научная статья по теме СРЫВНОЙ ФЛАТТЕР ПРИ НЕПОЛНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБОКОМПРЕССОРА Математика

Текст научной статьи на тему «СРЫВНОЙ ФЛАТТЕР ПРИ НЕПОЛНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБОКОМПРЕССОРА»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 431, № 1, с. 36-38

ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

УДК 531.1

СРЫВНОИ ФЛАТТЕР ПРИ НЕПОЛНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБОКОМПРЕССОРА © 2010 г. Академик Р. Ф. Ганиев, О. Б. Балакшин, Б. Г. Кухаренко

Поступило 08.10.2009 г.

В работе [1] рассматривается эволюция флаттера при синхронизации колебаний лопаток ротора турбокомпрессоров на основе спектрального анализа записи их испытаний. В работе исследуются особенности срывного флаттера при неполной синхронизации колебаний лопаток, которые отображаются переходным процессом частоты оборотов ротора (рис. 1). Вращающийся срыв — это локализованная ячейка разделения (и/или обращения) потока, которая вращается с частотой порядка от 30 до 70% от частоты вращения /к ротора в направлении лопаток компрессора [2, 3]. Как правило, вращающийся срыв потока возникает на статоре компрессора, состоящем из неподвижных лопаток. В компрессоре как при вращающемся срыве потока, так и при общем явлении вращающейся неустойчивости существуют почти периодические пульсации давления воздуха с частотой /10) < /к (/к — частота вращения ротора) [4, 5]. В рассматриваемом сильно нагруженном вентиляторе (компрессоре) частота вращающегося срыва /10) - 62 Гц. Как видно на рис. 2, вращающийся срыв возникает при I = 1.6787 с (момент внезапного изменения знака фактора демпфирования

(логарифмического декремента) б^ на частоте /10) с "—" на "+"). В системе координат, связанной со статором компрессора, пульсации давления потока характеризуются дискретным почти гармониче-

ским спектром частот/{]°) - п/, п = 1, 2, ... Частотные компоненты пульсаций давления потока возбуждаются в разные моменты времени, но временное изменение демпфирования на гармониках / П0), п = 2, 3,., воспроизводит зависимость на частоте /10) - 62 Гц (рис. 2). При этом первой возбуждается

частота /1 0) (гармоника порядка 1). В таблице 1

,(0)

приведены спектральные характеристики: / п —

(0)

частота, бП0) — фактор демпфирования для частотных компонент пульсаций давления воздушного потока при I = 4.65 с. Параметры частотных компонент идентифицируются индивидуально. Таблица 1 показывает точность, с которой выполняется условие кратности их частот. В среднем

/70) - 433 Гц. При I = 4.65 с частота /70) седьмой гармоники принимает максимальное значение (табл. 1) и после этого /70) резко убывает. Вращающийся срыв потока отображается в спектре частот и демпфирования колебаний лопаток ротора, однако эти колебания не синхронизованы. Например, моменты изменения знака демпфирования с "—" на "+" на частоте 229 Гц для лопаток 8, 18 и 31 ротора составляют 2.23 , 2.27 и 2.25 с.

Синхронизация колебаний лопаток, как показано в [1], стабилизирует процессы и сглаживает изменения спектральных параметров коллективной моды классического флаттера. Напротив, отсутствие синхронизации при срывном флаттере приводит к импульсным переходным процессам,

/к, Гц 205 г

200 195 190 185 180 175

012345678

9 10 I, с

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской Академии наук, Москва

Рис. 1. Переходный процесс частоты оборотов ротора при испытаниях высоконагруженного вентилятора газотурбинного двигателя на срывной флаттер.

СРЫВНОЙ ФЛАТТЕР

37

5(0), с-1 8

6 -

0123456789

г, с

Рис. 2. Импульсный процесс изменения демпфирования 5<0) пульсаций давления потока (частота ~62 Гц) при его срыве.

Ът, с 8

1 2 3 4 5

67

9 г, с

Рис. 3. Импульсный процесс демпфирования колебаний 8-й лопатки на частоте ~229 Гц.

4

0

8

почти на порядок изменяющим спектральные параметры рабочих лопаток, и связывает их с изменениями частоты оборотов ротора (рис. 1). Процессы изменения собственных частот и фактора демпфирования пульсаций давления потока и колебаний лопаток носят импульсный характер и могут возбуждать резонанс виброударного типа. Эти особенности срывного флаттера снижают прочность и сокращают ресурс рабочих лопаток ротора.

Результаты спектрального анализа тензомет-рической записи 8-й рабочей лопатки ротора, представленные на рис. 3, 4, показывают переходные процессы фактора демпфирования и частоты моды срывного флаттера. Максимальное положительное значение фактора демпфирования при возникновении срывного флаттера (г ~ ~ 2.23 с) примерно в десять раз больше, чем при классическом флаттере с полной синхронизацией колебаний лопаток [1]. Изменение фактора демпфирования на доминирующей частоте ~229 Гц (рис. 3) отражается переходным процессом этой частоты (рис. 4). Это связано с явлением резонанса собственной частоты лопатки с гармоникой частоты вращающегося срыва с учетом частоты /К оборотов ротора компрессора.

Рассмотрим теоретическую связь гармоник частоты моды колебаний лопаток ротора с гармониками частоты пульсаций давления вращающегося срыва потока. Пусть ф — угол по окружности статора компрессора. В системе координат, связанной со статором компрессора (индекс /), одномерное азимутальное распределение давления рр(г, ф) при вращающемся срыве потока может быть разложено в ряд Фурье по круговым модам,

характеризуемым числом т узловых диаметров — порядком круговой моды, в виде

= Яе

Р (ф) =

X I X Ртп СХР (/'(2 1 + т ф))

ТО / ТО

ЛИ

*-п = 1 т = —то

(1)

где Ртп = Атп ехрО'Ф,™), Фт« — соответственно амплитуда и фаза [6, 7]. Таким образом, в системе координат, связанной со статором компрессора,

„ ,.(0) ,

вращающийся источник звука с частотой / п , п = 1, 2, ..., возбуждает все круговые моды (акустические диаметральные моды) порядков т = ±1, ±2, ... с этой частотой. Переход в систему отсчета, связанную с колесом ротора (индекс К), соответствует преобразованию ф ^ ф — 2пК, где/К — частота оборотов ротора, а формула для распределения давления рК(г, ф) при вращающемся срыве потока имеет вид

Таблица 1

п / (0) / п я(0) 8п А0), А0) / п / / 1

1 62.3050 —0.1798 1.0000

2 123.0232 0.2734 1.9745

3 185.9094 0.2892 2.9839

4 248.3890 —0.0632 3.9867

5 310.5012 0.3178 4.9836

6 371.9755 0.5828 5.9702

7 434.3024 0.0003 6.9706

38

ГАНИЕВ и др.

fr, Гц 232

231 230 229 228 227 226 225

0

2 3 4 5

67

89 t, с

Рис. 4. Переходный процесс доминирующей частоты 8-й лопатки ~229 Гц.

Р (t, ф) =

Д0Ъ

= Re

= Re

X | X Ртexp(j(2я/Гt + т(ф - 2/)))

= 1 m = -да да / да

X I X Pm eXP (j( 2 n(f(0> - mfR) t + m Ф))

n = 1 m = -да

(2)

В результате спектр частот пульсаций давления потока, воздействующих на отдельную лопатку ротора при вращающемся срыве потока, имеет вид

/,m = «/Г - mfR, n = 1, 2, ..., m = ±1, ±2,

(3)

Формула (3) определяет необходимые "кинематические" условия возможного возбуждения нелинейного резонанса лопаток в виде сетки частот, зависящих от частоты оборотов ротора. Достаточными "физическими" условиями возникновения срывного флаттера является потеря

устойчивости переходных процессов демпфирования пульсаций давления потока и колебаний лопаток, характеризуемых внезапным изменением их знака. С ростом частоты оборотов ротора условия резонанса (3) смещаются в области более высоких гармоник частоты срыва потока и субгармоник собственной частоты колебаний лопаток. В исследуемом вентиляторе собственная частота колебаний лопатки /т = 230 Гц (рис. 3). Согласно (3) при частоте оборотов ротора/ = 203 Гц (рис. 1) ип = 7, т = 1 имеет место равенство /Пт = /т Возникает резонанс собственной моды

лопатки с седьмой гармоникой /7(0) = 433 Гц частоты пульсаций давления при вращающемся срыве потока. Срывной флаттер лопатки возникает после внезапного изменения знака фактора демпфирования пульсаций давления потока (рис. 2) на частоте 62 Гц и подтверждается внезапным изменением знака фактора демпфирования колебаний лопатки (рис. 3) на доминирующей частоте ~229 Гц, сопровождаемым внезапным изменением этой частоты (рис. 4).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ганиев Р.Ф., Балакшин О.Б., Кухаренко Б.Г. // ДАН. 2009. Т. 427. № 2. С.179-182.

2. Greitzer E.M. // Trans. ASME. J. Fluids Eng. 1980. V. 102. P. 134-151.

3. Cumpsty N.A. Compressor Aerodynamics. Malabar (FL): Krieger, 2004.

4. Baumgartner M., Kameier F., Hourmouziadis J. ISABE. XX International Symposium on Airbreathing Engines. Melbourne, 1995. P. 1-13.

5. Kameier F., Neise W. // J. Sound and Vibration. 1997. V. 203. P. 833-853.

6. Tyler J.M., Sofrin T.G. Axial Fow Compressor Noise Studies. Technical Report. Pratt and Whitney Aircraft Division. Leipzig: United Aircraft Corp., 1961.

7. Tyler J.M., Sofrin T.G. // SAE Trans. 1962. V. 70. P. 309-332.

1

эи

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком