4. Резонансные режимы и способы борьбы с опасными колебаниями

Резонансным называется режим, при котором частота собственных колебаний лопатки совпадает с одной из гармоник возмущающей силы, т.е. ,

, (2.70)

, (2.71)

откуда

где - число оборотов ротора в секунду при резонансе; - порядок гармоники возбуждающей силы.

Наиболее опасными являются резонансные режимы по первым гармоникам. Резонансные режимы определяют при помощи частотной диаграммы построенной с учётом вращения.

На частотной диаграмме в координатах и строятся зависимости для нескольких частот собственных колебаний (рис.2.9).

Из начала координат проводятся прямые изменения от оборотов частоты вынуждающей силы, которая определяется количеством стоек, форсунок, камер сгорания, лопаток НА и СА и т.д.

Точки пересечения прямых с кривыми собственных частот и есть решение уравнения (2.71), то есть при данных режимах частота вынуждающей силы равна собственной частоте колебаний лопатки – резонансный режим.

В комплекте лопаток одного диска всегда имеется разброс по частотам собственных колебаний (лопатки, устанавливаемые на один диск, подбираются по частотам с отклонением не более 3%), то на графике (рис. 2.9) проводят две эквидистантные кривые изменения частот по оборотам. При этом, резонансные режимы по оборотам реализуются не в точке, а в некоторой диапазоне чисел оборотов (заштрихованные вертикальные полоски на графике (рис.2.9).

Рис. 2.9. Влияние скорости вращения на собственную частоту лопатки

Резонансные режимы, опасные для прочности лопаток, называются критическими. Работа двигателя на резонансных и тем более критических режимах длительное время (режим малого газа, крейсерский режим и т.д.) не допустима. С этой целью проводят отстройку от опасных частот. Для отстройки от опасных режимов можно изменять частоту собственных колебаний лопатки либо частотный спектр возбуждающих сил. По диаграмме (рис.2.9) определяется запас по резонансным оборотам и частотам

Запас по оборотам для низших гармоник задаётся в диапазоне 8…10%.

Силы, демпфирующие колебания

Надежность двигателей требует, чтобы в пределах эксплуатационных частот вращения рабочего колеса, особенно номинальных, не возникали резонансные колебания лопаток с большими амплитудами и напряжениями.

Силами, демпфирующими колебания являются механические, и аэродинамические.

Механическое демпфирование обусловлено:

- упругими свойствами материала лопатки (гистерезисом), при котором работа, затраченная на нагружение лопатки больше возвращаемой работы при разгружении. Силы упругого демпфирования существенно зависят от температуры, массы лопатки и самого материала;

- за счёт сил трения и упругого гистерезиса замковой части. Значение демпфирующих сил замковой части определяется конструкцией замка, геометрическими размерами, условий установки хвостовика (натяг, зазор) и центробежной силы. На максимальных оборотах тип замкового соединения и посадка хвостовика почти не сказываются на демпфирующей силе.

Аэродинамическое демпфирование обусловлено изменением угла атаки набегающего потока на лопатку при её колебаниях, и как следствие изменением подъёмной силы профиля .

Изменение подъемной силы за счет изменения угла набегающего потока относительно профиля демпфирует колебания, но при определенных условиях может стать источником автоколебаний лопаток.

При значении коэффициента запаса прочности проводятся конструктивные мероприятия по отстройки резонансных режимов или снижению амплитуд колебаний.

Отстройка от резонансных режимов осуществляется:

- изменением частот собственных колебаний лопатки за счёт изменения геометрических размеров, материала или конфигурации;

- изменением гармонического спектра частот вынуждающей силы путем изменения конструкции проточной части.

Изменение спектра гармоник возбуждающей силы может быть обеспечено числом стоек, количеством лопаток, жаровых труб камеры сгорания и др.

Снижение опасных амплитуд вынуждающих сил обеспечивается выравниванием газового потока и демпфированием колебаний.

Выравнивание газового потока достигается правильным профилированием проточной части (обтекаемые стойки их расположение и число), увеличением осевого зазора между НА (СА) и рабочим колесом, изменением конструкции, числа и места размещения окон перепуска (отбора) воздуха и т.д.

Увеличение вибропрочности также может быть получено за счёт механического и аэродинамического демпфирования. Механическое демпфирование обеспечивается шарнирным замком крепления лопатки к диску, установкой на периферии или на профильной части лопатки бандажных (вибрационных) полок.

При автоколебаниях лопаток наиболее эффективные способы снижения вибрационных напряжений – улучшение условий их обтекания, уменьшения количества перепускаемого воздуха и введением регулируемых лопаток НА.

Запас усталостной прочности на 30…40% может быть обеспечен уменьшением концентраторов напряжений, и повышением усталостной прочности материала его заменой или упрочнением, например наклёпом поверхности.