Управление динамическим поведением роторов ГТД посредством опоры с регулируемой жесткостью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Фомина, Ольга Николаевна

• Фомина, Ольга Николаевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фомина, Ольга Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

1.1. Методы контроля вибраций роторных систем.

1.2. Контроль вибраций в турбомашинах.

1.3. Задачи диссертационной работы.

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ОПОРЫ КОМПРЕССОРНОГО СТЕНДА.

2.1. Предварительный расчет трансмиссии стенда для начала рабочего проектирования промежуточной опоры.

2.2. Описание конструкции промежуточной опоры.

2.3. Узлы и элементы промежуточной опоры.

2.4. Проектирование упругого кольца.

2.5. Проектирование упругой втулки.

2.6. Расчет долговечности подшипников промежуточной опоры.

2.7. Расчет управляющего давления воздуха в "думисной" полости.

2.8. Конечно-элементный анализ упругой втулки.

2.9. Экспериментальные исследования осевой податливости упругой втулки.

2.10. Выводы.

3. ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВАЛОПРОВОДА.

3.1. Моделирование динамической системы валопровода.

3.2. Частоты и формы колебаний, анализ.

3.3. Идентификация математической модели по экспериментальным данным.

3.4. Нестационарный анализ поведения валопровода при изменении жесткости.

3.5. Выводы.

4. ИСПЫТАНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ОПОРЫ В СОСТАВЕ КОМПРЕССОРНОГО СТЕНДА.

4.1. Общая схема компрессорного стенда с промежуточной опорой

4.2. Основные блоки и узлы компрессорного стенда.

4.3. Результаты тестовых испытаний.

4.4. Выводы.

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПОРЫ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ ДЛЯ АВИАЦИОННОГО ГТД.

5.1. Общие положения.

5.2. Конструкция задней опоры КНД.

5.3. Конструкция передней опоры КНД.

5.4. Выводы.

6. ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление динамическим поведением роторов ГТД посредством опоры с регулируемой жесткостью»

Большая часть повреждений в газотурбинных двигателях (ГТД) происходит в результате возникновения в них вибраций. Вибрации возбуждаются периодическими или внезапно приложенными силами, действующими как самостоятельно, так и в сочетании с термическими, статическими и другими факторами.

Вибрации становятся особенно сильными в зоне резонансов, когда частоты возмущающих сил или моментов совпадают с частотами собственных колебаний системы. Вероятность возникновения резонансных режимов возрастает с увеличением быстроходности ГТД.

Борьба с вибрациями становится неотъемлемым условием обеспечения высокого качества ГТД. Она ведется на этапах проектирования, доводки, серийного производства и эксплуатации.

Для снижения вибраций проводятся различные мероприятия: обеспечение соосности опор роторов, частотная отстройка от резонансных режимов, балансировка роторов. Уменьшение вибраций в деталях и узлах происходит также в результате демпфирования, как естественного, так и искусственного. Первое достигается вследствие внутреннего трения в материале и узлах конструкции и внешнего трения от взаимодействия колеблющейся детали или узла с внешней средой; второе - за счет применения специальных демпферных устройств.

Наиболее распространенным способом борьбы с вибрациями является частотная отстройка, заключающаяся в выведении критических частот вращения роторов из рабочего диапазона. В первую очередь это касается критических частот вращения, которым соответствует первая или вторая изгибные формы колебаний роторов.

Так как корпуса и ротора ГТД выполняются довольно податливыми из-за требования минимальной массы, то вывести критические частоты выше максимальной частоты вращения ротора в большинстве случаев не представляется возможным. Поэтому для частотной отстройки роторов авиационных ГТД применяют увеличение податливости опор с помощью специальных упругих элементов, снижающих критические частоты так, чтобы они были ниже частоты вращения "малого газа". Формы колебаний для этих критических частот вращения являются "балочными" или близкими к ним, т.е. роторы и корпуса совершают колебания как жесткие тела на податливых опорах. При этом вся потенциальная энергия колебаний находится в опорных узлах роторов или подвеске двигателя. По отношению к этим формам колебаний роторы работают в закритической области и, следовательно, слабо реагирует на разбалансировку, которая возникает вследствие вытяжки дисков и лопаток, обжатия лопаточных замков, приработки разъемных соединений ротора и т.д. Поэтому частотная отстройка ротора позволяет снизить и сделать стабильным уровень вибраций ГТД в рабочем диапазоне режимов.

Подбором жесткостей опор удается также расширить диапазон между двумя смежными критическими частотами вращения и подобрать их так, чтобы они существенно отличались от рабочих скоростей вращения.

Вместе с тем следует отметить, что применение упругих опор сопровождается появлением ряда отрицательных свойств. Вследствие больших податливостей опор появляются большие статические радиальные перемещения ротора под действием сил веса, перегрузок во время полета, возможны ударные нагрузки при действии ограничителей перемещений. Большие деформации создают опасность задевания лопаток о корпус, врезания лабиринтных уплотнений и т. д.

При создании и доводке современных авиационных газотурбинных двигателей широко применяются стенды для автономных испытаний вентиляторов и компрессоров. Данные испытания требуют от стенда обеспечения работы в широком диапазоне частот вращения. При необходимости охватить диапазон работы, например, до 30000 об/мин, остро встает вопрос об отстройке от критических частот вращения роторов трансмиссии стенда в этом широком диапазоне.

Для существующих низкооборотных стендов данная задача обычно решается их перепроектированием и изготовлением новой материальной части. Этот вариант требует немалых временных и финансовых затрат. Применение упруго-демпферных элементов в конструкции опор не исправляет ситуацию, т.к. необходимый рабочий диапазон чрезвычайно широк. Часто в области рабочих оборотов находится не только первая, но и вторая критические частоты вращения роторов трансмиссии стенда.

Естественно, что подобная ситуация негативным образом сказывается на возможности проведения испытаний компрессоров. Повышенные вибрации отрицательно влияют на вибросостояние как испытуемой конструкции, так и узлов стенда. Часто вообще не удается пройти через резонансный режим и провести испытания компрессора на высоких частотах вращения.

Возможным решением данной проблемы может стать внедрение в конструкцию стендов опор роторов с изменяемыми в процессе работы жесткостными характеристиками. В этом случае затраты на доработку стенда будут минимальными, а сам стенд может быть использован как для низкооборотных, так и для высокооборотных компрессоров.

В соответствии с вышесказанным была определена и основная цель диссертационной работы - создание опоры, позволяющей директивно менять свою жесткость и, тем самым, менять динамические характеристики всей роторной системы.

Актуальность работы определяется необходимостью:

- обеспечения исследования рабочих характеристик компрессора низкого давления (КНД) двигателя АЛ-55И во всем рабочем диапазоне;

- решения конкретной задачи по снижению уровня вибраций компрессорного стенда "НТЦ им. А.Люльки" ОАО "НПО "Сатурн";

- снижения временных и финансовых затрат на переоборудование стенда;

- поиска, исследований и разработки новых решений конструкций опорных узлов авиационных двигателей новых поколений для работы на закритических режимах.

Научная новизна заключается в том, что впервые разработана и испытана конструкция опоры, позволяющая непосредственно во время работы директивно менять свою жесткость, что в свою очередь изменяет значения критических частот вращения ротора, смещая их относительно рабочих оборотов на тех или иных режимах работы.

Особенностью разработанной конструкции является изменение жесткости опоры за счет изменения осевой нагрузки. Такой опорой служит опора с шарикоподшипником, воспринимающая осевую силу ротора. Увеличение осевой нагрузки на опору приводит к изменению жесткости опоры за счет образования контакта по посадочной конической поверхности. Это является необходимым условием для изменения значений критических частот вращения ротора для отстройки системы резонансных режимов работы.

В работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование данной опоры. Ее применение позволяет стендовой установке эффективно работать на закритических режимах, существенно расширяя охватываемый диапазон частот вращения без переборки или изменения конструкции. Проверка работоспособности опоры в условиях стенда создала базу для использования подобной конструкции и в авиационных двигателях. С учетом этого, автор защищает возможность и целесообразность применения опоры данной конструкции не только в составе трансмиссии испытательных стендов, но и в составе летных ГТД.

Практическая ценность. Применение опоры данной конструкции позволяет стендовой установке эффективно работать на закритических режимах, существенно расширяя охватываемый при испытаниях диапазон частот вращения без переборки или изменения конструкции. Незначительное увеличение массы и габаритов относительно стандартных вариантов упруго-демпферных опор не является критичным при создании стендовой установки и окупается увеличением возможностей испытательного стенда, сокращением материальных и временных затрат на возможные перемонтажи стенда, связанные с постановкой нового испытуемого узла. Разработанная опора и метод управления вступили в эксплуатацию на испытательном стенде Т-4 "НТЦ им. А.Люльки" ОАО "НПО Сатурн" [36]. Проведены испытания компрессора низкого давления АЛ-55И.

Достоверность результатов работы подтверждается: использованием фундаментальных положений роторной динамики и вибрационной диагностики при постановке цели работы и определении методов ее достижения; использованием известных методов, алгоритмов и стандартов для оценки технического состояния ГТУ методами виброметрирования; использованием сертифицированных аппаратных средств для проведения испытаний на компрессорном стенде; использованием сертифицированных программных средств, для проведения статического и динамического анализа роторной системы стенда; совпадением с приемлемой точностью результатов моделирования и эксперимента; возможностью после установки опоры проходить критические частоты вращения без повышенных вибраций и проводить испытание КНД двигателя АЛ-55И на всех необходимых режимах.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Научно-техническом совете "НТЦ им. А.Люльки" ОАО "НПО Сатурн", а также следующих конференциях:

- международной научно-технической конференции "Динамика, прочность и ресурс машин и конструкций", Украина, г. Киев, 2004 г.;

- ХП1 международной научно-технической конференции "Компрессорная техника и пневматика в XXI веке", Украина, г. Сумы, 2004 г.;

- международной научно-технической конференции "Динамика, прочность и ресурс машин и конструкций", Украина, г. Киев, 2005 г.;

- XIV Международном коллоквиуме "Mechanical Fatigue of Metals", Болгария, Варна, 2008 г.;

- XIV Международном Конгрессе двигателестроения, п. Рыбачье, Крым, 2009 г.

Публикации. Имеется 14 публикаций и патентов, в том числе 5 по теме диссертации, из которых одна работа опубликована в ведущем рецензируемом научном издании «Вестник МАИ»; три публикации в тематических сборниках и трудах конференций; один патент.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Она изложена на 109 страницах, содержит 59 рисунков, 10 таблиц и список использованных источников, включающий 65 наименований.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Фомина, Ольга Николаевна

6. выводы

1. Спроектирована и изготовлена промежуточная опора компрессорного стенда, позволяющая непосредственно во время работы директивно менять свою податливость. В конструкцию промежуточной опоры входит упругая втулка, не имеющая аналогов в мировой практике.

2. Разработана математическая модель для определения вибрационных характеристик валопровода стенда. Проведена идентификация модели по экспериментальным исследованиям.

3. На основании разработанной математическое моделирование определены основные резонансные режимы валопровода стенда с КНД изделия 55И и подготовлена программа управления переменной жесткостью для проведения испытаний по определению характеристик высокоскоростных компрессоров на рабочих режимах.

4. Проведены экспериментальные исследования работы опоры с изменяемой податливостью в составе стенда, которые показали возможность ее использования при переходе через резонансные режимы.

5. Разработанная опора позволила расширить охватываемый при испытаниях диапазон частот вращения без переборки или изменения конструкции стенда.

6. Модифицированный стенд использовался для снятия напорных характеристик КНД изделия 55И и подготовлен для снятия напорных характеристик КНД и КВД вновь разрабатываемых двигателей.

7. Разработаны конструкции передней и задней опор ротора КНД с изменяемой податливостью для двухвального авиационного ГТД. Применение данных опор позволяет расширить рабочий диапазон двигателя путем контролируемого снижения уровня вибраций.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фомина, Ольга Николаевна, 2010 год

1. Андреев А.В., Бондаренко М.В., Некрасов С.С., Рогожкин В.Е. Сосновский В.П. Упругая опора ротора турбореактивного двигателя. Авторское свидетельство СССР № 1825032, 1973 г.

2. Андреев А.В., Кикоть Н.В., Марчуков Е.Ю., Терешко А.Г. Способ исследования динамических свойств вращающегося ротора. Патент на изобретение RU №2273836. Опубликовано 10.04.2006. Бюл. №10.

3. Белоусов А.И., Балякин В.Б., Новиков Д.К. Теория и проектирование гидродинамических демпферов опор роторов. Самара: Издательство СНЦРАН. 2002 г. 335 с.

4. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машиностроение. 1993 г.

5. Блехман И.И. Вибрационная механика. М.: Физматлит, 1994 г. 400 с.

6. Вибрации в технике. Справочник. В 6-ти т./Ред. В.Н. Челомей (пред). — М.: Машиностроение, 1980 Т.З. Колебания машин, конструкций и их элементов/ Под ред. Ф.М. Диментберга и Е.С. Колесникова. 1980 г. 544 с.

7. Григорьев Н.В. Нелинейные колебания элементов машин и сооружений, Машгиз, Москва 1961, стр. 100-110.

8. Дегтярев С.А., Леонтьев М.К., Иванов А.В. Современные методы анализа роторной динамики вращающихся машин. Тезисы доклада. XII

9. Международный Конгресс двигателестроения. 14-19 сентября 2007 г., п.

10. Рыбачье, Крым. 2007 г. 37 с.

11. Дегтярев С.А., Леонтьев М.К. Моделирование динамических характеристик мультипликатора компрессорного стенда. Журнал "Вестник Московского авиационного института" № 1, 2008 г., т. 15.

12. Динамика авиационных газотурбинных двигателей / Под ред. И.А. Биргера, Б.Ф.Шорра. М.:- Машиностроение, 1981, 232 с.

13. Добрынин С.А., Фельдман М.С., Фирсов Г.И. Методы автоматизированного исследования вибраций машин: Справочник/ М.: Машиностроение, 1987 г. 224 с.

14. Зенкова Л.Ф., Кикоть Н.В., Колобов Г.И., Фомина О.Н. Передняя опора вентилятора газотурбинного двигателя. Патент № 2318136, F04D 29/08.

15. Зенкова Л.Ф., Кикоть Н.В., Колобов Г.И., Фомина О.Н. Узел соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя. Патент № 2328610, F02C 7/36.

16. Иванов А.В. Леонтьев М.К. Модальный анализ динамических систем роторов "Известия высших учебных заведений. Авиационная техника". 2005, №3, стр. 31-35.

17. Карасев В.А., Максимов И.П., Сидоренко М.К. Вибрационная диагностика газотурбинных двигателей М., Машиностроение, 1978 г. 132 с.

18. Кельзон А.С., Малинин Л.М. Управление колебаниями роторов. СПб.: Политехника, 1992 г.

19. Кикоть Н.В., Колобов Г.И., Абашкина Н.Э., Фомина О.Н., Петров Н.И., Косинов Г.М., Цыкунов Н.В. Исследование работоспособности и теплового состояния межроторного роликоподшипника. Конверсия в машиностроении. Вып.4/5 2007 г., стр. 38.

20. Кикоть Н.В., Колобов Г.И., Фомина О.Н. Опора ротора компрессора газотурбинного двигателя. Полезная модель № 86664, F01D 25/16.

21. Кикоть Н.В., Леонтьев М.К., Фомина О.Н. Упруго-демпферная опора роторной машины. Патент на изобретение RU №2365766. Опубликовано 27.08.2009. Бюл. №24.

22. Кикоть Н.В., Терешко А.Г., Фомин В.Н. Упруго-демпферная опора роторной машины . Патент на изобретение RU № 2303 143. Опубликовано 20.07.2008. Бюл. №20.

23. Леонтьев М.К. Конструкция и расчет демпферных опор роторов ГТД: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 1998 г. 44 с.

24. Леонтьев М.К., Фомина О.Н. Активное управление жесткостью опорных узлов роторов. Конструкция и статический анализ, Журнал «Вестник Московского авиационного института» т. 14 № 4, 2007 г., стр. 57-62.

25. Малинин Л.М., Первозванский А.А. Оптимизация перехода несбалансированного ротора через критическую скорость. Машиноведение, 1983г., N 4, стр. 36-41.

26. Некрасов С.С., Пипопуло А.В. Упругая опора турбомашины. Авторское свидетельство СССР № 1207232, 1984 г.

27. Некрасов С.С., Пипопуло А.В. Упругая опора ротора турбомашины. Авторское свидетельство СССР №1431432, 1986 г.

28. Отраслевой стандарт ОСТ1 14724-90. Кольца упругие роторов.1. Конструкция 1991 г.

29. Сидоренко М.К. Виброметрия газотурбинных двигателей. — М.: Машиностроение, 1973. 224 стр.

30. Техническая справка № 55 Д0-502 по испытаниям установки КНД К55-01 на испытательном стенде Т-4 ОАО «НПО «Сатурн»

31. Томчин Д.А. Фрадков А.Л., Управление прохождением через область резонанса при пуске двухроторных вибрационных установок. Проблемы машиностроения и надежность машин. 2007г., 91-96 с.

32. Томчин Д.А., Фрадков A.JI. Управление прохождением ротора через зону резонанса на основе метода скоростного градиента // Проблемы машиностроения и надежности машин, №5, 2005г., 66 — 71 с.

33. Хронин Д.В. Колебания в двигателях летательных аппаратов. М.: Машиностроение. 1980 г. 296 с.

34. Atepor, Lawrence (2009) Vibration analysis and intelligent control of flexible rotor systems using smart materials. PhD thesis, University of Glasgow.

35. Bently, D. E., Grant, J. W., and Hanifan, P. C., 2000, "Active Controlled Hydrostatic Bearings for a New Generation of Machines", Trans, of ASME-J. of Engineering for Gas Turbines and Power (pre-print 2000-GT-354).

36. Childs, Dara.W. "Turbomachinery rotordynamics: phenomena, modeling and analysis". JOHN WILLEY & SONS, INC. 1993. pp. 476

37. Edbauer R, Meinke P, Muller P. C., Wauer J. Durchfahren biegekritischer Drehzahlen elastischer Rotoren /Passive Methods for Helping Elastic Rotors to Pass the Critical Speeds / VDI-Berichte №156, 1982, pp. 157-166

38. Ehrich F. Subharmonic Vibration of Rotors in Bearing Clearance. ASME Paper Nr66-MD-1 (1966)

39. Fuller C.R., Elliot S J. & Nelson P.A. Active control of vibration. Academic Press. London. 1996. 332 p. ISBN 0-12-269440-6.

40. Gunter E.J., Jr., Dynamic Stability of Rotor Bearing systems, NASA SP-113, 1966.

41. Juhanko.J; Porkka, E.; Kuosmanen, P.; Valkonen, A; Jarviluoma, M. ACTIVE VIBRATION CONTROL OF A PAPER MACHINE ROLL, 6th International DAAAM Baltic Conference INDUSTRIAL ENGINEERING 24-26 April 2008, Tallinn, Estonia.

42. Nicoletti, R., and Santos, I. F., 2003. ACTIVE LUBRICATION: FEASIBILITY AND LIMITATIONS ON REDUCING VIBRATION IN ROTATING MACHINERY, ABCM Symposium Series in Mechatronics -Vol.1-pp.434-443.

43. Nicoletti, R., and Santos, I. F., 2003, "Linear and Non-Linear Control Techniques Applied to Actively Lubricated Journal Bearings", J. of Sound and Vibration, Vol. 260, No. 5, pp. 927-947.

44. Porkka E., Kuosmanen P., Valkonen A., Jarviluoma M. Active Vibration

45. Control of Paper Machine Roll. Juhanko J., th International DAAAM Baltic Conference INDUSTRIAL ENGENEERING 14-26 April 2008, Tallinn, Estonia.

46. Reducing Lateral Vibration of a Rotor Passing Through Critical Speeds by Phase Modulating, J. Eng. Gas Turbines Power, 2003, Volume 125, Issue 3, 766 (6 pages) doi: 10.1115/1.1581893.

47. Richard Markert, Georg Wegener. Transient vibration of Elastic Rotors in Retainer Bearings. Darmstad Univercity of Technology, Bird Rock Publishing House, 1998.

48. Rodrigo Nicoletti, Ilmar Ferreira Santos ACTIVE LUBRICATION: FEASIBILITY AND LIMITATIONS ON REDUCING VIBRATION IN ROTATING MACHINERY, ABCM Symposium Series in Mechatronics -Vol. lpp 434-443.

49. R.Markert, G. Wegener. Transient Vibrations of Elastic Rotors in Retainer Bearings. Darmstadt University of Technology, Bird Rock Publishing House (1998)

50. Santos, I. F., 1994, "Design and Evaluation of Two Types of Active Tilting-Pad Journal Bearings", Proceedings of IUTAM Symposium on Active Control of Vibration, Bath, England, pp. 79-87.

51. Santos, I. F., and Scalabrin, A., 2003, "Control System Design for Active Lubrication with Theoretical and Experimental Examples", Trans, of ASME J. of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 125, No. 1, pp. 75-80.

52. Sun L., Krodkiewski J.M. & Cen Y. Self-tuning adaptive control of forced vibration in rotor systems using an active journal bearing. Journal of Sound and Vibration, 1998, Vol 213, No 1, pp 1-14.

53. Surjani Suherman, Raymond H. Plaut, Use of a Flexible Internal Support to Suppress Vibrations of a Rotating Shaft Passing Through a Critical Speed.

54. Journal of Vibration and Control, Vol. 3, No. 2, 213-233 (1997) DOI: 10.1177/107754639700300205

55. Viderman, Z and Porat, I, An Optimal Control Method for Passage of a Flexible Rotor Through Resonances, Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 109, 1987, 216-223.

56. WANGS.-M.; LUQ.-S; TWIZELL E. H. Reducing lateral vibration of a rotor passing through critical speeds by phase modulating. Journal of engineering for gas turbines and power 2003, vol. 125, no3, pp. 766-771

57. Wen Yu, T.Y.Chai, Yi Yuan. Centrifuges Rotor Adaptive Control Using Support Stiffness Change and Decreased Vibration Force Technique. 13 th Triennial World Congress, San Francisco, USA. 1996

58. Wen Yu, T.Y Chai, Yi Yuan, Decreased Vibration Control for Centrifuges: A New Adaptive Hybrid Control Technique, Control Engineering Practice, Vol.4, No. 12, 1693-1700, 1996

59. Wu, W., and Pfeiffer, F., 1998, "Active Vibration Damping for Rotors by a Controllable Oil-Film Bearing", Proceedings of the 5th IFToMM Int. Conf. on Rotor Dynamics, Darmstadt, Germany, pp. 431-443.

60. Z.C. Feng, XIAO-ZHANG Zhang. Rubbing phenomena in rotor-stator contact. J.Chaos, Solutions and Fractals 14 (2(X)2) 257-267