RU2689489C1 - Способ создания частотной несогласованности между лопатками лопаточного колеса газотурбинного двигателя и соответствующее лопаточное колесо - Google Patents

Способ создания частотной несогласованности между лопатками лопаточного колеса газотурбинного двигателя и соответствующее лопаточное колесо Download PDF

Info

Publication number
RU2689489C1
RU2689489C1 RU2018119198A RU2018119198A RU2689489C1 RU 2689489 C1 RU2689489 C1 RU 2689489C1 RU 2018119198 A RU2018119198 A RU 2018119198A RU 2018119198 A RU2018119198 A RU 2018119198A RU 2689489 C1 RU2689489 C1 RU 2689489C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
blades
blade wheel
disk
gas turbine
turbine engine
Prior art date
Application number
RU2018119198A
Other languages
English (en)
Inventor
ПАРРА Рохер Фелипе МОНТЕС
Original Assignee
Сафран Эркрафт Энджинз
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сафран Эркрафт Энджинз filed Critical Сафран Эркрафт Энджинз
Application granted granted Critical
Publication of RU2689489C1 publication Critical patent/RU2689489C1/ru

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/10—Anti- vibration means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/04—Antivibration arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/16—Form or construction for counteracting blade vibration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/32—Application in turbines in gas turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

Предложенное изобретение относится к способу создания частотной несогласованности между лопатками лопаточного колеса газотурбинного двигателя относительно выбранной собственной вибрационной моды лопаточного колеса, содержащего диск и N лопаток. При осуществлении способа выбирают собственную вибрационную моду лопаточного колеса с k нодальными диаметрами, при этом k является натуральным целым числом, отличным от нуля и, если N является четным числом, отличным от, при этом указанная собственная мода является вибрационной модой в рабочем диапазоне газотурбинного двигателя. Определяют смещение лопаток по всей окружности лопаточного колеса для каждой из двух стационарных волн деформации одинаковой частоты, которые в комбинации генерируют крутящую модальную деформацию лопаточного колеса в выбранной собственной вибрационной моде. На основании определенного таким образом смещения лопаток для каждой из двух стационарных волн деформации определяют лопатки, для которых пучность колебания первой из указанных стационарных волн деформации соответствует узлу колебания второй стационарной волны деформации. Выполняют выступ или выемку в диске лопаточного колеса напротив каждой из определенных таким образом лопаток, чтобы частотно разделить две стационарные волны деформации и создать частотную несогласованность между лопатками лопаточного колеса относительно выбранной собственной вибрационной моды. Другое изобретение группы относится к лопаточному колесу газотурбинного двигателя, содержащему множество выступов или выемок, выполненных при осуществлении указанного выше способа. Группа изобретений позволяет снизить вибрации лопаточного колеса газотурбинного двигателя во время его работы. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 20 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу для намеренного введения рассогласования в лопаточное колесо газотурбинного двигателя.
Уровень техники
Обычно от входа к выходу в направлении прохождения потока газов газотурбинный двигатель содержит вентилятор, одну или несколько ступеней компрессоров, например, компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, камеру сгорания, одну или несколько ступеней турбин, например, турбину высокого давления и турбину низкого давления, и реактивное сопло.
Каждая ступень компрессора или турбины состоит из неподвижной лопаточной решетки или статора и из вращающейся лопаточной решетки или ротора вокруг главной оси газотурбинного двигателя.
Классически каждый ротор содержит диск, расположенный вокруг главной оси газотурбинного двигателя и содержащий кольцевую площадку, а также множество лопаток, равномерно распределенных вокруг главной оси газотурбинного двигателя и проходящих радиально относительно этой оси от наружной поверхности площадки диска. В этом случае говорят также о «лопаточных колесах».
Лопаточные колеса подвергаются воздействию многочисленных вибрационных явлений, природа которых может быть аэродинамической и/или механической.
В частности, в данном случае нас интересует флаттер, который представляет собой вибрационное явление аэродинамического происхождения. Флаттер связан с сильным взаимодействием между лопатками и проходящей через них текучей средой. Действительно, когда газотурбинный двигатель работает, лопатки, через которые проходит текучая среда, изменяют направление ее потока. Со своей стороны, изменение направления потока проходящей через лопатки текучей среды приводит к возбуждению в них колебаний. Однако при возбуждении лопаток в области одной из их собственных вибрационных частот эта связь между текучей среды и лопатками становится нестабильной: это и называют явлением флаттера. Это явление выражается колебаниями лопаток с возрастающей амплитудой, которые могут привести к образованию трещин и даже к разрушению лопаточного колеса.
Следовательно, это явление является очень опасным, поэтому необходимо прежде всего следить, чтобы связь между текучей средой и лопатками не стала нестабильной.
Чтобы решить эту проблему, как известно, производят «намеренное рассогласование» лопаточных колес. Намеренное рассогласование лопаточного колеса состоит в использовании циклической симметрии лопаточного колеса, а именно того, что лопаточные колеса обычно состоят из ряда геометрически идентичных секторов, и в создании частотной несогласованности между всеми лопатками указанного лопаточного колеса. Иначе говоря, намеренное рассогласование лопаточного колеса состоит во введении смещений между собственными частотами колебания лопаток указанного лопаточного колеса. Такая частотная несогласованность позволяет стабилизировать лопаточное колесо в отношении флаттера за счет усиления его воздушно-упругого демпфирования.
«Намеренное рассогласование» можно противопоставить «самопроизвольному рассогласованию», которое является результатом небольших геометрических изменений лопаточных колес или небольших изменений характеристик их материала, как правило, связанных с производственными и монтажными допусками, которые могут привести к небольшим изменениям собственных частот колебания от одной лопатки к другой.
Для намеренного рассогласования лопаточного колеса уже было предложено несколько решений.
Например, в документе FR 2 869 069 описан способ намеренного рассогласования лопаточного колеса газотурбинного двигателя, которое определяют таким образом, чтобы снизить вибрационные уровни колеса за счет принудительной реакции, отличающийся тем, что в зависимости от условий работы колеса внутри газотурбинного двигателя определяют оптимальное значение типового смещения рассогласования относительно необходимой максимальной реакции по амплитуде колебания на колесе; на указанном колесе по меньшей мере частично располагают лопатки с разными собственными частотами таким образом, чтобы распределение частот всех лопаток имело типовое отклонение, по меньшей мере равное указанному значению рассогласования. Кроме того, в этом документе предложено несколько технологических решений для изменения собственных вибрационных частот от одной лопатки к другой, среди которых можно указать использование разных материалов для лопаток или воздействие на их геометрию, например, использование лопаток разной длины.
Однако описанный в этом документе способ необходимо осуществлять во время проектирования лопаточного колеса. Вместе с тем, когда газотурбинный двигатель работает, на лопаточные колеса действуют разные и сложные вибрационные явления, источники возбуждения которых могут быть самыми разными и часто непредсказуемыми. Лопаточное колесо, рассогласованное при помощи описанного в этом документе способа, может все же подвергаться действию нежелательных вибрационных явлений, которые не могут быть прогнозированы, таких как флаттер, когда газотурбинный двигатель работает.
Другой пример описан в документе ЕР 2 463 481. В этом документе описано лопаточное колесо, в котором через каждые две лопатки выполнены выступы на всей окружности внутренней поверхности площадки диска, чтобы намеренно ввести рассогласование в указанное лопаточное колесо.
Другой пример описан в документе US 2015/0198047. В этом документе описано лопаточное колесо, содержащее чередующиеся лопатки, выполненные из первого титанового сплава, и лопатки, выполненные из второго титанового сплава, при этом первый и второй титановые сплавы задают разные собственные вибрационные частоты лопаток.
Однако в этих документах предложено систематическое намеренное рассогласование лопаточных колес. Иначе говоря, каким бы ни было рассматриваемое лопаточное колесо, его рассогласование осуществляют одинаково, вводя изменение собственных вибрационных частот через каждые две лопатки. Следовательно, рассогласованное таким образом лопаточное колесо все же может подвергаться вредным вибрационным явлениям, таким как флаттер, во время работы газотурбинного двигателя.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков известных методов намеренного рассогласования.
Изобретением предложен способ намеренного рассогласования лопаточного колеса газотурбинного двигателя, позволяющий адаптировать применяемое рассогласование к геометрии подлежащего рассогласованию указанного лопаточного колеса и, следовательно, к вредным вибрационным явлениям, таким как флаттер, действующим на указанное лопаточное колесо во время работы газотурбинного двигателя.
В частности, объектом настоящего изобретения является способ намеренного рассогласования лопаточного колеса газотурбинного двигателя, при этом указанное лопаточное колесо содержит диск, расположенный вокруг продольной оси, и N лопаток, равномерно распределенных вокруг указанной продольной оси и проходящих радиально относительно этой оси, начиная от диска, при этом N является не равным нулю натуральным целым числом, при этом указанный способ содержит следующие этапы, на которых:
а) выбирают собственную вибрационную моду лопаточного колеса с k нодальными диаметрами, при этом k является натуральным целым числом, отличным от нуля, и, если N является четным числом, отличным от
Figure 00000001
, при этом указанная собственная мода является вибрационной модой в рабочем диапазоне газотурбинного двигателя;
b) определяют смещение лопаток по всей окружности лопаточного колеса для каждой из двух стационарных волн деформации одинаковой частоты, которые в комбинации генерируют крутящую модальную деформацию лопаточного колеса в выбранной собственной вибрационной моде;
с) на основании определенного таким образом смещения лопаток для каждой из двух стационарных волн деформации определяют лопатки, для которых пучность колебания первой из указанных стационарных волн деформации соответствует узлу колебания второй стационарной волны деформации;
d) выполняют выступ или выемку в диске лопаточного колеса напротив каждой из определенных таким образом лопаток, чтобы частотно разделить две стационарные волны деформации и ввести таким образом намеренное рассогласование в лопаточное колесо относительно выбранной собственной вибрационной моды.
Предпочтительно выемки выполняют посредством зенковки или выступы выполняют посредством металлизации.
Предпочтительно диск содержит кольцевую площадку, от которой радиально отходят лопатки, при этом выступы или выемки выполняют в площадке диска.
Предпочтительно выступы или выемки выполняют на диске таким образом, чтобы они располагались вокруг продольной оси по угловой амплитуде, составляющей от 360°/N до 80°.
Поставленная изобретением задача решена также в лопаточном колесе газотурбинного двигателя, содержащем диск, расположенный вокруг продольной оси, и N лопаток, равномерно распределенных вокруг указанной продольной оси и проходящих радиально, начиная от диска, при этом N является не равным нулю натуральным целым числом, при этом указанное лопаточное колесо дополнительно содержит множество выступов или выемок, выполненных в диске напротив каждой из лопаток, определенных на этапах а)-с) описанного выше способа намеренного рассогласования лопаточного колеса газотурбинного двигателя.
Выполненное таким образом рассогласование конструктивно отличается от систематического рассогласования.
В частности, предложенный способ представляет особый интерес в случае рассогласования, отличного от рассогласования одной лопатки из двух.
Предпочтительно выемки выполняют посредством зенковки или выступы выполняют посредством металлизации.
Предпочтительно диск содержит кольцевую площадку, от которой радиально отходят лопатки, при этом выступы или выемки выполняют в указанной площадке диска.
Предпочтительно выступы или выемки выполняют на диске так, чтобы они располагались вокруг продольной оси по угловой амплитуде, составляющей от 360°/N до 80°.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют неограничивающие примеры и на которых:
на фиг. 1 схематично показан двухконтурный газотурбинный двигатель;
на фиг. 2а и 2b представлены виды лопаточного колеса соответственно со стороны входа и со стороны выхода относительно направления прохождения потока газов перед осуществлением способа намеренного рассогласования лопаточного колеса газотурбинного двигателя согласно варианту осуществления изобретения;
на фиг. 3а показан вид со стороны входа, относительно направления прохождения потока газов, крутящей модальной деформации первой моды изгиба с двумя нодальными диаметрами лопаточного колеса, показанного на фиг. 2а и 2b;
на фиг. 3b показан вид со стороны выхода, относительно направления прохождения потока газов, модальной деформации, соответствующей первой из двух стационарных волн деформации, которые в комбинации генерируют крутящую модальную деформацию лопаточного колеса, показанную на фиг. 3а;
на фиг. 3с показан вид со стороны выхода, относительно направления потока газов, модальной деформации, соответствующей второй из двух стационарных волн деформации, которые в комбинации генерируют крутящую модальную деформацию лопаточного колеса, показанную на фиг. 3а;
на фиг. 3d представлен график, показывающий первую и вторую стационарные волны деформации вокруг лопаточного колеса;
на фиг. 4 представлен способ намеренного рассогласования лопаточного колеса согласно варианту осуществления изобретения;
фиг. 5а соответствует фиг. 3b, на которой показаны пучности колебания первой стационарной волны деформации, совпадающие с узлами колебания второй стационарной волны деформации.
фиг. 5b соответствует фиг. 3c, на которой показаны узлы колебания второй стационарной волны деформации, совпадающие с пучностями колебания первой стационарной волны деформации;
на фиг. 5с соответствует фиг. 3d, на которой показаны совпадения между пучностями колебания первой стационарной волны деформации и узлами колебания второй стационарной волны деформации;
на фиг. 6а и 6b показаны виды соответственно со стороны входа и со стороны выхода, относительно направления прохождения потока газов, лопаточного колеса, изображенного на фиг. 2а и 2b, после осуществления способа намеренного рассогласования лопаточного колеса газотурбинного двигателя согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 7а и 7b показаны детальные виды соответственно со стороны входа и со стороны выхода, относительно направления потока газов, выемок, выполненных в лопаточном колесе, после осуществления способа намеренного рассогласования лопаточного колеса газотурбинного двигателя согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 7с показан частичный вид в продольном разрезе лопаточного колеса после осуществления способа намеренного рассогласования лопаточного колеса газотурбинного двигателя согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 8а и 8b представлены виды соответственно со стороны входа и со стороны выхода, относительно направления прохождения потока газов, лопаточного колеса, изображенного на фиг. 2а и 2b, после осуществления способа намеренного рассогласования лопаточного колеса газотурбинного двигателя согласно второму варианту осуществления изобретения;
на фиг. 9а и 9b показаны детальные виды соответственно со стороны входа и со стороны выхода, относительно направления прохождения потока газов, выемок, выполненных в лопаточном колесе, после осуществления способа намеренного рассогласования лопаточного колеса газотурбинного двигателя согласно второму варианту осуществления изобретения;
Осуществление изобретения
Прежде всего, следует отметить, что «узлами колебания» называют точки механической системы, которые при данной моде колебания имеют нулевое смещение. Следовательно, эти точки не совершают движения. «Пучностями колебания» называют точки механической системы, которые при данной моде колебания имеют максимальное смещение. Следовательно, эти точки совершают движение с максимальной амплитудой.
На фиг. 1 показан двухконтурный газотурбинный двигатель 10. Газотурбинный двигатель 10 расположен вдоль главной оси 11 и содержит воздухозаборный канал 12, через который газовый поток поступает в газотурбинный двигатель 10 и в котором газовый поток проходит через вентилятор 13. На выходе вентилятора 13 газовый поток делится на газовый поток первого контура, проходящий в проточном тракте 14 первого контура, и на газовый поток второго контура, проходящий в проточном тракте 15 второго контура.
В проточном тракте 14 первого контура поток первого контура проходит в направлении от входа к выходу через компрессор 16 низкого давления, компрессор 17 высокого давления, камеру 18 сгорания, турбину 19 высокого давления, турбину 20 низкого давления и выпускной картер, с которым соединено реактивное сопло 22. В проточном тракте 15 второго контура поток второго контура проходит через неподвижную или спрямляющую лопаточную решетку 24 вентилятора, затем смешивается с потоком первого контура на уровне реактивного сопла 22.
Каждый компрессор 16, 17 газотурбинного двигателя 10 содержит несколько ступеней, при этом каждая ступень образована неподвижной лопаточной решеткой или статором и вращающейся лопаточной решеткой или ротором 23 вокруг главной оси 11 газотурбинного двигателя 10. Вращающуюся лопаточную решетку или ротор 23 называют также «лопаточным колесом».
На фиг. 2а и 2b представлен соответственно вид, со стороны входа и со стороны выхода относительно направления потока газов, лопаточного колеса 23 перед осуществлением способа 100 намеренного рассогласования лопаточного колеса газотурбинного двигателя согласно варианту осуществления изобретения.
Лопаточное колесо 23 содержит диск 25, расположенный вокруг продольной оси 26, которая, когда лопаточное колесо 23 установлено в газотурбинном двигателе 10, совпадает с главной осью 11 указанного газотурбинного двигателя 10. Лопаточное колесо 23 содержит также кольцевую площадку 27, выполненную на периферии диска 25. Площадка 27 имеет внутреннюю поверхность 28 напротив продольной оси 26 и противоположную ей наружную поверхность 29. Площадка 27 расположена с двух сторон от диска 25 по направлению продольной оси 26.
Лопаточное колесо 23 содержит также множество лопаток 30, равномерно распределенных вокруг продольной оси 26 и проходящих радиально относительно этой оси 26, начиная от наружной поверхности 29 площадки 27. Лопаточное колесо 23 содержит N лопаток 30, при этом N является не равным нулю натуральным целым числом. Лопатки 30 могут быть выполнены моноблочно с диском 25 или могут быть установлены на диске 25 при помощи средств, хорошо известных специалисту в данной области. В примере, представленном на фиг. 2а и 2b, лопаточное колесо 23 содержит тридцать четыре лопатки 30, выполненные за одно целое с диском 25.
Каждая лопатка 30 содержит переднюю кромку, которая расположена аксиально на входе по направлению прохождения потока газов относительно указанной лопатки 30, и заднюю кромку, которая расположена аксиально на выходе по направлению прохождения потока газов относительно указанной лопатки 30.
В целом лопаточные колеса имеют циклическую симметрию. Иначе говоря, лопаточные колеса состоят из ряда геометрически идентичных секторов, которые повторяются по кругу. Например, лопаточное колесо 23 содержит N идентичных секторов, при этом один сектор соответствует каждой из лопаток 30.
Для осуществления модального анализа лопаточного колеса необходимо решить задачу на собственные значения : (K - ω2M)X = 0, где К соответствует матрице жесткости лопаточного колеса, М соответствует матрице массы лопаточного колеса, Х соответствует вектору смещения лопаточного колеса, и ω соответствует собственным круговым частотам лопаточного колеса.
Однако циклическая симметрия лопаточного колеса позволяет производить модальный анализ лопаточного колеса с учетом только одного сектора. Для этого используют пространство Фурье, и вышеупомянутую задачу на собственных значениях можно переформулировать следующим образом:
Figure 00000002
, где k соответствует рядам Фурье,
Figure 00000003
соответствует матрице жесткости сектора в ряду k,
Figure 00000004
 соответствует матрице массы сектора в ряду k,
Figure 00000005
 соответствует вектору смещения сектора в ряду k, и ω соответствует собственным круговым частотам сектора. Переписанную таким образом задачу на собственные значения решают для каждого ряда Фурье k. Обычно рассматривают ряды Фурье k ∈ [0;K] при:
Figure 00000006
Собственные значения, полученные для каждого ряда Фурье k, соответствуют собственным значениям полного лопаточного колеса.
Решения, полученные при k = 0 и, если N является четным числом, при
Figure 00000007
, соответствуют собственным вибрационным модам, когда все секторы деформируются в фазе, и собственным вибрационным модам, когда смежные секторы деформируются в противофазе. Модальные деформации лопаточного колеса при всех собственных вибрационных модах, связанных с каждым из этих двух рядов Фурье, соответствуют стационарной волне деформации.
Для других рядов Фурье k решения являются двойными, и с каждой собственной круговой частотой ωk связывают два собственных ортогональных вектора, которые образуют базу для собственных вибрационных мод, связанных с этими рядами Фурье, таким образом, что любая линейная комбинация этих векторов является также собственным вектором. Модальные деформации лопаточного колеса при всех собственных вибрационных модах, связанных с каждым из этих рядов Фурье, соответствуют вращающейся волне деформации, которая является линейной комбинацией двух стационарных волн деформации одинаковой частоты. Обе стационарные волны деформации смещены на четверть периода.
Кроме модальных деформаций собственных вибрационных мод, соответствующих ряду Фурье k = 0, модальные деформации лопаточного колеса имеют нодальные линии, которые проходят радиально относительно продольной оси лопаточного колеса. Эти нодальные линии обычно называют «нодальными диаметрами», и их число соответствует ряду Фурье k.
Чтобы лучше это проиллюстрировать, на фиг. 3а-3d показаны соответственно:
- модальная деформация первой моды изгиба с двумя нодальными диаметрами лопаточного колеса 23, причем эта модальная деформация является крутящей;
- модальная деформация, соответствующая первой О1 из двух стационарных волн О1 и О2 деформации, которые в комбинации генерируют модальную деформацию лопаточного колеса 23, показанного на фиг. 3а;
- модальная деформация, соответствующая второй О2 из двух стационарных волн О1 и О2 деформации, которые в комбинации генерируют модальную деформацию лопаточного колеса 23, показанного на фиг. 3а;
- график, показывающий первую и вторую стационарные волны О1 и О2 деформации вокруг лопаточного колеса 23; на этом графике показано смещение δ лопаток 30 по всей окружности лопаточного колеса 23, при этом лопатки 30, пронумерованные от 1 до N в соответствии с порядком их появления на окружности лопаточного колеса 23, соответствуют каждой из стационарных волн О1 и О2 деформации; на графике смещение δ лопаток 30 соответствует смещению лопаток 30 в вершине их передней кромки, и оно нормировано относительно максимального смещения указанных лопаток 30; в данном случае видно, что две стационарные волны О1 и О2 деформации смещены на четверть периода.
Для более полной информации, касающейся модального анализа лопаточных колес, можно обратиться, например, к следующим документам:
- Nicolas Salvat, Alain Batailly, Mathias Legrand. Модальные характеристики движений вала для структур с циклической симметрией. 2013. <hal-00881272v2>;
- Bartholomé Segui Vasquez. Динамическое моделирование многоступенчатых дисковых и лопаточных систем. Влияние погрешностей. Other. INSA Лиона. 2013, French. < NNT: 2013ISAL0057>;
- Denis Laxalde. Исследование нелинейных амортизаторов применяемых в лопаточных колесах и в многоступенчатых системах. Механика. Высшая школа Леона, 2007. Французский. < tel-00344168>;
- Marion Gruin. Нелинейная динамика колеса турбины низкого давления, подвергающегося конструктивным возбуждениям турбореактивного двигателя. Other. Высшая школа Леона, 2012. Французский. 2012. <NNT: 2012ECDL0003>. <tel-00750011>.
На фиг. 4 представлен способ 100 намеренного рассогласования лопаточного колеса 23 согласно варианту осуществления изобретения. Способ 100 содержит следующие этапы:
а) выбирают собственную вибрационную моду лопаточного колеса 23 с k нодальными диаметрами, при этом k является натуральным целым числом, отличным от нуля и, если N является четным числом, отличным от
Figure 00000008
;
b) определяют смещение δ лопаток 30 по всей окружности лопаточного колеса 23 для каждой из двух стационарных волн О1 и О2 деформации одинаковой частоты f, которые в комбинации генерируют крутящую модальную деформацию лопаточного колеса 23 в выбранной собственной вибрационной моде;
с) на основании определенного таким образом смещения δ лопаток 30 для каждой из двух стационарных волн О1 и О2 деформации определяют лопатки 30, для которых пучность колебания первой О1, О2 из указанных стационарных волн деформации соответствует узлу колебания второй стационарной волны О2, О1 деформации;
d) выполняют выступ 31 или выемку 32 в диске 25 лопаточного колеса 23 напротив каждой из определенных таким образом лопаток 30, чтобы частотно разделить две стационарные волны О1 и О2 деформации и ввести таким образом намеренное рассогласование в лопаточное колесо 23 относительно выбранной собственной вибрационной моды.
Способ 100 позволяет изменить одну из двух стационарных волн О1 и О2 деформации, не затрагивая другую из указанных стационарных волн О1 и О2 деформации, обеспечивая таким образом частотное разделение указанных двух стационарных волн О1 и О2 деформации и, следовательно, лопаток 30, расположенных напротив выемок 31, по отношению к другим лопаткам 30. Способ 100 использует сильную динамическую связь между лопатками 30 и диском 25, чтобы задать частотную несогласованность между лопатками 30 путем изменения геометрии диска 25.
Способ 100 представляет интерес, так как позволяет произвести намеренное рассогласование лопаточного колеса 23 вне процесса проектирования указанного лопаточного колеса 23 и без применения систематического рассогласования, которое могло бы и не подойти для указанного лопаточного колеса 23. Действительно, намеренное рассогласование лопаточного колеса 23 можно осуществить уже после проектирования и изготовления лопаточного колеса 23, поскольку изменяют не сами лопатки 30, а диск 25. Кроме того, не внося изменений в геометрию или материал лопаток 30, можно избежать изменения их аэродинамики.
Этап а) осуществляют, например, после продувки в аэродинамической трубе газотурбинного двигателя 10 и, следовательно, лопаточного колеса 23, выявив мешающие вибрационные явления, такие как флаттер, на собственной вибрационной моде лопаточного колеса 23. Эти вредные вибрационные явления могут, например, проявляться в виде трещин в ножке лопаток 30. Впоследствии эти трещины могут быть связаны с конкретным вибрационным явлением, например, с флаттером, после чего можно определить собственную вибрационную моду или собственные вибрационные моды, при которых появляется это вибрационное явление.
Этап b) осуществляют, например, посредством цифрового моделирования при помощи соответствующей программы, такой как программы цифрового моделирования, предложенные компанией ANSYS Inc., в которых применен метод конечных элементов. Смещение δ лопаток 30 по всей окружности лопаточного колеса 23 определяют, например, в вершине передней кромки лопаток 30. Под «вершиной передней кромки» следует понимать точку передней кромки лопаток 30, наиболее удаленную от продольной оси 26.
На фиг. 5а-5с показан этап с), когда собственная мода, выбранная на этапе а), является первой модой изгиба с двумя нодальными диаметрами. На этих фигурах видно, что пучности колебания первой стационарной волны О1 деформации совпадают с узлами колебания второй стационарной волны О2 деформации на уровне четырех лопаток. Речь в данном случае идет о лопатках под номерами 6, 14, 23 и 31. На фиг. 5а-5с эти совпадения обозначены С1-С4.
На этапе с) каждая пучность колебания первой стационарной волны О1 деформации может также совпадать с узлом колебания второй стационарной волны О2 деформации на уровне нескольких смежных лопаток 30. В этом случае в диске 25 можно выполнить выступ 31 или выемку 32 напротив каждого ряда смежных лопаток 30 по угловой амплитуде вокруг продольной оси 26, по меньшей мере равной числу лопаток 30 каждого ряда, умноженному на 360°/N.
На фиг. 6а и 6b показано лопаточное колесо 23 после осуществления способа 100, а на фиг. 7а и 7b более детально показаны выемки 32, выполненные в диске 25 на этапе d).
Выемки 32 выполнены в площадке 27 диска 25. Выемки 32 выполнены в диске 25 как можно ближе к лопаткам 30. Это позволяет усилить влияние геометрического изменения диска 25 на частоту лопаток 30.
Предпочтительно выемки 32 расположены на площадке 27 симметрично относительно указанного диска 25, чтобы обеспечивать динамический баланс лопаточного колеса 23.
Предпочтительно выемки 32 выполнены вокруг продольной оси 26 по угловой амплитуде, составляющей от 360°/N до 80°. В примере, представленном на фиг. 6а и 6b, выемки 32 выполнены по угловой амплитуде по существу в 40° вокруг продольной оси 26. Выражение «по существу в 40°» означает, что выемки 32 выполнены по угловой амплитуде в 40° вокруг продольной оси 26 с допуском в 5°.
Например, выемки 32 выполнены посредством зенковки. Зенковка, выполненная на диске 25, в частности, на площадке 27 диска 25, показана на фиг. 7с пунктирной линией.
В примере, представленном на фиг. 6а и 6b, выемки 32, выполненные в диске 25 лопаточного колеса 23, соответствуют, например, снятию материала лопаточного колеса 23 примерно на 5,5% массы лопаточного колеса 23 до осуществления способа 100 и позволяют получить частотное разделение по существу в 4,1% в первой моде изгиба с двумя нодальными диаметрами между лопатками 30, находящимися напротив выемок 32, и другими лопатками 30.
На фиг. 8а и 8b показано лопаточное колесо 23 после осуществления способа 100, а на фиг. 9а и 9b более детально показаны выступы 31, выполненные в диске 25 на этапе d).
Выступы 31 выполнены в площадке 27 диска 25. Выступы 31 выполнены в диске 25 как можно ближе к лопаткам 30. Это позволяет усилить влияние геометрического изменения диска 25 на частоту лопаток 30.
Предпочтительно выступы 31 расположены на площадке 27 симметрично относительно указанного диска 25, чтобы обеспечивать динамический баланс лопаточного колеса 23.
Предпочтительно выступы 31 выполнены радиально от внутренней поверхности 28 площадки 27 диска 25. Иначе говоря, выступы 31 предпочтительно проходят радиально от площадки 27 в сторону продольной оси 26.
В примере, представленном на фиг. 9а и 9b, выступы 31 проходят радиально от площадки 27 и вдоль продольной оси 26 от диска 25.
В примере, представленном на фиг. 9а и 9b, площадка 27 содержит на своем конце, расположенном на входе относительно направления прохождения потока газов, фланец, проходящий радиально в направлении продольной оси 26. Фланец имеет сквозные отверстия, проходящие параллельно продольной оси 26 и выполненные с возможностью установки в них грузов, например, болтов для восстановления балансировки лопаточного колеса 23 в случае необходимости. В этом случае выступы 31 предпочтительно выполнены на расстоянии от фланца, чтобы высвободить пространство между выступами 31 и фланцем для обеспечения введения грузов в отверстия.
Предпочтительно выступы 31 выполнены вокруг продольной оси 26 по угловой амплитуде, составляющей от 360°/N до 80°. В примере, представленном на фиг. 8а и 8b, выступы 31 выполнены по угловой амплитуде по существу в 40° вокруг продольной оси 26. Выражение «по существу в 40°» означает, что выступы 31 выполнены по угловой амплитуде в 40° вокруг продольной оси 26 с допуском в 5°.
Например, выступы 31 выполнены посредством металлизации диска 25, то есть посредством добавления материала на диске 25. Предпочтительно выступы 31 выполнены из того же материала, что и диск 25, чтобы сохранить механическую прочность и срок службы лопаточного колеса 23. Вместе с тем, выступы 31 можно выполнить из материала, отличного от материала диска 25.
Понятно, что на основании этих общих положений специалист в данной области может определить количество материала, удаляемого или добавляемого на диск 25, относительно массы лопаточного колеса 23 до осуществления способа 100, чтобы получить требуемое частотное разделение в выбранной собственной вибрационной моде между лопатками 30, находящимися напротив выступов 31 или выемок 32, и другими лопатками 30.
Настоящее изобретение было описано для лопаточного колеса 23 компрессора 16, 17 газотурбинного двигателя 10. Однако изобретение можно точно так же применить для ротора 32 турбины 19, 20 или для вентилятора 13, поскольку эти лопаточные колеса тоже могут подвергаться действию вредных вибрационных явлений, таких как флаттер. Понятно, что предложенный способ представляет особый интерес в случае рассогласования, отличном от случая одной лопатки из двух.

Claims (12)

1. Способ (100) создания частотной несогласованности между лопатками лопаточного колеса (23) газотурбинного двигателя (10) относительно выбранной собственной вибрационной моды лопаточного колеса (23), при этом указанное лопаточное колесо (23) содержит диск (25), расположенный вокруг продольной оси (26), и N лопаток (30), равномерно распределенных вокруг указанной продольной оси (26) и проходящих радиально относительно этой оси (26), начиная от диска (25), при этом N является не равным нулю натуральным целым числом, при этом указанный способ (100) содержит следующие этапы, на которых:
а) выбирают собственную вибрационную моду лопаточного колеса (23) с k нодальными диаметрами, при этом k является натуральным целым числом, отличным от нуля и, если N является четным числом, отличным от
Figure 00000009
, при этом указанная собственная мода является вибрационной модой в рабочем диапазоне газотурбинного двигателя;
b) определяют смещение (δ) лопаток (30) по всей окружности лопаточного колеса (23) для каждой из двух стационарных волн (О1, О2) деформации одинаковой частоты (f), которые в комбинации генерируют крутящую модальную деформацию лопаточного колеса (23) в выбранной собственной вибрационной моде;
с) на основании определенного таким образом смещения (δ) лопаток (30) для каждой из двух стационарных волн О1, О2 деформации определяют лопатки (30), для которых пучность колебания первой из указанных стационарных волн (О1, О2) деформации соответствует узлу колебания второй стационарной волны (О2, О1) деформации;
d) выполняют выступ (31) или выемку (32) в диске (25) лопаточного колеса (23) напротив каждой из определенных таким образом лопаток (30), чтобы частотно разделить две стационарные волны (О1, О2) деформации и создать частотную несогласованность между лопатками лопаточного колеса (23) относительно выбранной собственной вибрационной моды.
2. Способ (100) по п. 1, в котором выемки (32) выполняют посредством зенковки или выступы (31) выполняют посредством металлизации.
3. Способ (100) по п. 1 или 2, в котором диск (25) содержит кольцевую площадку (27), от которой радиально отходят лопатки (30), при этом выступы (31) или выемки (32) выполняют в указанной площадке (27) диска (25).
4. Способ (100) по любому из пп. 1-3, в котором выступы (31) или выемки (32) выполняют на диске (25) таким образом, чтобы они проходили вокруг продольной оси (26) по угловой амплитуде, составляющей от 360°/N до 80°.
5. Лопаточное колесо (23) газотурбинного двигателя (10), содержащее диск (25), расположенный вокруг продольной оси (26), и N лопаток (30), равномерно распределенных вокруг указанной продольной оси (26) и проходящих радиально от диска (25), при этом N является не равным нулю натуральным целым числом, отличающееся тем, что содержит множество выступов (31) или выемок (32), выполненных в диске (25) напротив каждой из лопаток (30), определенных на этапах а)-с) способа (100) создания частотной несогласованности между лопатками лопаточного колеса (23) газотурбинного двигателя (10) относительно выбранной собственной вибрационной моды лопаточного колеса (23) по любому из пп. 1-4.
6. Лопаточное колесо (23) по п. 5, в котором выемки (32) выполнены посредством зенковки или выступы (31) выполнены посредством металлизации.
7. Лопаточное колесо (23) по п. 5 или 6, в котором диск (25) содержит кольцевую площадку (27), от которой радиально отходят лопатки (30), при этом выступы (31) или выемки (32) выполнены в указанной площадке (27) диска (25).
8. Лопаточное колесо (23) по любому из пп. 5-7, в котором выступы (31) или выемки (32) выполнены в диске (25) так, чтобы они проходили вокруг продольной оси (26) по угловой амплитуде, составляющей от 360°/N до 80°.
RU2018119198A 2015-10-28 2016-10-28 Способ создания частотной несогласованности между лопатками лопаточного колеса газотурбинного двигателя и соответствующее лопаточное колесо RU2689489C1 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1560326 2015-10-28
FR1560326A FR3043131B1 (fr) 2015-10-28 2015-10-28 Procede pour introduire un desaccordage volontaire dans une roue aubagee de turbomachine
PCT/FR2016/052819 WO2017072469A1 (fr) 2015-10-28 2016-10-28 Procede pour introduire un desaccordage volontaire dans une roue aubagee de turbomachine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2689489C1 true RU2689489C1 (ru) 2019-05-28

Family

ID=55022578

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018119198A RU2689489C1 (ru) 2015-10-28 2016-10-28 Способ создания частотной несогласованности между лопатками лопаточного колеса газотурбинного двигателя и соответствующее лопаточное колесо

Country Status (9)

Country Link
US (1) US10267155B2 (ru)
EP (1) EP3368748B1 (ru)
JP (1) JP6438630B1 (ru)
CN (1) CN108350744B (ru)
BR (1) BR112018008624B1 (ru)
CA (1) CA3003396C (ru)
FR (1) FR3043131B1 (ru)
RU (1) RU2689489C1 (ru)
WO (1) WO2017072469A1 (ru)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109583063B (zh) * 2018-11-20 2023-04-18 东北大学 一种风扇转子试验模型的动力学特性相似设计方法
US11959395B2 (en) 2022-05-03 2024-04-16 General Electric Company Rotor blade system of turbine engines

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU254957A1 (ru) * П. А. Соловьев, Б. Ф. Шорр , Ю. А. Пыхтин Способ отстройки от резонансов шарнирныхлопаток
EP1211382A2 (en) * 2000-11-30 2002-06-05 United Technologies Corporation Turbomachine rotor with blades of different frequency
RU2372492C2 (ru) * 2004-04-20 2009-11-10 Снекма Способ установки заданного рассогласования на лопастном колесе турбомашины и лопастное колесо турбомашины с заданным рассогласованием (варианты)
EP2463481A2 (en) * 2010-12-08 2012-06-13 Pratt & Whitney Canada Corp. Blade disk arrangement for blade frequency tuning

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3940937B2 (ja) * 1996-08-07 2007-07-04 石川島播磨重工業株式会社 タービン動翼の配列方法
WO2008041889A1 (en) * 2006-10-05 2008-04-10 Volvo Aero Corporation Rotor element and method for producing the rotor element
US8342804B2 (en) * 2008-09-30 2013-01-01 Pratt & Whitney Canada Corp. Rotor disc and method of balancing
WO2012035658A1 (ja) * 2010-09-17 2012-03-22 株式会社日立製作所 翼の配列方法
US8926290B2 (en) * 2012-01-04 2015-01-06 General Electric Company Impeller tube assembly
EP2762678A1 (de) * 2013-02-05 2014-08-06 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Verstimmen eines Laufschaufelgitters
JP5519835B1 (ja) * 2013-06-18 2014-06-11 川崎重工業株式会社 翼を備える回転体
US10400606B2 (en) * 2014-01-15 2019-09-03 United Technologies Corporation Mistuned airfoil assemblies
US9683447B2 (en) * 2014-04-11 2017-06-20 Honeywell International Inc. Components resistant to traveling wave vibration and methods for manufacturing the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU254957A1 (ru) * П. А. Соловьев, Б. Ф. Шорр , Ю. А. Пыхтин Способ отстройки от резонансов шарнирныхлопаток
EP1211382A2 (en) * 2000-11-30 2002-06-05 United Technologies Corporation Turbomachine rotor with blades of different frequency
RU2372492C2 (ru) * 2004-04-20 2009-11-10 Снекма Способ установки заданного рассогласования на лопастном колесе турбомашины и лопастное колесо турбомашины с заданным рассогласованием (варианты)
EP2463481A2 (en) * 2010-12-08 2012-06-13 Pratt & Whitney Canada Corp. Blade disk arrangement for blade frequency tuning

Also Published As

Publication number Publication date
CN108350744B (zh) 2019-04-12
BR112018008624B1 (pt) 2022-11-22
JP2019500531A (ja) 2019-01-10
JP6438630B1 (ja) 2018-12-19
US20180313216A1 (en) 2018-11-01
BR112018008624A2 (pt) 2018-10-30
CA3003396C (en) 2018-07-31
FR3043131A1 (fr) 2017-05-05
EP3368748A1 (fr) 2018-09-05
CA3003396A1 (en) 2017-05-04
CN108350744A (zh) 2018-07-31
EP3368748B1 (fr) 2019-09-11
WO2017072469A1 (fr) 2017-05-04
US10267155B2 (en) 2019-04-23
FR3043131B1 (fr) 2017-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10865807B2 (en) Mistuned fan
RU2723658C2 (ru) Лопатка газотурбинной установки
US10443626B2 (en) Non uniform vane spacing
CA2888919C (en) Reduction of equally spaced turbine nozzle vane excitation
EP2778343B1 (en) Compressor stator
RU2689489C1 (ru) Способ создания частотной несогласованности между лопатками лопаточного колеса газотурбинного двигателя и соответствующее лопаточное колесо
US8286347B2 (en) Method for reducing vibration levels of a bladed wheel in a turbomachine
US20190331134A1 (en) Method and Arrangement to Minimize Noise and Excitation of Structures Due to Cavity Acoustic Modes
Witteck et al. Comparison of transient blade row methods for the CFD analysis of a high-pressure turbine
US10876416B2 (en) Vane segment with ribs
Rebholz et al. Turbine aerodynamic low-frequency oscillation and noise reduction using partial shrouds
US8375698B2 (en) Method for reducing the vibration levels of a propfan of contrarotating bladed disks of a turbine engine
US11645436B2 (en) Mode-shaped components
CN111615584B (zh) 阻尼装置
Purushothaman et al. Aeroelastic flutter investigation and stability enhancement of a transonic axial compressor rotor using casing treatment
Kaneko Mechanical design and vibration analysis of steam turbine blades
Vinayaka et al. Frequency evaluation for mechanical integration of shrouded HP rotor blades in an aircraft engine compressor
Walton et al. Forced Response of a Centrifugal Compressor Stage due to the Impeller-Diffuser Interaction
Kaneko et al. Analysis of random vibration for mistuned bladed disk
Kaneko et al. Analysis Of Vibratory Stress Of Integral Shroud Blade For Mechanical Drive Steam Turbine.
Herran et al. Technological Choices for Vibratory Robustness of Turbine Bladed Disk