Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании. Сообщение 1. Методика и средства определения нестационарных аэродинамических характеристик

Рассматриваются результаты исследования аэродинамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании с учетом перекрестных и взаимных аэродинамических связей лопаток в широком диапазоне изменения сдвига фаз и соотношения амплитуд поступательных...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2007
Автори:	Стельмах, А.Л., Лен, А.Д., Зиньковский, А.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2007
Назва видання:	Проблемы прочности
Теми:	Производственный раздел
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48037
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании. Сообщение 1. Методика и средства определения нестационарных аэродинамических характеристик / А.Л. Стельмах, А.Д. Лен, А.П. Зиньковский // Проблемы прочности. — 2007. — № 2. — С. 129-142. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48037
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-480372025-02-09T16:27:53Z Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании. Сообщение 1. Методика и средства определения нестационарных аэродинамических характеристик Experimental and calculation analysis of dynamical stability of flexural-and-torsional vibrations of compressor blades under continuous and stalling airflow conditions. Part 1. The technique and means of determination of non-stationary aerodynamic characteristics Стельмах, А.Л. Лен, А.Д. Зиньковский, А.П. Производственный раздел Рассматриваются результаты исследования аэродинамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании с учетом перекрестных и взаимных аэродинамических связей лопаток в широком диапазоне изменения сдвига фаз и соотношения амплитуд поступательных и угловых составляющих их перемещений, а также угла атаки. Описаны методика и средства экспериментального определения нестационарных аэродинамических характеристик лопаток на основе модели плоских решеток профилей. Розглядаються результати дослідження аеродинамічної стійкості згинально-крутильних коливань компресорних лопаток при безвідривному і зривному обтіканні з урахуванням перехресних та взаємних аеродинамічних зв’язків лопаток у широкому діапазоні зміни зсуву фаз і співвідношення амплітуд поступальних і кутових складових їх переміщень, а також кута атаки. Описано методику і засоби експериментального визначення нестаціонарних аеродинамічних характеристик лопаток на основі моделі плоских решіток профілів. We discuss the results of the aerodynamic stability study of flexural-and-torsional vibrations of compressor blades under continuous and stalling airflow conditions, with account of in a broad variation range of phase-shifts and ratios of amplitudes of translational and angular components of their displacements, as well as of the angle of attack. We describe the technique and means of experimental determination of non-stationary aerodynamic characteristics of blades, based on the model of plane grids of profiles. Aвторы выражают благодарность С.A. Соломко, который принимал непосредственное участие в разработке и отладке виброизмерительных узлов аэродинамического испытательного стенда. 2007 Article Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании. Сообщение 1. Методика и средства определения нестационарных аэродинамических характеристик / А.Л. Стельмах, А.Д. Лен, А.П. Зиньковский // Проблемы прочности. — 2007. — № 2. — С. 129-142. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48037 621.515/62-752 ru Проблемы прочности application/pdf Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Производственный раздел Производственный раздел
spellingShingle	Производственный раздел Производственный раздел Стельмах, А.Л. Лен, А.Д. Зиньковский, А.П. Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании. Сообщение 1. Методика и средства определения нестационарных аэродинамических характеристик Проблемы прочности
description	Рассматриваются результаты исследования аэродинамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании с учетом перекрестных и взаимных аэродинамических связей лопаток в широком диапазоне изменения сдвига фаз и соотношения амплитуд поступательных и угловых составляющих их перемещений, а также угла атаки. Описаны методика и средства экспериментального определения нестационарных аэродинамических характеристик лопаток на основе модели плоских решеток профилей.
format	Article
author	Стельмах, А.Л. Лен, А.Д. Зиньковский, А.П.
author_facet	Стельмах, А.Л. Лен, А.Д. Зиньковский, А.П.
author_sort	Стельмах, А.Л.
title	Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании. Сообщение 1. Методика и средства определения нестационарных аэродинамических характеристик
title_short	Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании. Сообщение 1. Методика и средства определения нестационарных аэродинамических характеристик
title_full	Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании. Сообщение 1. Методика и средства определения нестационарных аэродинамических характеристик
title_fullStr	Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании. Сообщение 1. Методика и средства определения нестационарных аэродинамических характеристик
title_full_unstemmed	Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании. Сообщение 1. Методика и средства определения нестационарных аэродинамических характеристик
title_sort	экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании. сообщение 1. методика и средства определения нестационарных аэродинамических характеристик
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
publishDate	2007
topic_facet	Производственный раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48037
citation_txt	Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании. Сообщение 1. Методика и средства определения нестационарных аэродинамических характеристик / А.Л. Стельмах, А.Д. Лен, А.П. Зиньковский // Проблемы прочности. — 2007. — № 2. — С. 129-142. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
series	Проблемы прочности
work_keys_str_mv	AT stelʹmahal éksperimentalʹnorasčetnoeissledovaniedinamičeskojustojčivostiizgibnokrutilʹnyhkolebanijkompressornyhlopatokpribezotryvnomisryvnomobtekaniisoobŝenie1metodikaisredstvaopredeleniânestacionarnyhaérodinamičeskihharakteristik AT lenad éksperimentalʹnorasčetnoeissledovaniedinamičeskojustojčivostiizgibnokrutilʹnyhkolebanijkompressornyhlopatokpribezotryvnomisryvnomobtekaniisoobŝenie1metodikaisredstvaopredeleniânestacionarnyhaérodinamičeskihharakteristik AT zinʹkovskijap éksperimentalʹnorasčetnoeissledovaniedinamičeskojustojčivostiizgibnokrutilʹnyhkolebanijkompressornyhlopatokpribezotryvnomisryvnomobtekaniisoobŝenie1metodikaisredstvaopredeleniânestacionarnyhaérodinamičeskihharakteristik AT stelʹmahal experimentalandcalculationanalysisofdynamicalstabilityofflexuralandtorsionalvibrationsofcompressorbladesundercontinuousandstallingairflowconditionspart1thetechniqueandmeansofdeterminationofnonstationaryaerodynamiccharacteristics AT lenad experimentalandcalculationanalysisofdynamicalstabilityofflexuralandtorsionalvibrationsofcompressorbladesundercontinuousandstallingairflowconditionspart1thetechniqueandmeansofdeterminationofnonstationaryaerodynamiccharacteristics AT zinʹkovskijap experimentalandcalculationanalysisofdynamicalstabilityofflexuralandtorsionalvibrationsofcompressorbladesundercontinuousandstallingairflowconditionspart1thetechniqueandmeansofdeterminationofnonstationaryaerodynamiccharacteristics
first_indexed	2025-11-27T23:27:16Z
last_indexed	2025-11-27T23:27:16Z
_version_	1849988005435015168
fulltext	ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ УДК 621.515/62-752 Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании. Сообщение 1. М етоди к а и ср ед ств а о п р едел ен и я н естац и он ар н ы х аэродинамических характеристик А. Л . С тельм ах , А. Д. Л ен , А. П . З и н ьковски й Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина Рассматриваются результаты исследования аэродинамической устойчивости изгибно-кру- тильных колебаний компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании с учетом перекрестных и взаимных аэродинамических связей лопаток в широком диапазоне изменения сдвига фаз и соотношения амплитуд поступательных и угловых составляющих их перемещений, а также угла атаки. Описаны методика и средства экспериментального определения нестационарных аэродинамических характеристик лопаток на основе модели плоских решеток профилей. К л ю ч е в ы е с л о в а : компрессор, лопатки, плоская решетка, профиль, изгибно- крутильные колебания, нестационарные аэродинамические характеристики, аэродинамическая устойчивость. П остан овка задачи. Стремление к обеспечению высоких удельных параметров авиационных газотурбинных двигателей (АГТД) неизбежно свя зано с проблемами колебаний лопаточного аппарата рабочих колес. Напри мер, один из способов повышения компактности и снижения веса турбо машин состоит в использовании лопаток с большим удлинением. Это вызы вает, во-первых, смещение спектра собственных частот колебаний лопаток в область их уменьшения и, во-вторых, возбуждение высокочастотных изгибно- крутильных форм колебаний лопаток, которые характеризуются сдвигом фаз поступательных и угловых составляющих перемещений сечений, а также различными значениями соотношения их амплитуд. Известно [1], что определяющим фактором потери устойчивости крыла при классическом флаттере является сдвиг фаз между поступательными и угловыми составляющими перемещениями крыла, который обусловливает перекрестную аэродинамическую связь, а также подвод энергии из потока. Потере аэродинамической устойчивости рассматриваемых лопаток присущи основные особенности классического флаттера крыла самолета [2], однако этот процесс осложняется взаимным влиянием соседних лопаток венца. Аналогичное явление характерно также для облегченных лопаточных вен цов вентиляторных и компрессорных ступеней, которые обладают податли © А. Л. СТЕЛЬМАХ, А. Д. ЛЕН, А. П. ЗИНЬКОВСКИЙ, 2007 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 2 129 А. Л. Стельмах, А. Д. Лен, А. П. Зинъковский выми дисками либо имеют антивибрационные бандажные полки. Автоколе бания таких венцов реализуются в виде бегущих волн деформации с различ ным числом узловых диаметров и окружностей. Если в сечениях лопаток вблизи расположения бандажных полок сдвиг фаз поступательных и вращ а тельных составляющих перемещений каждой лопатки близок к л / 2, то в периферийных сечениях из-за деформации лопаток и их связности через поток возможны другие его значения [3-5]. Анализ известных результатов изучения изгибно-крутильного флаттера лопаточных венцов показал, что его природа и условия возбуждения еще недостаточно выяснены. В частности, это относится к нахождению пере крестных аэродинамических характеристик (ПАХ) лопаток, определяющих аэродинамическую связь между различными составляющими перемещений сечений лопаток, в зависимости от режимов их нагружения. Отметим, что в рамках линейных теорий нестационарного обтекания решеток, которые глав ным образом используются в расчетах на устойчивость лопаточных венцов, предполагается независимость указанных характеристик от угла сдвига фаз и соотношения амплитуд соответствующих составляющих перемещений лопаток [6]. Однако такие допущения не отвечают реальным условиям эксплуатации двигателя при отклонении от расчетных режимов его работы, когда обтекание лопаточных венцов характеризуется нерасчетными углами атаки и сопровождается срывом потока. Это может быть одной из причин существенного расхождения между результатами расчетов и данными натур ных испытаний лопаточных венцов по определению их динамической устой чивости [7]. Кроме того, наряду с перекрестными аэродинамическими связями колеб лющихся лопаток возникают, как уже отмечалось, аэродинамические связи вследствие взаимодействия различных составляющих перемещений сосед них лопаток венца. Оценка их влияния на границу динамической устойчи вости венцов в условиях разной степени аэродинамической нагруженности лопаток, сопровождающейся как безотрывным, так и срывным обтеканием, также недостаточно описана в литературных источниках. Цель работы состоит в изложении результатов исследований аэродина мической устойчивости изгибно-крутильных колебаний компрессорных лопа ток при их безотрывном и срывном обтекании с учетом перекрестных и взаимных аэродинамических связей лопаток в широком диапазоне измене ния сдвига фаз и соотношения амплитуд поступательных и угловых состав ляющих их перемещений, а также угла атаки. Данное сообщение посвящено описанию методики и средств экспери ментального определения нестационарных аэродинамических характерис тик лопаток на основе использования плоских решеток лопаточных профи лей. М етодика определения перекрестн ы х аэродинам ических х ар ак те ристик. В соответствии с постановкой задачи методика определения неста ционарных аэродинамических характеристик (НАХ) лопаток венца при изгибно-крутильных колебаниях в условиях безотрывного и срывного обте кания должна обеспечивать возможность варьирования углом сдвига фаз и соотношением амплитуд поступательных и угловых перемещений как от 130 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 2 Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости дельных, так и соседних лопаток. Анализ известных методик эксперимен тального определения НАХ показал, что они не удовлетворяют полностью этим требованиям. Так, в частности, изложенная в работе [8] методика, хотя и позволяет определить ПАХ колеблющегося крыла, для исследования НАХ вибрирующих реш еток неприемлема. Известен ряд разработанных методик с использованием плоских и кольцевых реш еток лопаточных профилей, с помощью которых можно опре делять НАХ лопаток в условиях безотрывного и срывного обтекания [9-16]. Их особенностью является моделирование лопатки подсистемой с одной степенью своботы, что позволяет изучать лиш ь изгибные и крутильные колебания решеток. В Институте проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины были разработаны экспериментальные методики определения НАХ, соглас но которым лопатки рассматриваются как подсистемы с двумя степенями свободы [17, 18]. Ранее [17] изложена методика, основанная на использо вании плоской решетки лопаточных профилей, кинематика движения кото рых характеризует перемещения сечений реальных лопаток при низших формах колебаний. Однако она позволяет проводить испытания только при фиксированных значениях соотношения амплитуд и углах сдвига фаз 0 или 180° поступательных и угловых составляющих перемещений профиля. С помощью методики, описанной в [18], можно измерять погонные нестацио нарные аэродинамические силу и момент при произвольной комбинации малых поступательных и угловых перемещений профилей плоской решетки. При этом НАХ представляются в виде аэродинамических коэффициентов влияния (АКВ), определяемых при решении системы линейных уравнений, соответствующих числу АКВ. В силу предположения о линейности задачи АКВ, а следовательно, и НАХ определяются без учета угла сдвига фаз и соотношения амплитуд поступательных и угловых составляющих переме щений лопаточного профиля. С учетом изложенных ограничений известных методик авторами была разработана методика, которая позволяет непосредственно определять НАХ в зависимости от соотношения амплитуд и угла сдвига фаз поступательных и угловых составляющих перемещений сечений лопаток. Методика основана на использовании плоской решетки лопаточных профилей (рис. 1). Исследуемая реш етка состоит из трех вибрирующих профилей (п = —1, 0, 1), которые размещаются в ее центральной части, и пакета неподвижных фоновых профилей. Центральные профили могут совершать поступательные, угловые и совместные поступательно-угловые перемещения с требуемыми амплитудами и сдвигом фаз составляющих перемещений как исходного (п = 0), так и соседних (п = — 1, 1) профилей. Следует отметить, что профиль рассматривается как абсолютно твердое тело, а его поступательные, угловые и поступательно-угловые перемещения задаются с помощью комбинированной упругой подвески. Таким образом, упругая подвеска с установленным на нее лопаточным профилем пред ставляет собой колебательную систему с двумя степенями свободы (рис. 2). Вынужденные колебания каждой из систем профиль-подвеска в потоке описываются системой линейных дифференциальных уравнений: ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 2 131 А. Л. Стельмах, А. Д. Лен, А. П. Зинъковский \m ÿ + S а а + (1 + j ] y ) k y y + L = F x; [ і а а + S a У + (1 + j ] a ) k а а + M = F 2r , (1) где у , а - поступательное и угловое перемещения профиля; т - приведен ная масса колеблющейся части упругой подвески; I а , Б а - приведенные соответственно момент инерции и статический момент профиля и колеблю щейся части упругой подвески относительно оси вращения; ^ у , ц а - коэф фициенты потерь в материале упругой подвески; у - мнимая единица; к у, к а - коэффициенты изгибной и крутильной жесткости упругой подвески; Б \ , Б 2 - гармонические силы, прикладываемые к упругой подвеске; г - плечо силы ^ 2 относительно оси вращения профиля; Ь, М - погонные нестационарные аэродинамические сила и момент, действующие на колеб лющийся в потоке лопаточный профиль. Рис. 1. Модель и основные параметры плоской решетки профилей. Рис. 2. Схема упругой подвески профиля и приложения переменных сил. Представим погонные нестационарные аэродинамические силу Ь и момент М в виде 132 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 2 Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости п=— 1 L = qb 2 \ ln y - T + lnaa (2) 1 n=— 1 m y , ny + m naa n (3)b 1 2 где q = 2 р у і - скоростной напор; р и ¥ і - плотность и относительная скорость потока соответственно; Ь - хорда профиля; п - номер профиля в решетке; 1пу, т па и 1па, т пу - комплексные коэффициенты пропорци ональности между возникающими на п-м профиле нестационарной аэро динамической силой и моментом и его поступательными у п и угловыми а п перемещениями соответственно, которые представляют собой нестаци онарные аэродинамические характеристики. Заметим, что только изгибные или крутильные колебания имеют место в случае отсутствия инерционной связи между поступательными и угло выми перемещениями профиля. Это эквивалентно тождественному равенству нулю статического момента относительно оси вращения Б а = т х ц т . Для установления искомых НАХ рассмотрим исходный профиль. Оста новимся на определении его перекрестных аэродинамических характерис тик /0а и т 0у , исходя из разности измерения сил, приложенных к упругой подвеске, при возбуждении поступательно-угловых перемещений профиля в потоке и его чисто поступательных и угловых перемещений соответственно. Вычитая из первого уравнения (1) это же уравнение в предположении а = 0, что эквивалентно только изгибным колебаниям профиля, получаем формулу для определения характеристики 1оа : - К 1оа = ■ (4) Аналогичная процедура со вторым уравнением системы (1) в предполо жении у о = 0 позволяет получить формулу для определения характерис тики т 0 у : (^2 - ^2кр)г т 0 у = ------- 1---------■ (5)у q b y 0 В формулах (4) и (5) введены следующие обозначения: ^ іи , - переменные силы, прикладываемые к упругой подвеске, при возбуждении изгибных и крутильных колебаний системы соответственно. Определение нестационарных аэродинамических характеристик /- іа , т - і у , /іа , т і у , обусловленных взаимодействием соседних профилей, осу ществляется аналогично определению ПАХ, но при одновременных колеба ниях двух рядом стоящих профилей решетки с соответствующими переме щениями. ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 2 133 А. Л. Стельмах, А. Д. Лен, А. П. Зинъковский С редства эксп ери м ен тальн ого определения НАХ. Для реализации методики был модернизирован испытательный аэродинамический стенд [19]. Он представляет собой аэродинамическую трубу прямого действия, пред назначенную для исследования плоских реш еток лопаточных профилей, где аэродинамическая нагруженность и режим их обтекания оцениваются путем записи формы следов за решеткой и пульсаций на их границе с помощью термоанемометрической аппаратуры и кооординатного устройства. Испытательный стенд обеспечивает следующее: 1) независимое управление углом сдвига фаз и соотношением амплитуд поступательных и угловых составляющих перемещений исследуемого про филя при одновременном измерении прикладываемых внешних периоди ческих сил; 2) независимое изменение собственных частот изгибных и крутильных составляющих колебаний профиля; 3) стабильность величины механического демпфирования для задава емых уровней амплитуды колебаний систем независимо от условий испыта ний (в воздушном потоке или без него); 4) возможность изменения положения центров тяжести и вращения исследуемого профиля. Остановимся на описании основных узлов стенда. Выполнение указан ных условий достигается с помощью специально разработанных вибро систем (рис. 3), состоящих из лопаточного профиля и комбинированной упругой подвески в виде крутильного и изгибного элементов, жестко соеди ненных между собой. Изгибный элемент представляет собой рамную конструкцию камертон ного типа с основанием, двумя упругими параллельными пластинчатыми стойками и ригелем, выполненными как одно целое, который обеспечивает практически плоскопараллельные перемещения профиля. Центральная часть ригеля используется для установки и жесткого крепления крутильного эле мента, а его боковая поверхность - для крепления подвижной катушки вибровозбудителя и сменных (калиброванных) масс. Крутильный элемент выполнен в виде крестообразного стержня рав ного сечения, на траверсе ригельной части которого размещены коротко замкнутый виток вибровозбудителя и контргруз. На ригеле имеются поса дочные места для установки профиля и оси с резьбовой нарезкой, которая предназначена для балансировки и последующего изменения положения центра тяжести лопаточного профиля с помощью подвижных масс. При этом выбор положения центра вращения профиля и последующее изменение его расположения вдоль хорды осуществляются за счет смещения замковой части профиля относительно регеля крутильного элемента. Крутильный и изгибный упругие элементы подвески соединяются по средством конических сегментов и зажимной гайки, что обеспечивает тре буемую жесткость и возможность регулировки длины упругой части кру тильного элемента. Вибросистема является основной частью вибрационно-измерительного узла, с помощью которого задаются необходимые перемещения лопаточного профиля, а также обеспечивается измерение нестационарных аэродинами 134 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 2 Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости ческих силы Ь и момента М , действующих на колеблющийся в потоке профиль. Учитывая, что исходный и соседние с ним профили имеют разное назначение, согласно предложенной методике определения НАХ были раз работаны соответствующие вибрационно-измерительные узлы. Рис. 3. Конструкция вибросистемы: 1 - лопаточный профиль; 2, 3 - изгибный и крутильный упругие элементы; 4 - основание; 5 - стойки упругие; 6 - ригель; 7 - катушка вибро возбудителя; 8 - короткозамкнутый виток вибровозбудителя; 9 - контргруз; 10 - ось балансировки; 11 - массы подвижные; 12 - конический сегмент; 13 - зажимная гайка. На рис. 4 показан вибрационно-измерительный узел исходного про филя. В его конструкцию наряду с вибросистемой входят кронштейн, два электродинамических вибратора и массивный груз, которые смонтированы на верхней плите трехъярусной платформы. При этом верхняя плита выве шивается относительно средней и фиксируется относительно нижней с помощью стальных струн. М ежду средней и нижней плитами установлены резиновые пальцы. Такая конструкция платформы позволяет стабилизиро вать величину механического демпфирования при колебаниях вибросистемы ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 2 135 А. Л. Стельмах, А. Д. Лен, А. П. Зиньковский за счет максимального снижения утечек энергии в фундамент и ее энерго обмена с другими источниками колебаний, возникающими при измерениях в условиях работы испытательного стенда. Рис. 4. Вибрационно-измерительный узел исходного профиля: 1 - вибросистема; 2 - крон штейн; 3, 4 - электродинамические вибраторы; 5 - массивный груз; 6-8 - верхняя, средняя и нижняя плиты соответственно; 9 - стальная струна; 10 - резиновый палец; 11 - подвижная катушка переменного тока; 12 - короткозамкнутый виток; 13 - неподвижная обмотка переменного тока. Электродинамические вибраторы (ЭДВ), с помощью которых задаются поступательные-угловые перемещения исследуемого профиля и осущ еств ляется измерение прикладываемых переменных сил и моментов, выполнены по разным конструктивным схемам. Вибратор 4, предназначенный для созда ния поступательных перемещений профиля, имеет подвижную катушку переменного тока в виде цилиндрического текстолитового каркаса с равно мерно намотанным проводом и пропитанным эпоксидным клеем. В вибра торе 3, который служит для задания угловых перемещений профиля, исполь зуется короткозамкнутый виток, индуктивно связанный с неподвижной обмоткой переменного тока. Для увеличения индуктивной связи неподвиж ную обмотку располагают по обеим сторонам короткозамкнутого витка - на ярме магнитной системы и ее центральном керне. Использование такой 136 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 2 Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости схемы вибратора способствовало снижению момента инерции вибрирующей части крутильного элемента, росту зазоров между короткозамкнутым вит ком и магнитопроводом, увеличению диапазона исследуемых амплитуд пере мещений лопаточного профиля. Отметим, что направление приложения внешних периодических сил к вибросистеме (рис. 2) и геометрические характеристики сечений ее упругих элементов выбраны таким образом, чтобы возбуждение угловых перемещений профиля не приводило к его поступательным перемещениям, и наоборот. Конструкция вибрационно-измерительного узла для задания поступа тельно-угловых перемещений профилей п = —1 и 1, соседних с исходным, показана на рис. 5. Особенность конструкции узла заключается в том, что поступательные перемещения вибросистемы возбуждаются за счет воздей ствия на нее упругих волн деформации, создаваемых генератором и пере даваемых по материалу кронштейна и плиты. Генератор упругих волн деформации представляет собой упругий элемент камертонного типа, к ригелю которого прикреплена подвижная катушка переменного тока электро динамического вибратора. При этом собственные частоты колебаний гене ратора и вибросистемы настраиваются с помощью сменных масс. Такой способ возбуждения поступательных перемещений вибросистемы упрощает компоновку вибрационно-измерительных узлов на стенде и дает возмож ность использовать ЭДВ, которые развивают большие переменные усилия и, следовательно, имеют большие габариты. В частности, использование стан дартных ЭДВ, развивающих эффективную переменную силу 100 Н, позво ляло создавать поступательные перемещения рассматриваемых профилей на режимах, смещенных от резонанса, что повышало точность измерения аэро динамических нагрузок в условиях срывного обтекания лопаток и низких приведенных частот их колебаний. Рис. 5. Вибрационно-измерительный узел профилей, соседних с исходным: 1 - вибросистема; 2 - генератор упругих волн деформации; 3 - кронштейн; 4 - верхняя плита; 5 - вибратор; 6 - подвижная катушка переменного тока; 7 - сменные массы; 8 - стальная струна. ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 2 137 А. Л. Стельмах, А. Д. Лен, А. П. Зинъковский На рис. 6 показана блок-схема систем возбуждения, регистрации посту пательно-угловых перемещений лопаточного профиля и измерения перемен ных сил, развиваемых вибраторами каждого вибрационно-измерительного узла. Рис. 6. Блок-схема систем возбуждения, регистрации поступательно-угловых перемещений лопаточного профиля и измерения переменных сил: 1 - генератор; 2 - фазовращатель; 3 - дифференциальный сумматор; 4 - усилитель мощности; 5 - стабилизированный источник питания постоянного тока; 6 - тензодатчик; 7 - тензоусилитель; 8, 12 - цифровой вольтметр; 9, 13 - цифровой фазометр; 10 - четырехлучевой осциллограф; 11 - активный резистор; 14 - аналогово-цифровой преобразователь; 15 - персональный компьютер. Система возбуждения колебаний состоит из прецизионного генератора синусоидальных сигналов, фазовращателей, дифференциальных сумматоров, усилителей мощности и стабилизированных источников питания. Фазовращатели, предназначенные для исследования влияния сдвига фаз перемещений профилей на искомые НАХ, выполнены на операционных усилителях по схеме фазозапаздывающего звена первого порядка, в котором сдвиг фаз выходного и входного сигналов может изменяться от 0 до 180°. Последовательное включение трех фазовых звеньев позволяет регулировать сдвиг фазы между задаваемыми сигналами от 0 до 360° и более с точностью 0,1° как плавно, так и дискретно. Для стабильной работы схемы и подавле ния электромагнитных наводок все каскады охвачены глубокой обратной связью. Используемая схема фазовращателей обеспечивает постоянство амп литуд выходных сигналов при варьировании углами сдвига фаз между ними в диапазоне частот 10 Гц...10 кГц. Регистрация перемещений профилей осуществляется с помощью тензо- датчиков, препарированных на упругие элементы вибросистемы, тензоусили- телей, цифровых вольтметров и фазометров, четырехлучевого осциллогра фа, аналогово-цифрового преобразователя и персонального компьютера. 138 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 2 Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости Используемые тензоусилители выполнены на интегральных микросхе мах с высоким коэффициентом усиления и сверхнизким значением шума и обеспечивают устойчивую работу всех измерительных приборов в рассмат риваемом частотном диапазоне. С помощью дифференциальных сумматоров автоматически поддержи ваются амплитуды поступательных и угловых перемещений профилей в потоке с точностью ±1,5% . Калибровка измерительных каналов проводится путем сопоставления показаний вольтметров с амплитудами поступательных и вращательных перемещений профилей, замеряемыми микроскопом в стробоскопическом свете. При этом погрешность измерения амплитуд колебаний профиля по каждому из перемещений не превышала ±2% . Оценка вынуждающих сил, развиваемых ЭДВ, производится по пара метрам тока в проводнике подвижной катушки переменного тока вибратора, создающего поступательные перемещения профиля, и в неподвижной обмот ке переменного тока вибратора с короткозамкнутым витком, используемого для возбуждения его угловых перемещений. При этом сила, развиваемая ЭДВ, определяется по формуле Г = В11 , где В - магнитная индукция в воздушном зазоре; I - длина проводника; I - сила переменного тока в проводнике. Поскольку магнитная индукция и длина проводника, находящегося в магнитном поле, постоянны, сила Г , развиваемая ЭДВ, пропорциональна силе тока I в соответствующих обмотках вибратора и практически син- фазна с ним. Сила тока для каждого ЭДВ определяется цифровыми вольтметрами по падению напряжения на активных резисторах (рис. 6), а величина сдвига фаз между электрическими сигналами, определяющими прикладываемые пере менные силы и соответствующие перемещения профиля, - цифровыми фазометрами. Для определения модуля вынуждающей силы ЭДВ выполняется дина мическая калибровка каждого канала регистрации изгибного и крутильного упругих элементов. Калибровка осуществляется для заданной величины амплитуды перемещений профиля на резонансной частоте колебаний вибро системы путем попеременного нагружения изгибного и крутильного упру гих элементов известными инерционной силой и моментом, которые созда ются вследствие навески калиброванных масс на ригеле изгибного и травер се (с длиной плеча г) крутильного упругих элементов. При этом для каждого известного значения инерционной силы и момента измеряются сила тока и сдвиг фаз между током и перемещением профиля. Нестационарные аэродинамические сила Ь и момент М , действующие на вибрирующий профиль, определяются из векторной разности сил и мо ментов для поддержания одинаковых значений амплитуды перемещений в воздушном потоке и без такового. Векторные значения силы и момента оцениваются по модульным значениям сил \| и \| и углам сдвига фаз р 1 и р 2 между этими силами и соответствующими перемещениями. Более ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2007, № 2 139 А. Л. Стельмах, А. Д. Лен, А. П. Зинъковский подробно процедура измерений нестационарных аэродинамических нагру зок описана в [20]. Суммарная погрешность определения нестационарных аэродинамичес ких нагрузок с учетом погрешности динамической калибровки каналов составляет не более 5%. Р езультаты апробации методики. Для подтверждения работоспособ ности предложенной методики определения НАХ проводили испытания плоской компрессорной реш етки лопаточных профилей с углом выноса 13 = 30° и относительным шагом = 1 при нулевом угле атаки. При этом профиль имел относительные кривизну и толщину 4,5%, острые переднюю и заднюю кромки. Результаты испытаний приведены на рис. 7 в виде зависимости модульных значений ПАХ при поступательно-угловых переме щениях профиля от приведенной частоты колебаний К (числа Струхаля). Там же представлены указанные зависимости, полученные расчетным путем [6]. Как видно, наблюдается удовлетворительное совпадение эксперимен тальных и расчетных результатов определения ПАХ для различных значе ний приведенной частоты колебаний лопаточного профиля рассматриваемой решетки. a 2,5 О -I------------------ ------------------ ------------------ 0.25 0.5 0.75 К б Рис. 7. Экспериментальные (И) и расчетные (♦) зависимости модульных значений пере крестных аэродинамических характеристик т - а и \іоа \ - б от приведенной частоты колебаний К . В ы в о д ы 1. Разработаны методика и средства экспериментального определения НАХ компрессорных лопаток при безотрывном и срывном обтекании с учетом перекрестных и взаимных аэродинамических связей лопаток на основе использования плоской решетки профилей. 140 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 2 Экспериментально-расчетное исследование динамической устойчивости 2. Получено хорошее соответствие между экспериментальными и рас четными результатами определения HAX компрессорных лопаток. Aвторы выражают благодарность С. A. Соломко, который принимал непосредственное участие в разработке и отладке виброизмерительных узлов аэродинамического испытательного стенда. Р е з ю м е Розглядаються результати дослідження аеродинамічної стійкості згинально- крутильних коливань компресорних лопаток при безвідривному і зривному обтіканні з урахуванням перехресних та взаємних аеродинамічних зв ’язків лопаток у широкому діапазоні зміни зсуву фаз і співвідношення амплітуд поступальних і кутових складових їх переміщень, а також кута атаки. Опи сано методику і засоби експериментального визначення нестаціонарних аеродинамічних характеристик лопаток на основі моделі плоских решіток профілів. 1. Ф ът Я . Ц . Введение в теорию аэроупругости. - М.: Гос. изд-во. физ.- мат. лит., 1959. - 523 с. 2. Х о р и к о в A . A . О возможности возникновения “классического” флаттера рабочих лопаток турбомашин // Пробл. прочности. - 1976. - № 3. - С. 25 - 28. 3. S ta rg a r d te r H . Optical determination o f rotating fan blade deflacnions // J. Eng. Power. - 1977. - 99, No. 2. - P. 63 - 71. 4. H o c k le y B. S ., F o r d R. A . J ., a n d F o o r d C. A . M easurem ent o f fan vibration using double pulse holography // Ibid. - 1978. - 100, No. 4. - P. 192 - 201. 5. K u rk o v A . P . M easurements o f self-excited rotor-blade vibration using optical displacements // Ibid. - 1984. - 106, No. 1. - P. 22 - 28. 6. Г о р е л о в Д . H ., К у р зи н В. Б ., С а р ен В. Э . Aтлас нестационарных аэро динамических характеристик решеток профилей. - Новосибирск: Наука, 1974. - 150 с. 7. Б е н д и к с е н О ., Ф р и д м а н П . Влияние изгибно-крутильного взаимодейст вия на флаттер лопаток вентиляторов и компрессоров // Энергет. маши ны и установки. - 1982. - 104, № 3. - С. 58 - 66. 8. Г а р р и к И . Э . Нестационарные характеристики крыла // Aэродинамика частей сам олета при больш их скоростях / П од ред. A. Ф. Д оновэна, Г. Р. Лоуренса. - М.: Изд-во иностр. лит., 1959. - С. 530 - 648. 9. T a n id a Y., H a tta K., a n d A sa n u m a T. Experimental study on flutter in cascading blades // Bull. JSME. - 1963. - 6, No. 24. - P. 736 - 743. 10. H a n a m u ra Y. a n d T a n a ka H . The Flexure-torsion flutter o f aerofoils in cascade // Ibid. - 1967. - 10, No. 40. - P. 647 - 662. 11. У а й т хед Д ., У от сон П ., Н а га с и м а Т., Г р а н т P . Эксперимент для измерения коэффициентов момента профилей, колеблющихся в решетке // Нестационарное течение в турбомашинах. - М.: Мир, 1979. - С. 166 - 177. ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 200?, № 2 141 А. Л. Стельмах, А. Д. Лен, А. П. Зиньковский 12. Я ш и м а С ., Т а н а ка X . Крутильный флаттер реш етки при отрывном обтекании // Энергет. машины и установки. - 1978. - 100, № 2. - С. 135 - 144. 13. C arta P. O. a n d H ila ir e A . O. S t. Experim entally determined stability parameters o f a subsonic cascade oscillating near stall // J. Eng. Power. - 1978. - 100, No. 1. - P. 111 - 120. 14. C arta P. O. a n d H ila ir e A . O. St. Effect o f interblade phase angle and incidence angle on cascade pitching stability // Ibid. - 1980. - 102, No. 2. - P. 391 - 396. 15. К а р т а Ф. Нестационарная аэродинамика и пошаговые периодические характеристики реш етки колеблющихся профилей // Энергет. машины и установки. - 1983. - 105. - № 3. - С. 101 - 111. 16. H a n a m u r a Y. a n d Y a m a g u c h i K . A n experim ental investigation on aerodynamic interblade interactions o f a vibrating cascade in transonic flow // JSM E Int. J. - 1987. - 30, No. 270. - P. 1919 - 1927. 17. С т е льм а х А . Л . Аэродемпфирование и устойчивость вентиляторных и компрессорных реш еток в условиях безотрывного и срывного обте кания // Вибрации в технике и технологиях. - 1999. - № 1 (10). - С. 45 - 51. 18. Ц и м б а л ю к В. А . М етодика измерений нестационарных аэродинамичес ких сил и моментов на вибрирующих профилях решетки // Пробл. прочности. - 1996. - № 2. - С. 100 - 109. 19. С т е льм а х А . Л ., Л е н А . Д ., И в а ш к е в и ч О. В., К а м и н е р А . А . Экспе риментальный стенд для исследования нестационарных явлений в аэро динамических решетках турбомаш ин // Там же. - 1983. - № 1. - С. 116 - 122. 20. Ч ер во н ен к о А . Г ., К а м и н е р А . А ., Б е р н е А . Л . М етодика эксперимен тального определения аэродинамических сил, вызванных вибрациями лопаток плоской реш етки // Там же. - 1993. - № 6. - С. 88 - 93. Поступила 20. 07. 2005 142 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 2

Репозитарії

Схожі ресурси