RU2746365C1 - Method for reducing vibratory stresses in working blades of turbomachine - Google Patents
Method for reducing vibratory stresses in working blades of turbomachine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2746365C1 RU2746365C1 RU2020118696A RU2020118696A RU2746365C1 RU 2746365 C1 RU2746365 C1 RU 2746365C1 RU 2020118696 A RU2020118696 A RU 2020118696A RU 2020118696 A RU2020118696 A RU 2020118696A RU 2746365 C1 RU2746365 C1 RU 2746365C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blades
- impeller
- blade
- turbomachine
- geometry
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M15/00—Testing of engines
- G01M15/14—Testing gas-turbine engines or jet-propulsion engines
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение предназначено для использования в турбомашиностроении и может найти широкое применение для снижения вибронапряжений, в лопатках рабочих колес турбомашин в области авиационного, судового и наземного газотурбинного машиностроения.The invention is intended for use in turbomachinery and can be widely used to reduce vibration stresses in the blades of turbomachine impellers in the field of aviation, ship and ground gas turbine engineering.
В качестве наиболее близкого аналога выбран способ снижения вибронапряжений в рабочих лопатках турбомашины (патент на изобретение RU 2598985, 10.10.2016).As the closest analogue, a method of reducing vibration stresses in the rotor blades of a turbomachine was chosen (patent for invention RU 2598985, 10.10.2016).
В известном способе снижение вибронапряжений достигают путем изменения окружной неравномерности потока газа на резонансных режимах за счет изменения распределения топлива по форсункам. Окружную неравномерность потока газа изменяют путем прекращения подачи топлива, по меньшей мере, в одну из форсунок.In the known method, the reduction of vibration stresses is achieved by changing the circumferential irregularity of the gas flow at resonance modes by changing the distribution of the fuel over the injectors. The circumferential unevenness of the gas flow is changed by stopping the supply of fuel to at least one of the nozzles.
Недостатками известного способа является необходимость при снижении вибронапряжений лопаток рабочих колес на резонансных режимах в процессе работы турбомашины определенным образом управлять подачей топлива в камеру сгорания, приводящей к возникновению окружной неравномерности температурного поля перед турбиной, приводящей к понижению ресурса и надежности лопаток рабочих колес турбины, снижению ее КПД по причине увеличения зазоров между рабочими лопатками и статором, в связи с неравномерным нагревом статора. В тоже время данное мероприятие никаким образом не влияет на снижение вибраций лопаток рабочих колес, расположенных до камеры сгорания со стороны входа в турбомашину, а также усложняет процесс и систему управления турбомашиной.The disadvantages of this method is the need, when reducing vibration stresses of the impeller blades at resonance modes during the operation of the turbomachine, in a certain way to control the fuel supply to the combustion chamber, which leads to the appearance of a circumferential irregularity of the temperature field in front of the turbine, leading to a decrease in the resource and reliability of the turbine impeller blades, and a decrease in it. Efficiency due to an increase in the gaps between the rotor blades and the stator, due to uneven heating of the stator. At the same time, this measure does not in any way affect the reduction of vibrations of the impeller blades located before the combustion chamber from the side of the turbomachine inlet, and also complicates the process and the turbomachine control system.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного способа, является устранение недостатков известного способа, а именно, возможность снижения вибронапряжений лопаток всех рабочих колес турбомашины, в том числе и моноколес, без искусственного внесения дополнительной окружной неравномерности в температурное поле и без усложнения системы управления турбомашиной, что, как следствие, снижает общий уровень вибраций, повышает надежность и ресурс турбомашины в целом.The technical result achieved by using the claimed method is to eliminate the disadvantages of the known method, namely, the possibility of reducing the vibration stresses of the blades of all impellers of a turbomachine, including mono-wheels, without artificially introducing additional circumferential irregularities in the temperature field and without complicating the turbomachine control system, which as a result, it reduces the overall level of vibrations, increases the reliability and service life of the turbomachine as a whole.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе проводят тензометрирование лопаток отдельного рабочего колеса турбомашины, определяют наиболее опасную резонансную частоту колебаний лопаток, расчетно исследуют влияние изменения геометрии лопатки рабочего колеса на опасную резонансную частоту, и, в зависимости от условий эксплуатации определяют возможные изменения геометрии лопатки, расчетно исследуют влияние такого изменения геометрии лопатки на прочностные и жесткостные свойства лопатки, выбирают оптимальное изменение, которое в меньшей степени оказывает влияние на снижение ресурса лопатки, которое закладывают в технологию производства двух типов лопаток, локально отличающихся по геометрии на размах допуска на изготовление номинальной лопатки одна в большую сторону, а вторая в меньшую сторону, или два типа лопаток - номинальной формы и локально отличающиеся по геометрии на размах допуска на изготовление номинальной лопатки в большую или в меньшую сторону, затем для рабочего колеса с четным количеством лопаток изготавливают лопатки рабочего колеса двух типов поровну и размещают их на рабочем колесе через одну, а для рабочего колеса с нечетным количеством лопаток изготавливают два комплекта лопаток разного типа с нечетным количеством лопаток в любом из комплектов и размещают их на рабочем колесе через одну с расположением в любом одном месте рабочего колеса двух лопаток нечетного комплекта подряд.The specified technical result is achieved by the fact that in the known method strain gauging of the blades of a separate impeller of a turbomachine is carried out, the most dangerous resonant frequency of the blades is determined, the effect of changing the geometry of the impeller blade on the dangerous resonance frequency is calculated, and, depending on the operating conditions, possible changes in geometry are determined blades, computationally investigate the effect of such a change in the geometry of the blade on the strength and stiffness properties of the blade, choose the optimal change, which has a lesser effect on the reduction of the blade resource, which is put into the production technology of two types of blades that are locally different in geometry on the tolerance range for manufacturing the nominal blades, one to the larger side, and the second to the smaller side, or two types of blades - nominal shape and locally differing in geometry on the tolerance range for manufacturing the nominal blade to the larger or smaller side, then for an impeller with an even number of blades, two types of impeller blades are made equally and placed on the impeller through one, and for an impeller with an odd number of blades, two sets of blades of different types with an odd number of blades in any of the sets are made and placed on the working impeller through one with two blades of an odd set in a row located in any one place of the impeller.
Кроме того, тензометрирование лопаток отдельного рабочего колеса проводят в составе турбомашины.In addition, the strain gauging of the blades of a separate impeller is carried out as part of a turbomachine.
Общеизвестно, что элементы турбомашины в работе испытывают значительные вибрационные нагрузки, а основным возбудителем вибраций в турбомашинах являются ротора, в частности, лопатки рабочих колес. Снижение вибрации в лопатках рабочих колес приводит не только к повышению ресурса и надежности самих лопаток, но и к снижению влияния их колебаний на неподвижные элементы конструкции, такие как статорные лопатки, обечайки над лопатками рабочих колес и элементы конструкции на них расположенные, так как лопатки рабочих колес создают пульсации с частотой следования лопаток мимо неподвижных элементов конструкции. При этом, чем больше вибрации лопаток, тем больше и пульсации и соответствующее воздействие на другие элементы конструкции. Поэтому снижение вибраций лопаток рабочих колес приводит к снижению общего уровня вибраций турбомашины в целом и является одной из приоритетных задач при проектировании, доводке и сопровождении эксплуатации турбомашины. Этого обычно добиваются за счет внесения изменений в конструкцию лопаток или элементов конструкции, подверженных воздействию вибрации при работе турбомашины. Доводка лопаток рабочих колес и других элементов конструкции турбомашины приводит к многократным изменениям их геометрии с последующими дорогостоящими испытаниями. Заявленный способ позволяет закладывать снижение вибрации лопаток рабочих колес на стадии изготовления лопаток рабочих колес, в том числе и моноколес.It is well known that the elements of a turbomachine in operation experience significant vibration loads, and the main exciter of vibrations in turbomachines is the rotor, in particular, the blades of the impellers. Reducing vibration in the impeller blades leads not only to an increase in the resource and reliability of the blades themselves, but also to a decrease in the effect of their vibrations on fixed structural elements, such as stator blades, shells above the impeller blades and structural elements located on them, since the blades of the working wheels create pulsations with the frequency of the blades past the stationary structural elements. Moreover, the greater the vibration of the blades, the greater the pulsations and the corresponding effect on other structural elements. Therefore, the reduction of vibrations of the impeller blades leads to a decrease in the overall vibration level of the turbomachine as a whole and is one of the priority tasks in the design, fine-tuning and maintenance of the turbomachine operation. This is usually accomplished by modifying the design of the blades or structural elements that are subject to vibration during the operation of the turbomachine. Finishing of the impeller blades and other structural elements of the turbomachine leads to multiple changes in their geometry, followed by expensive tests. The claimed method makes it possible to reduce vibration of impeller blades at the stage of manufacturing impeller blades, including monowheels.
При экспериментальной доводке турбомашины, а именно при тензометрировании лопаток рабочих колес, было замечено, что уровни вибронапряжений в лопатках рабочего колеса разных опытных образцов данной турбомашины при идентичности их конструкции могут значительно отличаться. В частности, при повторном тензометрировании на другом опытном образце лопаток первой ступени компрессора низкого давления были получены значения вибронапряжений, отличающиеся в 2-3 раза от предыдущего тензометрирования. При исследовании данного вопроса выяснилось, что уровни замеренных вибраций по штатным вибродатчикам показывают такую же тенденцию, то есть общие уровни вибрации были ниже на опытных образцах, где были ниже уровни вибронапряжений лопаток рабочих колес. С целью определения причины различия динамических характеристик идентичных рабочих колес были получены семь первых частот собственных колебаний каждой лопатки из двух комплектов данных опытных образцов на вибростенде. Для каждого комплекта были построены графики нормального распределения значений каждой собственной частоты. Пример таких графиков для пятой собственной частоты лопаток двух исследуемых комплектов представлен на фиг. 1. Различие этих графиков в большей или меньшей степени было выявлено и для других собственных частот. А также и для других рабочих колес турбомашины. Притом, чем шире был график нормального распределения, то есть чем больше отличались друг от друга значения собственных частот лопаток одного рабочего колеса, особенно для более опасных частот, выявленных при тензометрировании на опытном образце, тем меньше были уровни общей вибрации на турбомашине. По данным экспериментальным исследованиям был разработан заявленный способ снижения общего уровня вибраций турбомашины за счет искусственного внедрения в конструкцию лопаток рабочего колеса незначительных конструктивных изменений в пределах размаха допуска на изготовление, максимально возможно влияющих на изменение значения опасной собственной частоты лопатки, то есть производство рабочего колеса с лопатками двух типов и расположенных на нем определенным образом.During the experimental fine-tuning of the turbomachine, namely, during strain gauging of the impeller blades, it was noticed that the levels of vibration stresses in the impeller blades of different prototypes of this turbomachine, if their design is identical, can differ significantly. In particular, during repeated strain gauging on another prototype of the blades of the first stage of a low-pressure compressor, vibration stresses were obtained that differ 2-3 times from the previous strain gauge. When investigating this issue, it turned out that the levels of measured vibrations by standard vibration sensors show the same trend, that is, the overall vibration levels were lower on prototypes, where the vibration stresses of the impeller blades were lower. In order to determine the reasons for the difference in the dynamic characteristics of identical impellers, the first seven frequencies of natural vibrations of each blade were obtained from two sets of these prototypes on a vibration stand. For each set, graphs of the normal distribution of the values of each natural frequency were plotted. An example of such plots for the fifth natural frequency of the blades of the two sets under study is shown in Fig. 1. The difference between these graphs to a greater or lesser extent was revealed for other natural frequencies. And also for other turbomachine impellers. Moreover, the wider the normal distribution graph was, that is, the more the values of the natural frequencies of the blades of one impeller differed from each other, especially for the more dangerous frequencies identified during strain gauging on the prototype, the lower were the levels of general vibration on the turbomachine. According to these experimental studies, the claimed method was developed to reduce the overall vibration level of a turbomachine by artificially introducing insignificant structural changes into the design of the impeller blades within the manufacturing tolerance range, as much as possible affecting the change in the value of the dangerous natural frequency of the blade, that is, the production of an impeller with blades two types and located on it in a certain way.
Заявленный способ возможно применять как для одного рабочего колеса, так и для их части вплоть до всех рабочих колес турбомашины. Решения по внедрению данного способа в серийное производство, и для каких рабочих колес его применять, принимается на стадии опытной доводки турбомашины.The claimed method can be applied both for one impeller and for a part of them up to all impellers of the turbomachine. Decisions on the introduction of this method into mass production, and for which impellers to use it, are made at the stage of the experimental debugging of the turbomachine.
Пример реализации заявленного способа.An example of the implementation of the claimed method.
Во время опытной доводки турбомашины определяют наиболее опасные собственные частоты лопаток рабочих колес исходной конструкции, то есть тех лопаток, динамические свойства которых будут исследоваться при помощи тензометрирования. Выбирают для каждого рабочего колеса свою наиболее опасную резонансную собственную частоту колебаний лопаток по анализу результатов их тензометрирования в составе турбомашины, в частности, авиационного газотурбинного двигателя. При помощи расчетных методов, например, метода конечных элементов, исследуют влияние на изменение значения опасной собственной частоты лопатки различных изменений ее геометрии, например, увеличение радиуса скругления перехода пера лопатки к полке или изменение толщины пера лопатки в области его периферии. В зависимости от условий работы лопатки в эксплуатации определяют возможные изменения геометрии лопатки из определенных расчетом на основании их влияния на прочностные и жесткостные свойства лопатки. Выбирают оптимальное изменение геометрии, которое в меньшей степени оказывает влияние на снижение ресурса лопатки и оказывает большее влияние на изменение значения опасной собственной частоты. Оптимальное изменение геометрии закладывают в технологию производства и изготавливают два типа лопаток, локально отличающихся по геометрии, в частности, на размах допуска на изготовление номинальной лопатки. То есть один тип лопаток будет изготовлен таким образом, чтобы его номинальный размер выбранного оптимального изменения геометрии отличался от номинального размера исходной конструкции лопатки в минус на половину размаха допуска на его производство, а для второго типа лопаток - в плюс. При этом для двух типов новых лопаток сохраняются допуска на изготовления такие же, как и для исходной конструкции лопатки. Затем для рабочего колеса, например, с четным количеством лопаток изготавливают лопатки рабочего колеса двух типов поровну и размещают их на рабочем колесе через одну. During the experimental fine-tuning of the turbomachine, the most dangerous natural frequencies of the blades of the impellers of the original design are determined, that is, those blades, the dynamic properties of which will be investigated using strain gauge. For each impeller, choose their most dangerous resonant natural frequency of the blades by analyzing the results of their strain gauging as part of a turbomachine, in particular, an aircraft gas turbine engine. Using computational methods, for example, the finite element method, the influence of various changes in its geometry on the change in the value of the dangerous natural frequency of the blade is investigated, for example, an increase in the radius of rounding of the transition of the blade airfoil to the shelf or change in the thickness of the blade airfoil in the region of its periphery. Depending on the operating conditions of the blade in operation, the possible changes in the blade geometry are determined from those determined by the calculation based on their effect on the strength and stiffness properties of the blade. The optimal geometry change is chosen, which has a lesser effect on reducing the blade resource and has a greater effect on the change in the value of the dangerous natural frequency. The optimal change in geometry is incorporated into the production technology and two types of blades are produced, which are locally different in geometry, in particular, in the tolerance range for the manufacture of a nominal blade. That is, one type of blades will be manufactured in such a way that its nominal size of the selected optimal geometry change differs from the nominal size of the original blade design by a minus half of the tolerance range for its production, and for the second type of blades - by plus. At the same time, for the two types of new blades, the manufacturing tolerances are the same as for the original blade design. Then, for an impeller, for example, with an even number of blades, two types of impeller blades are made equally and placed on the impeller through one.
Такой способ изменения конструкции лопаток рабочего колеса обеспечивает гарантированно более широкое нормальное распределение значений опасной собственной частоты лопаток в каждом комплекте, чем снижает вибрацию лопаток рабочего колеса, что снижает общий уровень вибраций, повышает надежность и ресурс турбомашины в целом.This method of changing the design of the impeller blades ensures a guaranteed wider normal distribution of the values of the dangerous natural frequency of the blades in each set, which reduces the vibration of the impeller blades, which reduces the overall vibration level, increases the reliability and service life of the turbomachine as a whole.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020118696A RU2746365C1 (en) | 2020-06-05 | 2020-06-05 | Method for reducing vibratory stresses in working blades of turbomachine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020118696A RU2746365C1 (en) | 2020-06-05 | 2020-06-05 | Method for reducing vibratory stresses in working blades of turbomachine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2746365C1 true RU2746365C1 (en) | 2021-04-12 |
Family
ID=75521125
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020118696A RU2746365C1 (en) | 2020-06-05 | 2020-06-05 | Method for reducing vibratory stresses in working blades of turbomachine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2746365C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2770538C1 (en) * | 2021-07-07 | 2022-04-18 | Публичное Акционерное Общество "Одк-Сатурн" | Method for improving the reliability of the slot device of a gas turbine engine compressor |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA1259248A (en) * | 1985-05-23 | 1989-09-12 | Voith Hydro, Inc. | Hydraulic turbine aeration apparatus |
| RU2451279C1 (en) * | 2011-01-18 | 2012-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method of diagnosing resonance vibrations in axial turbomachine impeller vanes |
| RU2598985C2 (en) * | 2014-12-11 | 2016-10-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Method for reducing vibration in rotating blades of turbo-machine |
| RU2614458C1 (en) * | 2016-02-11 | 2017-03-28 | Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО" | Method of diagnosing forms of resonance vibrations of turbomachinery impeller blades |
-
2020
- 2020-06-05 RU RU2020118696A patent/RU2746365C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA1259248A (en) * | 1985-05-23 | 1989-09-12 | Voith Hydro, Inc. | Hydraulic turbine aeration apparatus |
| RU2451279C1 (en) * | 2011-01-18 | 2012-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method of diagnosing resonance vibrations in axial turbomachine impeller vanes |
| RU2598985C2 (en) * | 2014-12-11 | 2016-10-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Method for reducing vibration in rotating blades of turbo-machine |
| RU2614458C1 (en) * | 2016-02-11 | 2017-03-28 | Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО" | Method of diagnosing forms of resonance vibrations of turbomachinery impeller blades |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2770538C1 (en) * | 2021-07-07 | 2022-04-18 | Публичное Акционерное Общество "Одк-Сатурн" | Method for improving the reliability of the slot device of a gas turbine engine compressor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7572101B2 (en) | Methods and apparatus for assembling rotatable machines | |
| US4919593A (en) | Retrofitted rotor blades for steam turbines and method of making the same | |
| US8532939B2 (en) | System and method for monitoring health of airfoils | |
| RU2430239C2 (en) | Procedure for manufacture of coated blades | |
| CA2888919C (en) | Reduction of equally spaced turbine nozzle vane excitation | |
| US8171632B2 (en) | Method of manufacturing integrally designed rotor wheels to exhibit an essentially identical natural frequency and mass using chemical etch machining | |
| RU2746365C1 (en) | Method for reducing vibratory stresses in working blades of turbomachine | |
| JP2006194246A (en) | Method and apparatus for assembling rotatable machine | |
| US11021962B2 (en) | Turbulent air reducer for a gas turbine engine | |
| US10533424B2 (en) | Gas turbine engine rotor mistuning | |
| RU2729559C1 (en) | Vibration reduction method in turbomachine working blades | |
| Vogel et al. | Comparison of the influence coefficient method and travelling wave mode approach for the calculation of aerodynamic damping of centrifugal compressors and axial turbines | |
| Ning et al. | Blade forced response prediction for industrial gas turbines: Part 2—verification and application | |
| GB2545804A (en) | Instrumented flow passage of a turbine engine | |
| Heinz et al. | Impact of Mistuning on the Vibration Behaviour of the Last Stage in a Model Three Stage Low Pressure Steam Turbine | |
| US20130142640A1 (en) | Alternate shroud width to provide mistuning on compressor stator clusters | |
| RU2689489C1 (en) | Method of creating frequency inconsistency between blades of the vane wheel of a gas turbine engine and corresponding vane wheel | |
| Mashiachidi et al. | Prediction of fatigue life of mistuned steam turbine blades subjected to variations in blade geometry | |
| EP3741981B1 (en) | Mode-shaped components | |
| Kaneko | Vibration response analysis of mistuned bladed disk with under-platform damper: effect of variation of contact condition on vibration characteristics | |
| GB2462921A (en) | Method for reducing the vibration levels of a propfan of contrarotating bladed disks of a turbine engine | |
| Kolmakova et al. | Methods of improving the axial compressor flow passage to reduce the flow circumferential nonuniformity | |
| Szczepanik | Analysis of 1st stage compressor rotor blade stress and vibration amplitudes in one-pass jet engine | |
| CN115753121B (en) | Engine core machine durability verification method | |
| Mariottini et al. | Wheel box test aeromechanical verification of new first stage bucket with integrated cover plates for MS5002 GT |