено с натягом на цилиндрической или конической поверхности 2 обода блиска 3 (фиг. 3).
Устройство (фиг. 2) снабжено замковым соединением 4 и упором 5. Между замковым соединением 4 и упором 5 имеется зазор δ. Замковое соединение 4 выполнено с возможностью расширения в радиальном направлении под действием центробежных сил до уменьшения величины зазора δ до нулевого значения. Замковое соединение 4 представляет собой замок с отгибными лепестками 6, позволяющий ограниченно перемещаться в окружном направлении до упора 5 с уменьшением величины зазора δ до нулевого значения. Упругое кольцо 1 может быть изготовлено из материала с высоким внутренним трением, представляющим собой композиционный материал.
Устройство демпфирования колебаний рабочих колес блискового типа газотурбинного двигателя работает следующим образом.
При сборке упругое кольцо 1 сжимают и укладывают по контактной поверхности 2 блиска 3. После чего кольцо 1 за счет упругости разжимается до радиуса установочной канавки и плотно ложится по контактной поверхности 2. При этом между замковым соединением 4 и упором 5 остается небольшой, просчитанный заранее зазор δ в окружном направлении. Начальный натяг кольца 1 в радиальном направлении определяется из соображений создания в процессе работы контактного усилия, обеспечивающего необходимую силу трения при колебаниях блиска 3.
При вращении рабочего колеса под действием центробежной силы устройство демпфирования прижимается к контактной поверхности 2 блиска 3. При возникновении колебаний блиска 3 имеют место взаимные перемещения кольца 1 и контактной поверхности 2 блиска 3, сопровождающиеся появлением сил трения. Работа сил трения снижает энергию колебаний блиска 3, уменьшает их амплитуду. Таким образом, осуществляется демпфирование колебаний.
С увеличением частоты вращения моноколеса и возрастанием центробежной силы, действующей на демпфирующее устройство, контактное давление на поверхности 2 возрастает, что могло бы привести к эффекту заклинивания. Он заключается в прекращении взаимных перемещений контактных поверхностей блиска 3 и демпфера, результатом чего является снижение эффективности демпфирования колебаний из-за уменьшения работы сил трения на поверхности 2. В заявляемом устройстве эффект заклинивания исключен за счет частичной компенсации центробежных сил, действующих на демпфирующее устройство, за счет ступенчатого увеличения жесткости демпфера на растяжение после контакта элементов 4 и 5 при уменьшении начального зазора δ до нуля. Поэтому контактное давление на поверхности 2 снижается по сравнению с известным демпфером, что и предотвращает заклинивание. Таким образом, подбирая зазор δ между элементами 4 и 5 и жесткость кольцевой части демпфера, можно добиться максимальной эффективности демпфирования во всем диапазоне частот вращения.
Предложенное устройство может быть использовано в блисковых конструкциях газотурбинного двигателя для защиты от повреждений из-за вибраций и многоцикловой усталости.