научная статья по теме НЕЛИНЕЙНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ДИАМЕТРАЛЬНЫЕ МОДЫ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ ПОТОКА ПРИ ФЛАТТЕРЕ ЛОПАТОК РОТОРА ТУРБОКОМПРЕССОРА Машиностроение

Текст научной статьи на тему «НЕЛИНЕЙНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ДИАМЕТРАЛЬНЫЕ МОДЫ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ ПОТОКА ПРИ ФЛАТТЕРЕ ЛОПАТОК РОТОРА ТУРБОКОМПРЕССОРА»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 4, 2014

УДК 531.3,533.6,534.1

© 2014 г. Балакшин О.Б.1, Кухаренко Б.Г.1, Пайч Д.2

НЕЛИНЕЙНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ДИАМЕТРАЛЬНЫЕ МОДЫ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ ПОТОКА ПРИ ФЛАТТЕРЕ ЛОПАТОК РОТОРА

ТУРБОКОМПРЕССОРА

1 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва 2 Технический университет, г. Берлин

Исследуются особенности пульсаций давления потока при флаттере на изгибной частоте лопаток ротора аксиального турбокомпрессора, наступившем после неполного резонанса на крутильной частоте лопаток с гармоникой частоты оборотов ротора. На основе усредненных по ансамблю уравнений Навье—Стокса предсказывается спектр частот нелинейных акустических диаметральных мод. Это позволяет идентифицировать в спектре частот для записей пульсаций давления потока при флаттере наряду с гармониками частоты оборотов ротора характерные серии, определяемые изгибной частотой флаттера, а также его второй гармоникой. Появление второй гармоники изгибной частоты является нелинейной реакцией потока, которая локально во времени ограничивает амплитуду флаттера.

Особенность возникновения и развития классического флаттера для лопаток ступени ротора типа блиск (от английского "bladed disk") аксиального турбокомпрессора авиационных двигателей состоит в том, что флаттеру на собственной частоте лопаток, как правило, предшествует резонанс на другой собственной частоте лопаток, вызываемых гармоникой частоты вращения ротора. С ростом частоты вращения ротора развитие резонанса прерывается в результате наступления флаттера — синхронных колебаний лопаток на их собственной частоте, не связанной никакими численными соотношениями с частотой вращения ротора. Синхронизация колебаний лопаток ротора в аэроупругой системе происходит по причине упругости сжатого потока воздуха, в котором при флаттере возникают акустические диаметральные моды пульсаций давления. Флаттер лопаток ротора турбокомпрессора описывается моделью круговых мод синхронных колебаний

Nb -1

t) = X UmSXP j2nfBt + (i - 1 m)) , (1)

m =- Nb + 1

при которых лопатки ступени ротора колеблются с собственной частотой лопаток fB и постоянным сдвигом фаз

Vm = N, m = 0, ±1, ±2, ..., ±(Nb - 1), (2)

где Nb — число лопаток в ступени ротора турбокомпрессора. Предшествование резонанса флаттеру, но при конкуренции резонанса и флаттера только одной моды колебаний лопаток ротора, установлено в [1].

Л, Гц

Рис. 1 Рис. 4

При испытаниях ротора типа блиск рассматриваемого турбокомпрессора зависимость частоты вращения ротора fR от времени до наступления изгибного флаттера лопаток первой ступени при fR « 60 Гц приведена на рис. 1. Установлено [2], что в диапазоне времени t = 4, ..., 20 с первоначально возбуждаются крутильные моды лопаток с частотой fT « 178 Гц, близкой гармонике 3fR частоты вращения ротора. При увеличении частоты вращения ротора происходит уход из резонанса на частоте fT крутильной моды лопаток и в диапазоне времени t = 17,4, ..., 24,6 с наступает флаттер с положительным фактором демпфирования (логарифмическим декрементом с обратным знаком) на более низкой изгибной частоте лопаток fB « 81 Гц. Нелинейная модель с антисимметричной упругой силой F(—x) = —F(x) предсказывает изгибные колебания лопаток x = x(t) со спектром, содержащим только нечетные гармоники собственной частоты fB [3].

Линейной реакцией потока на флаттер лопаток ротора являются акустические диаметральные моды пульсаций давления потока [4]. В системе отсчета ротора они представляют собой одночастотные пульсации с частотой синхронных изгибных колебаний лопаток fB « 81 Гц. Нелинейная реакция потока описывается усредненными по Рейнольдсу уравнениями Навье—Стокса для поля скоростей потока [5]. Для потока воздуха в аксиальном турбокомпрессоре усреднение Рейнольдса по ансамблю для уравнений Навье—Стокса получается усреднением мгновенных скалярных и векторных полей потока для моментов времени, отличающихся на последовательные периоды вращения ротора [6]. Усреднение по ансамблю дает детерминированную (когерентную) нестационарную плотность потока

м

<р(z, r, ф, t)) = lim 1 У p(z, r, ф, t + Tr(m - 1)),

m = 1

где {г, г, ф} — цилиндрические координаты; Тк — период вращения ротора, I = [0, кТк], где к — целое.

Для компонент иа(г, г, ф, 0, а = {г, г, ф} мгновенного поля скоростей потока используется взвешенное плотностью усреднение по ансамблю (усреднение Фавра)

< ua(Z9 Г, ф, t)) =

м

lim 1 У р(z, г,ф, t + Tr(m - 1)) иа(Z, г,ф, t + Tr(m - 1))

м ^ юМ

v м ^юМ <

m = 1

/<р(z, г,ф, t)),

а = {z, r, ф}, где t = [0, kTR], к — целое.

Мгновенное поле скоростей потока декомпозируется на детерминированное (когерентное) (3) и случайное (флуктуирующее) поле скоростей

иаг, ф, г) = <иа(г, Г, ф, г)> + %а(г, г, ф, г), а = {г, г, ф}, (4)

где из (3) следует <%а(г, г, ф, г)> = 0 , а = ^, г, ф}.

Усреднение Рейнольдса по ансамблю для уравнений Навье—Стокса представлено в [6, 7]. Нелинейное уравнение для аксиального момента имеет вид

д < Р> <иг) + д ( < р> <иг> < иг> + < Р> ) + 1 д г < р> <ц> < иг> + 1 д < р> <иф> <иг> = дг дг г дг г дф

= д ( < Т гг> - < р % г % > ) + 1 д г ( < Т гг> - < Р%г% г> ) + 1 д ( < Т фг> - < Р% ф% г> ) дг г дг г дф

Дополнительные члены в (5) по сравнению с уравнениями Навье—Стокса — это напряжения Рейнольдса = <р%а%р> , а, в = г, ф} в виде корреляций случайных полей из (4).

Уравнение (5) описывает нелинейную реакцию поля скоростей потока на колебания поверхностей лопаток ротора на его границах. При одночастотном колебании лопаток xb = Ax 8т(2п/я0 временная зависимость детерминированных (когерентных) компонент <иг> и <иф> поля скоростей потока представляется рядом Фурье

< иг> » А^п (2 / + 9г1) + Л^т (4/ + 9г 2) + ...,

(6)

< «V ® В^п (2/ + ) + В28т (4/ + 9ф2) + ...

В (6) члены с первой гармоникой описывают усредненную по ансамблю (3) линейную реакцию потока

< иг> да А^п (2 л/в г + 9^), < да В^п (2 я/В г + 9ф1)

с изгибной частотой^ колебаний лопаток. По методу гармонического баланса члены со второй гармоникой изгибной частоты в (6) производятся рассматриваемыми как возмущения в (5) нелинейными членами <р><иа><ир>, а, в = г, ф} в виде

<иг>< V даА^п(2/ + 9г1)В^п(2п/вг + 9ф1) + ... =

АХВХ. ...........(7)

(СС8(9г1 - 9Р1) - СС8(4/ + 9г1 + 9Р1)) + .

В экспериментальных исследованиях потока в аксиальных турбокомпрессорах среднее значение <р( иг - < иг>)( и^ - < и^>)> за M = 100—1000 последовательных мгновенных полей скоростей потока используется как оценка величины напряжений Рей-нольдса в (5) [10]. Эта оценка содержит также вклад когерентного поля скоростей потока (3).

Запись пульсаций давления потока p = p(t) у статора первой ступени рассматриваемого аксиального турбокомпрессора с ростом частоты вращения ротора до ^ « 60 Гц приведена на рис. 2 (при записи частота дискретизации « 20 кГц). В системе координат, связанной с ротором, каждой круговой моде синхронных колебаний лопаток (1) с числом m узловых диаметров (2) соответствует круговая мода пульсаций давления потока с тем же числом m узловых диаметров, называемая акустической диаметральной модой порядка m. Пусть ф — угол по окружности ступени ротора. В системе координат, связанной с ротором, аналогичная (1) формула для усредненного по ансамблю распределения давления потока воздуха с учетом второй гармоники^ имеет вид

Р, В

-0,2 -

-0,4

10

30 50 60 ^ с

Рис. 2

Щ - 1

(8)

(р (Г, ф)> = ^ рЩ)(ехр(/2п/вО + рЩехр(/'4я/вО)ехр(/тф).

т = - Щь + 1

Переход в систему отсчета, связанную со статором аксиального турбокомпрессора (неподвижными направляющими лопатками), соответствует преобразованию ф —► ф + / — частота вращения ротора). Формула (8) принимает вид

Щ -1

-XX ^ А , Л1

(р (и ф)> = ^ Рт}(ехр(/2л/в0 + рШ,)ехр(/4п/в0)ехр(/т(ф + 2/У)

Щь - 1

т = - Щь + 1

= ^ (рт°}ехр(/2п(/В + т • /д)Г) + рШ)ехр(/2п(2/В + т • /д)Г))ехр(/тф).

(9)

т = - Щ + 1

Из (9) следует, что наиболее низкие частоты /т р и /т р акустической с т узловыми диаметрами моды пульсаций давления воздушного потока определяются формулами

т = /в+т • /я,

(10)

= 2/в + т • /к.

(11)

На рис. 3 показаны определенные посредством Быстрого Преобразования Фурье амплитуды спектральных составляющих а = а(/) относительно амплитуды на частоте

/2 ^ ~ 201 Гц второй акустической диаметральной моды для записи пульсаций давления потока (рис. 2). В спектре частот (рис. 3) присутствуют частоты акустических диаметральных мод /ЩЬ , т = 1, ..., 7 (10) иШр , т = 1, ..., 5 (11), а также гармоники частоты вращения ротора/в, т = 1, ..., 7. При переходе в систему отсчета, связанную со статором турбокомпрессора, присутствующие в пульсациях давления потока гармоники частоты вращения ротора преобразуются по формуле, аналогичной (10) и (11), поэтому они всегда присутствуют в записях пульсаций давления потока, обеспечивая резонанс на крутильной частоте /Т « 178 Гц, предшествующий изгибному флаттеру лопаток.

0

а

1,0 Г

0,8 -

0,6 -

0,4 -

0,2

к

l-.-l.JL

100

200

'11' II* ^.....I

300

400

500 /, Гц

0

Рис. 3

Зависящие от времени спектральные параметры записи пульсаций давления потока (рис. 2) определяются по методу Прони [2]. Спектральная декомпозиция произвольного сегмента длиной N для полной записи пульсаций давления потока (временного ряда)рк = р(М0, к = 1, ..., N0 (далее для краткости считается, что интервал дискретизации времени Дt = 1) имеет вид

м

Рк = 2-1 + пк, к = N, (12)

I = 1

где М — число полюсов для сегмента; 11 = ехр(81 + у2п/), / = 1, ..., М — полюса (87 и/ — соответственно, фактор демпфирования (логарифмический декремент с обратным знаком) и частота); г/ = Л1 ехр(/ф/), / = 1, ..., М — вычеты в полюсах (Л1 и ф/ — соответственно амплитуда и фаза); пк — аддитивный шум.

Оценка временной зависимости спектров факторов демпфирования и частот {8/, /, / = 1, ..., М} и соответствующих им спектров амплитуд и фаз {Л/, ф/, / = 1, ..., М} осуществляется по записи на рис. 2 в результате последовательных нецелевых сдвигов временного окна фиксированной длины N = 2000 (размер временного окна 0,1 с). На рис. 3 наиболее демонстративным доказательством нелинейности пульсаций д

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