Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей

Рассмотрены подходы к моделированию нестационарных аэродинамических нагрузок, действующих на лопатки венца при их колебаниях в потоке, путем использования решеток профилей. Изложены основные положения разработанной методики экспериментального определения нестационарных аэродинамических нагрузок и...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Проблемы прочности
Date:	2001
Main Authors:	Цимбалюк, В.А., Зиньковский, А.П., Побережников, А.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2001
Subjects:	Научно-технический раздел
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46713
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей / В.А. Цимбалюк, А.П. Зиньковский, А.В. Побережников// Проблемы прочности. — 2001. — № 6. — С. 15-28. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859903365862916096
author	Цимбалюк, В.А. Зиньковский, А.П. Побережников, А.В.
author_facet	Цимбалюк, В.А. Зиньковский, А.П. Побережников, А.В.
citation_txt	Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей / В.А. Цимбалюк, А.П. Зиньковский, А.В. Побережников// Проблемы прочности. — 2001. — № 6. — С. 15-28. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Проблемы прочности
description	Рассмотрены подходы к моделированию нестационарных аэродинамических нагрузок, действующих на лопатки венца при их колебаниях в потоке, путем использования решеток профилей. Изложены основные положения разработанной методики экспериментального определения нестационарных аэродинамических нагрузок и пределы ее применимости. Представлены результаты расчетов по установлению границы динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров современного газотурбинного двигателя. Розглянуто підходи до моделювання нестаціонарних аеродинамічних навантажень, що діють на лопатки вінця при їх коливаннях у потоці, і обгрунтовано використання для їх визначення решіток профілів. Викладено основі положення розробленої методики експериментального визначення нестаціонарних аеродинамічних навантажень і межі її застосування. Представлено результати розрахунків щодо встановлення границі динамічної стійкості лопаткових вінців робочих коліс компресорів сучасного газотурбінного двигуна. Approaches to modeling of non-stationary aerodynamic loads acting on blades of assemblies during their vibrations in a flow were considered using airfoil cascades. Fundamentals of the procedure developed for experimental determination of non-stationary aerodynamic loads and its validity limits are set out. The results of the dynamic stability limit calculations for blade assemblies of modern gas-turbine engine compressors are presented.
first_indexed	2025-12-07T15:58:30Z
format	Article
fulltext	УДК 534.1: 539.3: 624.07: 621.165 Э к сп ер и м ен тал ьн о-р асч етн ая оценка ди нам ической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей В. А. Цимбалюк, А. П. Зиньковский, А. В. Побережников Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина Рассмотрены подходы к моделированию нестационарных аэродинамических нагрузок, дейст вующих на лопатки венца при их колебаниях в потоке, путем использования решеток профилей. Изложены основные положения разработанной методики экспериментального определения нестационарных аэродинамических нагрузок и пределы ее применимости. Представлены результаты расчетов по установлению границы динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров современного газотурбинного двигателя. К л ю ч е в ы е с л о в а : лопаточный венец, компрессор, флаттер, моделирование, решетка профилей, аэродинамическая нагрузка, динамическая устойчивость. Постановка задачи. Известно, что основными требованиями при со здании современных газотурбинных двигателей (ГТД) являются снижение их веса, повышение тяги и экономичности при одновременном обеспечении высокой надежности [1]. Опыт создания авиационных газотурбинных двигателей, конструктив ные элементы которых подвергаются воздействиям, показывает, что более половины дефектов, обнаруживаемых при их доводке, имеют вибрационное происхождение. При этом тенденция к росту удельной мощности проекти руемых двигателей обусловливает создание высоконагруженных конструк ций из равнопрочных элементов, что приводит к повышению плотности спектра их собственных частот колебаний и вызывает большую вероятность возникновения опасных режимов колебаний, сложность и даже невозмож ность их устранения. Среди проблем вибрационного характера наиболее распространенными являются резонансные колебания и флаттер (самовоз- буждающиеся в потоке газа колебания) рабочих лопаток. Именно изучение их закономерностей с учетом возникающих при создании и эксплуатации двигателей задач, как свидетельствуют данные работ [2, 3], постоянно находится в поле зрения исследователей, инженеров и конструкторов. Флаттер - одно из наиболее опасных явлений аэроупругости ввиду своих зачастую катастрофических последствий. Одна из основных причин его возникновения - взаимодействие лопаток через поток, которое в литера туре получило название аэродинамической связи. Особенно актуальна эта задача для рабочих колес компрессоров ГТД. Хотя общие причины флаттера лопаток давно известны и в изучении его закономерностей достигнуты значительные успехи, все же современные тенденции в проектировании газотурбинных двигателей обусловливают не обходимость повышения точности и достоверности решения основной части задачи оценки динамической устойчивости - определения аэродинамичес ких нагрузок, действующих на лопатки при их колебаниях в потоке газа. © В. А. ЦИМБАЛЮК, А. П. ЗИНЬКОВСКИЙ, А. В. ПОБЕРЕЖНИКОВ, 2001 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, N 6 15 В. А. Цимбалюк, А. П. Зинъковский, А. В. Побереж ников Следует отметить, что об актуальности указанной задачи свидетельствует даже тот факт, что в ВВС США существует программа научных исследо ваний [3], которая включает также и ее решение. Аэродинамическая связь лопаток может играть как положительную роль, обусловливая аэродинамическое демпфирование колебаний, которое снижает уровень вибронапряженности лопаток при резонансе, так и отрица тельную, что проявляется в возникновении флаттера. Поэтому при проекти ровании двигателя и освоении его серийного производства, в частности при проведении сертификационных испытаний, необходимо определение крити ческих условий возникновения флаттера или границы динамической устой чивости лопаточных венцов рабочих колес на различных режимах работы двигателя. В первую очередь это относится к режимам, близким к отрыву потока от поверхности лопаток, когда критическая скорость флаттера значи тельно снижается. Трудность решения задачи об определении критических условий возник новения флаттера лопаток, как известно, связана со сложностью нахождения нестационарных аэродинамических нагрузок (сил и моментов), действу ющих на лопатки при их колебаниях в потоке газа. Аэродинамические нагрузки можно измерять косвенно через аэродинамическое демпфирование колебаний лопаточных профилей (в дальнейшем - профиль) [4, 5], не посредственно тензодинамометром [6, 7] или по возбуждающим усилиям вибратора [7, 8]. Однако указанные экспериментальные методики позво ляют измерять нестационарные аэродинамические нагрузки только при по ступательных или угловых перемещениях профилей, моделирующих соот ветственно изгибные или крутильные колебания лопаток. Это не всегда отвечает реальным формам колебаний лопаток, которые совершают, как правило, более сложные колебания. Аэродинамические нагрузки можно измерять также по распределению нестационарных давлений на поверх ности профиля или лопатки [9, 10], однако в этом случае зачастую невоз можно разместить необходимое количество датчиков давления. Расчетные методы определения нестационарных аэродинамических нагрузок постоян но развиваются и совершенствуются, разрабатываются более сложные рас четные модели, в частности трехмерные [11], но все они требуют экспери ментальной проверки. Таким образом, цель настоящей работы - изложение разработанной методики экспериментального определения нестационарных аэродинамиче ских нагрузок, действующих на лопатки при их колебаниях в потоке газа, и полученных на ее основе некоторых результатов расчетов границы динами ческой устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров со временного газотурбинного двигателя. Моделирование лопаточного венца и условий его взаимодействия с потоком. Натурные испытания рабочих колес компрессоров на устойчи вость лопаток к флаттеру являются очень дорогостоящими и сопряжены с постоянной угрозой их разрушения. Однако при определенных условиях они могут быть заменены модельными экспериментами. Как отмечалось в работе [12], основной смысл моделирования заклю чается в том, чтобы по результатам экспериментов с моделями можно было бы охарактеризовать явления, наблюдаемые в натурных условиях. Обяза 16 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 6 Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости тельное условие при этом - равенство критериев подобия: безразмерного комплекса определяющих физических величин, ввиду чего будут равны и другие безразмерные характеристики исследуемого явления и его модели. Применительно к исследованиям флаттера лопаток необходимо модели ровать не только геометрические, инерционные, упругие и диссипативные свойства лопаточного венца, но и течение газа в межлопаточных каналах. Такие аэродинамические нагрузки, действующие на лопатку, включают в себя постоянную и нестационарные составляющие. Одна из нестационар ных составляющих обусловлена колебаниями лопаток, остальные - нерав номерностью набегающего потока, взаимодействием лопаток статора и ро тора, их срывным обтеканием. Обычно изменение межлопаточных каналов вследствие дивергенции лопаток под действием постоянной составляющей достаточно мало, и обратным влиянием постоянных упругих деформаций лопаток на аэродинамические нагрузки можно пренебречь. Поэтому для определения условий возникновения флаттера лопаток можно ограничиться решением линейной задачи динамической устойчивости “в малом”, т.е. при малых как начальных возмущениях, так и возникающих при этом колеба ниях. При этом достаточно учитывать только нестационарную составля ющую аэродинамических нагрузок, вызванную колебаниями лопаток. Такие нагрузки можно рассматривать линейно-зависящими от вызвавших их ма лых колебаний [13], поскольку нелинейность проявляется лишь при боль ших амплитудах колебаний в условиях отрыва потока [9]. В этом случае линеаризованные уравнения автономных колебаний модели лопаточного венца в матричной форме могут быть записаны в виде [14] [М ]{д} + [С]{д} + [К]{д} = [ £ А ]{д}, (1) где [М ], [С], [К] - матрицы инерционных, диссипативных и упругих харак теристик системы соответственно; [0а ] - матрица аэродинамических на грузок, действующих на лопатки; {д} - вектор-столбец перемещений систе мы. Рассмотрим задачу моделирования нестационарных аэродинамических нагрузок 0 а , действующих на лопатку при ее колебаниях в потоке газа. В соответствии с принципами моделирования процессов в турбомаши нах [12], основанными на П-теореме теории размерностей, нагрузку 0 а в общем случае можно представить в виде произведения множителя, име ющего соответствующую ей размерность, и безразмерного множителя 0 а , зависящего от следующих критериев подобия: 0 а = 0 а (Ч п , Ч с , М , М , Я в , к , Е г , Р г ). (2) Здесь Ь - характерный размер лопатки (хорда); В - характерный диаметр; и - окружная скорость; с - абсолютная скорость; Бк = Ьо) / 2 ¥ - приведенная частота колебаний (число Струхаля); М = У / а - число Маха; Я в = ЬУ р)/и - число Рейнольдса; к = с р / с у - показатель адиабаты; Е г = В ^ / с 2 - число Фруда; Р г = и с р / Я^ - число Прандтля, где о - частота колебаний; У - 1ББМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 6 17 В. А. Цимбалюк, А. П. Зинъковский, А. В. Побереж ников относительная скорость набегающего потока; а - скорость звука в набега ющем потоке; р - плотность набегающего потока; и - коэффициент вязкости; Я^ - коэффициент теплопроводности газа. Приведем теперь матричное уравнение (1) к безрамерному виду. Его решение будем искать в виде {Ч } = {Я 0}вХШ, (3) где {до} - вектор-столбец амплитуд перемещений; Я = е / т + у; е - коэф фициент демпфирования, знак которого определяет наличие (е> 0) или отсутствие (е < 0) флаттера; у - мнимая единица. Амплитуды перемещений д о являются комплексными и учитывают сдвиги фаз между перемещениями соседних лопаток, а также составля ющими этих перемещений, поскольку лопатки, как правило, совершают сложные движения, представляющие комбинации поступательных и угло вых перемещений. Однако следует учитывать, что аэродинамические на грузки обычно определяются при гармонических колебаниях лопаток, по этому уравнение (1) количественно соответствует границе устойчивости (е = 0), а вне ее лишь качественно отражает основные свойства исследуемого явления. После подстановки решения (3) в уравнение (1) и деления его на размерный множитель аэродинамических нагрузок (сил и моментов) полу чаем следующий безразмерный вид рассматриваемого уравнения: ]{д 0 } + С ]{д 0 }) + С а [К ]{д0 } = [^]{д 0 }. (4) Здесь [М ], [С ], [К ] - матрицы безразмерных инерционных, диссипативных и упругих характеристик системы соответственно; [А] - матрица безразмер ных аэродинамических коэффициентов влияния, которые в общем случае зависят от критериев подобия, указанных в выражении (2); {д0 } - вектор- столбец безразмерных амплитуд перемещений (угловые выражены в ради анах, а поступательные - в долях хорды); Ыв = —----- — - число Ньютона; Р ь $Н 2 Е Са = ------- - число Коши; Е - модуль Юнга материала лопаток; р ь - р ¥ _ плотность материала лопаток. В безразмерной матрице жесткостей [К ] элементы, которые характеризуют деформации сдвига, содержат множи тель, представляющий собой отношение модуля упругости материала лопа ток при сдвиге О к модулю Юнга. Известно, что решение задачи динамической устойчивости лопаточного венца сводится к нахождению корней Я уравнения (4). Для того чтобы корни Я были одинаковы для объекта исследования и его модели, должны быть равны не только указанные в (2) критерии подобия, но и числа Ньютона, Коши, а также отношение О /Е модулей упругости. 18 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 6 Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости Как отмечалось ранее, современные методы численного моделирования позволяют решать многие задачи аэроупругости с использованием различ ных моделей. Однако для решения задач, связанных с отрывом вязкого потока от рабочих поверхностей лопаток, необходимо решать нестационар ные уравнения Навье-Стокса, практическое использование прямого реше ния которых ввиду необходимости применения очень мелких расчетных сеток требует значительных вычислительных ресурсов. Другим методом решения рассматриваемой задачи является флаттерный эксперимент [15, 16] на моделях, которые в той или иной мере удовле творяют указанным выше критериям подобия. Основной недостаток таких экспериментов - необходимость изменения параметров модели при варьи ровании упругих и инерционных свойств объекта исследования. В Институте проблем прочности НАН Украины реализован экспери ментально-расчетный метод решения задачи динамической устойчивости лопаточных венцов, который состоит из двух этапов. На первом этапе определяются нестационарные аэродинамические нагрузки, действующие на лопатки. Затем с использованием полученных данных решаются урав нения колебаний (4). При таком подходе к решению задачи в эксперименте достаточно обеспечить выполнение условий подобия только аэродинами ческой стороны явления и нет необходимости соблюдать подобие по числам Ньютона и Коши, что позволяет уменьшать объем испытаний и стоимость моделей. Как справедливо отмечалось в работе [12], критерии подобия (2) до вольно громоздки для практической реализации. Кроме того, эксперимен тальные исследования, как правило, проводятся на моделях, масштаб кото рых не равен единице, вследствие чего достичь полного подобия практи чески невозможно. Однако в указанной работе на основании анализа про цессов, которые характерны для реальных турбомашин, показано, что при моделировании некоторые критерии подобия можно не учитывать: 1) число Фруда Гг, так как в турбомашинах обычно влияние гравита ционных сил невелико; 2) число Прандтля Р г и показатель адиабаты к при испытаниях модели в том же газе и примерно при той же температуре, что и объект исследования, можно считать постоянными и исключить их из числа опре деляющих параметров; 3) вязкость влияет как на силы аэродинамического сопротивления, кото рые при флаттере играют второстепенную роль, так и на формирование безотрывного или срывного обтекания. Зарождение зон отрыва потока зави сит от числа Рейнольдса Е в до определенного значения, по достижении которого формы этих зон и коэффициенты давления в них постоянны в широком диапазоне изменения значений Ев. Так, для лопаточных венцов компрессоров это справедливо при Я в > 1,5105...2105 [17]. В этом случае число Рейнольдса также можно исключить из определяющих критериев подобия; 4) при числах Маха М < 0,5 влияние сжимаемости газа невелико и подобие по числу Маха можно не рассматривать [15]. Здесь следует заме тить, что влияние сжимаемости газа при малых значениях числа Струхаля, ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 6 19 В. А. Цимбалюк, А. П. Зинъковский, А. В. Побереж ников когда справедлива гипотеза стационарности, можно учитывать с помощью поправки Прандтля-Глауэрта до момента наступления волнового кризиса [18]. Срывное обтекание решеток компрессоров приводит к тому, что зоны сверхзвукового течения в межлопаточных каналах появляются при меньших числах Маха набегающего потока [19], что требует особого внимания при использовании поправок; 5) если поверхности тока близки к цилиндрическим сечениям лопаточ ного венца, то (при частичном учете пространственности течения) погонные аэродинамические нагрузки, действующие на лопатки, можно найти через аналогичные нагрузки на прфилях решеток [12]. В этом случае задача сводится к геометрическому подобию выбранных цилиндрических сечений венца и соответствующих им решеток профилей. Вид решетки профилей показан на рис. 1. Рис. 1. Плоская решетка профилей: I - угол атаки; в - угол выноса; г - шаг; Ь - хорда профиля. При указанных выше допущениях для определения нестационарных аэродинамических нагрузок, действующих на лопатки венца, достаточно определить их на решетке профилей в зависимости от двух критериев подо бия, а именно: числа Струхаля и отношения окружной и абсолютной ско ростей, которое применительно к решеткам профилей соответствует углу атаки I (рис. 1), а матрицу [А] можно представить в виде функциональной зависимости [А]= [А(I, БН)]. (5) Однако здесь необходимо отметить следующее. Во-первых, в экспери менте число Струхаля можно варьировать не только путем изменения час тоты колебаний профилей, что технически сложно из-за необходимости изменения упругих характеристик их подвески, но и путем изменения скорости набегающего потока при фиксированной частоте колебаний. По скольку в последнем случае будут изменяться также числа Маха М и Рейнольдса К в, при этом должны удовлетворяться пп. 3) и 4) принятых допущений. Во- вторых, принятые допущения ограничивают моделирование нестационарных аэродинамических нагрузок дозвуковыми режимами рабо ты компрессора, а полученные при этом нестационарные аэродинамические нагрузки можно применять для расчета условий возникновения дозвукового срывного флаттера (рис. 2). 20 /ББЖ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 6 Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости П кр I (•••? •••) Дозвуковой срывной флаттер при положительных углах атаки Дозвуковой срывной флаттер при отрицательных углах атаки Сверхзвуковой срывной флаттер Сверхзвуковой безотрывной флаттер = I (..., V о с . - ) Рис. 2. Типичные границы флаттера на диаграмме рабочих режимов компрессора. Основные положения методики определения аэродинамических нагрузок. Разным формам колебаний лопаточного венца соответствуют раз личные комбинации поступательных (х , у ) и угловых а перемещений профилей, а возникшие на них аэродинамические нагрузки можно пред ставить в виде сил ЬЛ , К л и момента М А. Методика определения указанных аэродинамических нагрузок разрабо тана на основе установленных в работе [13] закономерностей. Во-первых, влияние перемещений х на аэродинамические нагрузки мало. Во-вторых, силой К а ввиду ее малости можно пренебречь. В-третьих, влияние на данный профиль других профилей решетки очень быстро убывает по мере их удаления, так что можно учитывать влияние не более двух соседних профилей. Это свидетельствует о том, что профиль можно моделировать системой с двумя степенями свободы, а также можно учитывать влияние на суммарную аэродинамическую нагрузку на исходном профиле решетки не более пяти профилей, совершающих коле бания, которые в дальнейшем будем называть определяющими. Кроме того, первые гармоники погонных аэродинамических силы Ь а и момента М а можно считать при малых амплитудах колебаний профилей линейно свя занными с этими колебаниями: р У 2 ь ЬА = — ;— [ I ]{? }; 2 2 2 М а = £ У 2 Ь - [« И ?}, (6) где (#} - вектор-столбец заданной комбинации безразмерных комплексных перемещений профилей, учитывающих сдвиги фаз как между их перемеще ниями, так и между поступательными и угловыми составляющими этих перемещений: Н ЗМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 6 21 В. А. Цимбалюк, А. П. Зинъковский, А. В. Побереж ников {<2-}т = [..^ у п а п, ...]; (7) Уп = У п / Ь ; п - порядковый номер определяющего профиля; [/], [ т ] - вектор- строки аэродинамических коэффициентов влияния (АКВ), которые пред ставляют собой комплексные коэффициенты пропорциональности между аэродинамическими силой или моментом на исходном профиле и вызвав шими их перемещениями у либо а п-го профиля соответственно, [1 ] [..., 1пу , 1па , ...]; [ т ]= [..^ т пу, т па , ...]. (8) Далее с учетом изложенных выше условий все аналитические выраже ния приводятся для пяти определяющих профилей, т.е. п = -2 , -1 , 0, 1, 2. При этом поскольку каждый профиль моделируется системой с двумя сте пенями свободы, все вводимые в дальнейшем квадратные матрицы и вектор- столбцы (строки) имеют порядок 10. Таким образом, погонные аэродинамические нагрузки на исходном или нулевом ( п = 0) профиле определяются в виде суммы сил и моментов, вы званных отдельными составляющими перемещений рассматриваемого и со седних с ним профилей: Т = Р ^ 2Ь ^ ( I - I , ) Т А = 2 У (1пуу п + 1паа п ); п= -2 - р ¥ 2Ь 2 у ) (9) М А = ---- 2---- У (т пууп + т паа п ). 2 п=-2 Вектор-строки АКВ [/] и [m] в соответствии с принятым количеством определяющих профилей находятся на основе результатов эксперименталь ного измерения первых гармоник погонных аэродинамических нагрузок ЬА и M а при десяти линейно-независимых комбинациях перемещений у и а профилей. Это позволяет, согласно количеству определяемых АКВ, полу чить два матричных линейных уравнения относительно неизвестных АКВ: [L ‘Ap ] = PV^ b [i ] [ q exp ]; тг 2 b 2 (10) [ M A xp ] = R V ^ ~ [m ][q exp ], где [ q exp ] - квадратная матрица перемещений, составленная из вектор- столбцов (7) для выбранных комбинаций перемещений; [L A p ], [M А Р ] - вектор-строки экспериментально полученных первых гармоник погонных аэродинамических нагрузок L A и M А для выбранных комбинаций переме 22 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 6 Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости щений. Из уравнений (10) получаем выражения для определения вектор- столбцов АКВ: 2 _ [ / ]= — ^ 7 ] [ q exp г 1; p V 2 b 2 - (11) [m ]=-----г г [ M A P ] [ q exp ]_1,p V 2 b 2 A каждый элемент которых представляется следующим образом: /* = Яе( /) + у 1т( /); (12)ш* = Яе( ш) + у 1т( ш), где нижний индекс (*) обозначает сочетание номера п профиля и вида его перемещения (у или а). Если известны вектор-строки АКВ [/] и [ш], то аэродинамические нагрузки для заданного режима обтекания с использованием уравнения (9) можно рассчитать при различных комбинациях поступательных и угловых перемещений профилей. Средства экспериментального определения нестационарных аэро динамических нагрузок. В Институте проблем прочности НАН Украины создан стенд для измерения погонных нестационарных аэродинамических сил Ьа и моментов М а на нескольких профилях решетки, вызванных различными комбинациями поступательных у и угловых а перемещений этих профилей. Его подробное описание приведено ранее [20], а основные характеристики - ниже. Поэтому остановимся только на некоторых особен ностях стенда. Исследуемые объекты ..................................Решетки профилей Число Маха перед решеткой.........................Не более 0,8 Углы атаки .................................................. -15 ... 20 град Длина профилей .......................................... 70,0 мм Количество профилей в решетке (в зависимости от угла выноса и шага).......... 7...13 Количество активных профилей................... Не более 4 Количество степеней свободы активных профилей ..................................................... 2 Виды колебаний активных профилей............Угловые, поступательные и их комбинации Измеряемые аэродинамические нагрузки......Силы и моменты Рабочая частота........................................... Не более 300 Гц Основой стенда является аэродинамическая труба, которая позволяет получать поток воздуха с числом Маха до 0,8. Для обеспечения обтекания профилей с заданными скоростями и углами атаки решетка профилей поме щается в рабочую часть. Шаговая периодичность обтекания достигается в средней части решетки, где расположены так называемые активные про ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 6 23 В. А. Цимбалюк, А. П. Зиньковский, А. В. Побереж ников фили, которые закреплены на индивидуальных виброузлах. Виброузлы по зволяют возбуждать заданные колебания этих профилей и измерять на них нестационарные аэродинамические силы и моменты. Эти силы и моменты и, следовательно, аэродинамические коэффициенты влияния приводятся к се редине хорды профиля, относительно которой совершаются его угловые перемещения. В случае аэродинамически однородной решетки для оценки аэродина мических нагрузок на исходном (нулевом) профиле, вызванных колебани ями профилей —2< п < 2, достаточно трех активных профилей. Это следует из того, что при наличии периодичности влияние п = —1 на п = 1 равно влиянию п = —2 на п = 0, а влияние п = 1 на п = — 1 равно влиянию п = 2 на п = 0. Условия компоновки виброузлов позволяют иметь до четырех активных профилей в решетке при их консольном креплении. В случае необходимости проведения исследований на больших частотах колебаний и при более высоких числах Маха каждый активный профиль закрепляется по схеме двухопорной балки на двух виброузлах, которые совершают одинаковые колебания. Такие условия компоновки дают возможность разместить в рабо чей части два активных профиля, что достаточно для определения аэро динамических нагрузок как от собственных колебаний профиля, так и от колебаний соседних с ним профилей. С целью обеспечения необходимой точности в определении аэродина мических характеристик решеток профилей и автоматизации проведения эксперимента разработаны соответствующие устройства и программное обес печение организации эксперимента: оптико-электромеханическое устройст во стабилизации среднего положения колеблющихся профилей в решетке; программы поддержания заданной точности колебаний профилей, регули ровки скорости потока, сбора и обработки экспериментальной информации. Результаты исследования. На основе изложенной методики были опре делены нестационарные аэродинамические нагрузки, действующие на ло патки рабочих колес компрессоров современного газотурбинного двигателя при их колебаниях в потоке газа. Рассмотрим некоторые результаты исполь зования полученных данных для установления границы динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес. Полученные АКВ (11) позволяют, как отмечалось выше, найти матрицу [А] уравнения (4) и определить собственные значения Я. Заметим, что уравнения (4) решали для следующей модели лопаточного венца [21]. 1. Механическая связь между лопатками отсутствует. 2. Инерционные и упругие силы лопатки намного превышают аэро динамические силы. 3. Каждая лопатка имеет одну степень свободы, а лопаточный венец из N лопаток имеет N степеней свободы. Проведено определение динамической устойчивости лопаточных вен цов для двух низших, как наименее устойчивых к флаттеру, форм колебаний первой и второй ступеней компрессора современного газотурбинного дви гателя. Рассматриваемые формы колебаний лопаток характеризуются макси мумом амплитуд перемещений на их концах. Поэтому испытывали решетки, моделирующие периферийные сечения лопаточных венцов. 24 ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2001, № 6 Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости -10 -5 0 5 10 г Рис. 3. Зависимость критических значений числа Струхаля (сплошные линии) от угла атаки для первых изгибной (а, в) и крутильной (б, г) форм колебаний лопаток первой (а, б) и второй (в, г) ступени компрессора. (Штриховые (г < 0) и штрихпунктирные (г > 0) линии - зависимос ти минимально достигаемых в эксперименте значений приведенной частоты от угла атаки.) НБЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 6 25 В. А. Цимбалюк, А. П. Зинъковский, А. В. Побереж ников Первоначально для выбранных решеток профилей получены экспери ментальные АКВ при углах атаки г = —8...140 и числах Струхаля БН = = 0,28...1,70. При этом частота колебаний профилей была постоянной и равнялась 200 Гц, а угол атаки измерялся между вектором скорости набега ющего потока и касательной к средней линии профиля у его передней кромки. Решение задачи динамической устойчивости, как известно, сво дится к нахождению корней Я уравнения (4). Лопаточный венец устойчив, если действительные части всех корней будут отрицательными. В качестве иллюстрации результатов выполненных исследований, час тично опубликованных ранее [22], на рис. 3 представлены зависимости критических значений числа Струхаля от угла атаки, которые определяют границу устойчивости лопаток к решеточному флаттеру для рассматрива емых форм колебаний лопаток. Одиночными точками показаны значения числа Струхаля лопаток при различных режимах работы двигателя. Отметим, что для некоторых углов атаки при изгибных колебаниях лопаток рассматриваемых ступеней (рис. 3,а,в) не были получены крити ческие значения числа Струхаля. Это объясняется тем, что они находятся ниже тех значений числа Струхаля, которые позволяет получить экспе риментальная установка при заданной рабочей частоте колебаний профи лей. Поэтому штриховыми линиями показаны минимальные значения числа Струхаля, достигнутые в эксперименте. Из расчета видно, что при этих значениях и выше лопаточный венец устойчив. Полученные результаты свидетельствуют о том, что лопаточные венцы исследованных ступеней для рассмотренных режимов работы двигателя имеют достаточный запас устойчивости к дозвуковому флаттеру. В ы в о д ы 1. Рассмотрены подходы к моделированию нестационарных аэродина мических нагрузок, действующих на лопатки венца при их колебаниях в потоке. Сформулированы допущения, при которых для нахождения указан ных нагрузок достаточно определить их на решетке профилей в зависи мости от двух критериев подобия, а именно: числа Струхаля и угла атаки. 2. Изложены основные положения разработанной методики экспери ментального определения нестационарных аэродинамических нагрузок и возможности соответствующего экспериментального стенда. 3. Представлены результаты расчетов по установлению границы дина мической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров современного газотурбинного двигателя, которые проведены с использова нием данных, полученных на основе изложенной методики эксперимен тального определения нестационарных аэродинамических нагрузок. Уста новлено, что низшие формы колебаний лопаток обеих ступеней компрес сора при заданных рабочих режимах двигателя находятся в области устой чивости к дозвуковому флаттеру. 26 1ББМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 6 Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости Р е з ю м е Розглянуто підходи до моделювання нестаціонарних аеродинамічних наван тажень, що діють на лопатки вінця при їх коливаннях у потоці, і обгрунто вано використання для їх визначення решіток профілів. Викладено основі положення розробленої методики експериментального визначення нестаці онарних аеродинамічних навантажень і межі її застосування. Представлено результати розрахунків щодо встановлення границі динамічної стійкості лопаткових вінців робочих коліс компресорів сучасного газотурбінного дви гуна. 1. К у зн е ц о в Н . Д . Обеспечение надежности современных авиадвигателей // Проблемы надежности и ресурса в машиностроении. - М.: Наука, 1988. - С. 51 - 68. 2. S r in iv a sa n A . V. Vibration of bladed disk assemblies. A selected survey // J. Vibr., Acoust., Stress, Reliab. Des. - 1984. - 106, No. 2. - P. 165 - 168. 3. S la te r J. C., M in k ie w ic z G. R ., a n d B la ir A . J . Forced response of bladed disk assemblies. A servey // Shock Vibr. Digest. - 1999. - 31, No. 1. - P. 17 - 24. 4. К а м и н е р А . А ., Н а с т е н к о H . Я . Методика исследования аэродинами ческого демпфирования колебаний лопаток турбомашин в воздушных потоках при различных видах колебаний // Рассеяние энергии при колебаниях механических систем. - Киев: Наук. думка, 1972. - С. 298 - 304. 5. К ур зи н В. Б ., К о р о ст е лев А . Е . Экспериментальное определение нестаци онарных аэродинамических характеристик решетки // Энергомашино строение. - 1974. - № 1. - С. 22 - 24. 6. У а й т хед Д ., У о т со н П ., Н а га с и м а Т., Г р а н т Р . Эксперимент для измерения коэффициентов момента профилей, колеблющихся в решетке // Нестационарное течение в турбомашинах. - М.: Мир, 1979. - С. 166 - 177. 7. K im u r a H . a n d N o m iy a m a A . An experimental study of unsteady aerodynamic forces an a rectangular wing oscillating in pitch at Mach numbers from 0.38 to 1.28 // Memoirs of the Faculty of Engineering Kyushu University. - 1977. - 37, No. 3. - P. 157 - 174. 8. К а м и н е р А . А ., Ч ер во н ен к о А . Г ., Ц и м б а л ю к В. А . Методика иссле дования нестационарных аэродинамических характеристик решеток профилей, вибрирующих в пространственном потоке / АН УССР. Ин-т пробл. прочности. - Препр. - Киев, 1988. - 47 с. 9. C a r ta F . O. a n d H ila ir e A . O. Experimentally determined stability parameters of a subsonic cascade oscillating near stall // J. Eng. Power. - 1978. - 100, No. 1. - P. 128 - 139. 10. T a n a ka H ., F u jim o to I., a n d I sh ii S . Aerodynamic response of a blade in pitching oscillation with partial and full separation // Новости зарубежной науки и техники. Сер. Авиац. двигателестроение. - 1984. - 8. - С. 25 - 28. ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 6 27 В. À. Цuмбaлюк, À. П. Зuнькoвcкuù, À. В. Пoбepeж нuкoв 11. Г н є ш н В . И ., K o л o д я ж н a я Л . В . Численное моделирование аэроупру- гого состояния вибрирующего лопаточного венца турбомашины в трех мерном трансзвуковом потоке невязкого газа // Пробл. машиностро ения. - 199S. - 1, № 2. - С. б5 - 7б. 12. X o л щ e в н u к o в K . В ., Е м т О. H ., M u m p o x u n В. T. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. - М.: Машиностроение, 198б. - 432 с. 13. Г o p e л o в Д . H ., K yp çu n В. Б ., C a p en В. Э . Аэродинамика решеток в нестационарном потоке. - Новосибирск: Наука, 1971. - 272 с. 14. B e n d ik se n O. O. Flutter of mistuned turbomachinery rotors // J. Eng. Gas Turb. Power. - 19S4. - 106, No. 1. - P. 25 - 33. 15. Л a м n e p P. E . Введение в теорию флаттера. - М.: Машиностроение, 1990. - 144 с. 16. K u p w n e p À ., П єлє K ., Д ь я p м a m u Г . Исследование флаттера лопаток в дозвуковой турбинной решетке // Нестационарные течения в турбо машинах. - М.: Мир, 1979. - С. 119 - 132. 17. T e p e ù e n ^ Ю . M . Аэродинамика компрессорных решеток. - М.: Ма шиностроение, 1979. - 11S с. 1S. À б p a м o в u ч Г . Н . Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 197б. - SSS с. 19. C a м o ù лo вu ч Г . C. Нестационарное обтекание и аэроупругие колебания решеток турбомашин. - М.: Наука, 19б9. - 444 с. 20. Ц u м б a л ю к В. À . Методика измерения нестационарных аэродинамичес ких сил и моментов на вибрирующих профилях решетки // Пробл. прочности. - 199б. - № 2. - С. 100 - 109. 21. K y p çu n В. Б . О влиянии расстройки собственных частот лопаток турбо машин на устойчивость их колебаний в потоке // Лопаточные машины и струйные аппараты. - М.: Машиностроение, 19б9. - Вып. 4. - С. 1бб - 175. 22. K o л e c н u к o в В. И ., Ц u м б a л ю к В. À ., C m e льм a x À . Л . u dp. Оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес ком прессора ГТД // Оцінка й обгрунтування продовження ресурсу елемен тів конструкцій: Тр. Міжнар. конф. - Київ: Ін-т пробл. міцності НАН України; Логос, 2000. - Т. 2. - С. S01 - 80б. Поступила 11. 04. 2001 18 ISSN G556-î 7ÎX. Пpoблeмы npo^nocmu, 2GGÎ, N б
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46713
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0556-171X
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T15:58:30Z
publishDate	2001
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
record_format	dspace
spelling	Цимбалюк, В.А. Зиньковский, А.П. Побережников, А.В. 2013-07-06T09:01:37Z 2013-07-06T09:01:37Z 2001 Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей / В.А. Цимбалюк, А.П. Зиньковский, А.В. Побережников// Проблемы прочности. — 2001. — № 6. — С. 15-28. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46713 534.1: 539.3: 624.07: 621.165 Рассмотрены подходы к моделированию нестационарных аэродинамических нагрузок, действующих на лопатки венца при их колебаниях в потоке, путем использования решеток профилей. Изложены основные положения разработанной методики экспериментального определения нестационарных аэродинамических нагрузок и пределы ее применимости. Представлены результаты расчетов по установлению границы динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров современного газотурбинного двигателя. Розглянуто підходи до моделювання нестаціонарних аеродинамічних навантажень, що діють на лопатки вінця при їх коливаннях у потоці, і обгрунтовано використання для їх визначення решіток профілів. Викладено основі положення розробленої методики експериментального визначення нестаціонарних аеродинамічних навантажень і межі її застосування. Представлено результати розрахунків щодо встановлення границі динамічної стійкості лопаткових вінців робочих коліс компресорів сучасного газотурбінного двигуна. Approaches to modeling of non-stationary aerodynamic loads acting on blades of assemblies during their vibrations in a flow were considered using airfoil cascades. Fundamentals of the procedure developed for experimental determination of non-stationary aerodynamic loads and its validity limits are set out. The results of the dynamic stability limit calculations for blade assemblies of modern gas-turbine engine compressors are presented. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей Experimental and Calculated Estimations of Dynamic Stability of Rotor Wheel Blade Assemblies of Gas-Turbine Engine Compressors Article published earlier
spellingShingle	Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей Цимбалюк, В.А. Зиньковский, А.П. Побережников, А.В. Научно-технический раздел
title	Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей
title_alt	Experimental and Calculated Estimations of Dynamic Stability of Rotor Wheel Blade Assemblies of Gas-Turbine Engine Compressors
title_full	Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей
title_fullStr	Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей
title_full_unstemmed	Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей
title_short	Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей
title_sort	экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей
topic	Научно-технический раздел
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46713
work_keys_str_mv	AT cimbalûkva éksperimentalʹnorasčetnaâocenkadinamičeskoiustoičivostilopatočnyhvencovrabočihkoleskompressorovgazoturbinnyhdvigatelei AT zinʹkovskiiap éksperimentalʹnorasčetnaâocenkadinamičeskoiustoičivostilopatočnyhvencovrabočihkoleskompressorovgazoturbinnyhdvigatelei AT poberežnikovav éksperimentalʹnorasčetnaâocenkadinamičeskoiustoičivostilopatočnyhvencovrabočihkoleskompressorovgazoturbinnyhdvigatelei AT cimbalûkva experimentalandcalculatedestimationsofdynamicstabilityofrotorwheelbladeassembliesofgasturbineenginecompressors AT zinʹkovskiiap experimentalandcalculatedestimationsofdynamicstabilityofrotorwheelbladeassembliesofgasturbineenginecompressors AT poberežnikovav experimentalandcalculatedestimationsofdynamicstabilityofrotorwheelbladeassembliesofgasturbineenginecompressors

Экспериментально-расчетная оценка динамической устойчивости лопаточных венцов рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей

Institution

Similar Items