CC BY
14
УДК 629.7.03.018
О.Н. Былинкина, Б.Б. Коровин
Федеральное государственное унитарное предприятие РФ «Летно-исследовательский институт
им. М.М. Громова», Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРОАКТИВНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ БИРОТАТИВНОГО ВИНТОВЕНТИЛЯТОРА В КАПОТЕ ПРИ РАССОГЛАСОВАНИИ ЧАСТОТ ВРАЩЕНИЯ ЕГО
РОТОРОВ
Проанализированы особенности изменения составляющих колебаний элементов переднего колеса биротативного винтовентилятора сразновращающимися колесами в капоте при нерасчетном рассогласовании их частот вращения. Обсуждены возможные механизмы генерации рассматриваемых колебаний и кратковременного повышения вибраций двигателя на переходных режимах его работы. Показана приемлемость вибронагруженно-сти всех обследованных элементов винтовентилятора в проверенной области рассогласования частот вращения его колес при работе в составе демонстрационного редукторного ТВВД сверхбольшой степени двухконтурности. Выявлены области кинематического и аэродинамического возбуждения лопастей переднего винтовентилятора на указанных нерасчетных режимах
Турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД), винтовентилятор в капоте, лопасти, редуктор, комбинационные колебания, вибронагруженность, спектр, гармоника, амплитудная модуляция
Введение
Ввиду актуальности освоения авиационных газотурбинных двигателей сверхбольшой степени двухконтурности сложных схем и большой размерности, исследования динамики их узлов представляют научный и практический интерес. Настоящая публикация посвящена экспериментальным исследованиям колебаний элементов переднего колеса винтовентилятора демонстрационного ТВВД редукторной схемы с двухрядным биротативным винтовентилятором в капоте при нерасчетной раскрутке заднего винта.
1. Формулирование проблемы и методы ее решения
Биротативный винтовентилятор в капоте для большеразмерных (тягой 18-20т с миделем » 3м) ТВВД редукторной схемы представляет собой сложную динамическую систему. Кинематическая схема двигателя позволяет достаточно большое рассогласование частот вращения разновра-щающихся колес винтовентилятора. Учитывая большой диаметр винтовентилятора (ВВ), наличие регулируемых поворотных лопастей и высо-конагруженного дифференциального редуктора, динамические эффекты, возникающие при таком рассогласовании должны быть хорошо изучены. Частично указанная задача была уже рассмотрена в работе [1], в которой авторами проанализированы комбинационные колебания лопастей пере© О.Н. Былинкина, Б.Б. Коровин, 2010
днего колеса винтовентилятора с частотой, равной сумме частот вращения переднего (ПВ) и заднего (ЗВ) колес винтовентилятора. В работе, в частности, было показано, что превалирующим фактором возбуждения таких колебаний является окружная неравномерность, вносимая задним винтом. При этом не исключалась и возможность кинематического возбуждения комбинационных колебаний лопастей ПВ на некоторых режимах за счет модуляционного взаимодействия роторных вибраций, вызываемых дисбалансами ПВ и ЗВ, осуществляемого через межвальные подшипники узла винтовентилятора.
Цель настоящей работы — уточнение природы возбуждения всех значимых составляющих колебаний обследуемых элементов переднего колеса биротативного винтовентилятора и виброактивности узла ВВ в процессе нерасчетной раскрутки его заднего винта.
Исследования базируются на материалах тен-зометрирования и вибрографирования полноразмерного демонстрационного двигателя при его работе на летающей лаборатории ЛИИ им. М.М. Громова [2].
При анализе материалов тензометрирования использовались замеры переменных напряжений, выполненные с помощью ограниченного числа тензодатчиков, наклеенных в представительных местах пера лопасти и у комля, а также на вале переднего колеса ВВ. Все указанные датчики
были ориентированы для оценки преимущественно изгибных форм колебаний. Уровень переменных напряжений в обследуемых элементах вин-товентилятора определялся по оцифрованным тензосигналам методом огибающей.
Вибрации двигателя оценивались в полосе роторных частот 10.380 Гц по СКЗ вибросигналов штатных замеров по оси Ъ в плоскостях опоры редуктора, передней опоры КНД и опоры
турбины - Ур£д Ъшт, УПо Ъшт, УоП.т Ъшт соответственно, а также по экспериментальным замерам по осям X и У на редукторе (Уредх , Уред.у) и по оси У на передней опоре (Упо у). При идентификации источников колебаний использовались методы спектрального анализа вибропроцессов с разрешением 1Гц, цифровая фильтрация их узкополосных составляющих с разрешением 3 Гц, корреляционный анализ результатов обработки, диаграмма Кемпбелла и математические модели возбуждения колебаний в турбо-машинах [1], [3].
На рис. 1 показан горизонтальный разрез вин-товентилятора, а на рис. 2 - схема препарирования двигателя тензо- и вибродатчиками, сигналы с которых анализировались в настоящих исследованиях.
Рис. 1. Горизонтальный разрез винтовентилятора
Рис. 2. Схема препарирования двигателя тензо- и вибродатчиками
Анализ выполнялся с помощью разработанного в ЛИИ программно-аппаратного комплекса, предусматривающего цифровую обработку объединенных баз данных о высокочастотной и сопровождающей низкочастотной информации при высокой степени автоматизации вторичной обработки вибропроцессов [4].
2. Результаты исследований
Согласно ТУ на двигатель, максимальная расчетная частота вращения колес ВВ составляет 1720об/мин, а допуск отклонения частот вращения переднего и заднего колес ВВ от величины, заданной программой регулирования, для установившихся режимов не должен превышать ± 6.2 об/мин (0,1Гц).
Предметом настоящих исследований являются колебания винтовентилятора, возникающие при нерасчетной раскрутке заднего винта (|Кзв| > ^пв|). Указанные колебания наблюдались на режиме малого газа (МГ) и в процессе перехода на режим 0,4 максимального полетного (0,4МП) при величине рассогласования частот вращения переднего (ПВ) и заднего (ЗВ) колес ВВ в диапазоне 10...690 об/мин (0,16...11,5Гц).
В спектрах вибропроцессов всех обследованных элементов переднего колеса винтовентиля-тора в процессе раскрутки заднего винта присутствовали составляющие колебаний с роторными частотами ПВ и ЗВ, с комбинационными частотами, равными сумме и разности роторных частот (условимся обозначать их ПВ+ЗВ и ЗВ-ПВ) а также с удвоенной роторной частотой 2ПВ.
Здесь и далее по тексту аббревиатура ПВ и ЗВ означает источник колебаний, а цифры либо их отсутствие - целочисленную кратность частоты соответствующих составляющих колебаний. Например, ПВ1 (ПВ) означает составляющую колебаний с частотой вращения переднего колеса ВВ, 2ПВ - составляющую с частотой второй кратности к роторной частоте ПВ, а 1ПВ+1ЗВ (ПВ+ЗВ) - составляющую с частотой, равной сумме частот вращения колес переднего и заднего ВВ.
Сложность идентификации вышеуказанных колебаний, заключается в том, что их одноименные составляющие могут иметь как аэродинамическую, так и кинематическую природу, каждая из которых допускает взаимное модулирующее воздействие [1].
При дефиците замеров в эксперименте (отсутствие данных о переменных напряжениях в элементах ЗВ, нет замера полей неравномерности за венцом ПВ) попробуем уточнить наши представления о природе колебаний анализом взаимного протекания различных составляющих этих колебаний в процессе раскрутки ЗВ.
Изменение по времени интенсивности каждой из составляющих ПВ, ЗВ, ПВ+ЗВ, ЗВ-ПВ и 2ПВ в процессе нерасчетного рассогласования частот вращения ПВ и ЗВ для лопасти, комлевой части и вала ПВ показано на рисунках 3 и 4.
' ■ • ОПЯ1Я птч 5СЛ1 ппш В{4 к <-- с nrw ito И
Время, мин;рек
Рис. 3. Изменение по времени интенсивности составляющих ПВ, ЗВ, ПВ+ЗВ, ЗВ-ПВ для вала, комля и лопасти ПВ, а также частот вращения рабочих колес ПВ и ЗВ при раскрутке заднего винта
1.5 и 1 (Г. 5 » SJ НО Щ м 1 Я 60 о, кг/ы^ v Лопасть --, Комель >-
Вал ПВ J1
«Е» ___ .... Мш ....
fctffi L^Z*-***-! f_
, J^^^ Vj' ч
щ tan сшн tm» w о о- oi on 13 get» пяа ■■ onia на Время. ннн^ек 1«
Рис. 4. Изменение по времени интенсивности составляющей 2ПВ для вала, комля и лопасти ПВ, а также частот вращения рабочих колес ПВ и ЗВ при раскрутке заднего винта
Как можно видеть из рассмотрения рис. 3ё, максимальная вибронагруженность (не более 1,0 кг/мм2) для составляющей первой роторной гармоники ПВ отмечена в вале. Вибронагружен-ность комля и пера лопасти, как правило, существенно ниже, чем в вале, за исключением двух узких зон 1 и 2, соответствующих главным локальным минимумам нагружения в вале, которое оказывается близким к локальным максимумам в лопасти и комле ПВ.
Первая из этих зон соответствует существенному рассогласованию частот вращения колес вблизи максимума этого рассогласования для его первого «всплеска», а вторая — окончанию бо-
лее протяженного второго «всплеска» при одной и той же величине рассогласования (» 20% от диапазона изменения NBB). Максимальные переменные напряжения в вале и лопасти при этом не превышали величины 0,5 кг/мм2.
Примечательно, что еще один максимум на-груженности комля и лопасти при одновременном главном максимуме нагружения в вале, составляющем 1 кг/мм2, соответствовал такой же величине рассогласования частот вращения ПВ и ЗВ
Рисунок 3 c иллюстрирует вибронагруженность элементов ПВ, вызываемую дисбалансом заднего винта. Роторные колебания ЗВ передаются на элементы ПВ через вал ПВ, который вращается внутри заднего, обеспечивая их взаимную центровку и опору с помощью шарикового и роликового межвальных подшипников.
На начальном этапе раскрутки (зона «Н», №в = 60-95%) эта нагруженность на частоте вращения ЗВ близка к нагруженности, вызываемой первой роторной гармоникой ПВ в той же зоне (см. рис. 3 d). Правее первого «всплеска» рассогласования прямое влияние дисбаланса ЗВ на динамическое нагружение ПВ значительно слабее.
Оно проявляется в наличии нескольких локальных максимумов для вала и небольшой зоны «а», характеризующейся одновременным локальным максимумом для вала, лопасти и комля в конце второго «всплеска» рассогласования при максимальной вибронагруженности не более 0,7 кг/мм2 для вала и 0,4 кг/мм2 для комля и лопасти и наличии достаточно протяженных зон с существенным рассогласованием частот вращения ПВ и ЗВ, в которых вибронагруженность с частотой ЗВ на элементы ПВ практически не передается.
Совместное рассмотрение рисунков 3b и 3a, на которых представлено протекание по времени интенсивности комбинационных составляющих ПВ+ЗВ и ЗВ-ПВ для вала, лопасти и комля ПВ в процессе раскрутки заднего винта, позволяет идентифицировать природу этих колебаний на различных стадиях раскрутки.
В частности, превалирование нагруженности вала в течение обоих «всплесков» рассогласования для ПВ+ЗВ и ЗВ-ПВ позволяет объяснить происхождение этих колебаний за счет кинематического взаимодействие роторов ПВ и ЗВ через межвальные подшипники по схеме амплитудной модуляции [1], где в качестве носителя несущей частоты выступает более нагруженный задний винт
Апв cos fm t * Азв cos 2 Азв t = 1/2 Азв АпвХ X [cos 2^зв-^ + cos 2^зв+и^ (1)
Здесь Азв и Апв — амплитудные значения роторных вибраций соответственно для колес-
носителей несущей частоты ^ и модулирующей 5 частот колебаний.
Именно этому соотношению удовлетворяют соответствующие частоты составляющих спектров, рассчитанных для переменных тензосигна-лов, на временных интервалах рис. 3 Ь и 3 а, где вибронагруженность вала превалирует (см., например, рис. 5).
Как можно видеть из рассмотрения рис. 4, составляющая 2ПВ наиболее значима (до 1,9 и 1,55 кг/мм2) в комле и лопасти на режимах, соответствующих резонансу второй гармоники возбуждения. Обращает на себя внимание полное совпадение протекания интенсивности 2ПВ и ПВ+ЗВ (см. рис. 3 Ь и 4) в зоне «Р», что свидетельствует о совпадении частот составляющих 2ПВ и ПВ+ЗВ для комля и пера лопасти на режиме резонанса при Кпв = Крез, а, следовательно, и о возможном векторном сложении указанных составляющих [1].
Сказанное подтверждается и рисунком 6.
Рис. 5. Иллюстрация амплитудной модуляции колебаний по спектрам тензосигнала вала, лопасти и комля ПВ (КЫпв=75%, Кзв=102%)
Выраженные максимумы вибронагруженнос-ти в комле и лопасти для ПВ+ЗВ при практически постоянных и малых уровнях нагружения вала в начале раскрутки (зона «Н») и после второго «всплеска» рассогласования (зона «К») очевидно имеют аэродинамическую природу. С большой вероятностью их можно отнести к вибрационному отклику на аэродинамическое воздействие вращающейся неравномерности параметров потока, создаваемой вращением заднего колеса ВВ [1]. При этом составляющая ЗВ-ПВ, как можно видеть из рассмотрения рис. 3 а, отсутствует.
Следует отметить значимый уровень составляющей переменных напряжений ПВ+ЗВ (до 1,9, 1,75 кг/мм2 для комля и 1,7, 1,3 кг/мм2 для лопасти соответственно в зоне «Р» и «К») при аэродинамическом возбуждении и существенно меньший уровень (не более 1,0 и 0,25 кг/мм2 для комля и лопасти) при кинематическом. Переменные напряжения составляющей ЗВ-ПВ не превышали 0,6 кг/мм2 для вала и 0,25 кг/мм2 для комля и лопасти.
Рис. 6. Иллюстрация совпадения составляющих колебаний
2ПВ и ПВ+ЗВ: а — для комля, б — для лопасти при переходе с режима МГ на 04МП в условиях раскрутки ЗВ
Из его рассмотрения, в частности, видно совпадение интенсивности составляющих 2ПВ и ПВ+ЗВ и высокая корреляция суммарного тензосигнала с указанными составляющими при проходе через резонанс лопасти, вызываемой 2-й гармоникой возбуждения, в процессе перехода с режима МГ на 0,4МП, сопровождавшемся раскруткой ЗВ.
Рассмотрим проявление виброактивности ВВ на статоре двигателя при нерасчетной раскрутке заднего винта. Особенности этого проявления иллюстрируются рисунком 7, на котором представлено изменение узкополосных составляющих вибраций 1ПВ, 1ЗВ, ПВ+ЗВ и ЗВ-ПВ в процессе раскрутки заднего винта по штатному замеру
вибраций уред Ъ0т .
Рис. 7. Иллюстрация роли составляющих 1ПВ, 1ЗВ, 2ПВ, ЗВ-ПВ и ПВ+ЗВ в виброактивности винтовенти-лятора по замеру УредЪшт при раскрутке заднего винта
Из рассмотрения рисунка 7 видно, что максимальные вибрации отмечены для составляющих ПВ и ЗВ в зоне «Р», в которой наблюдаются максимальные переменные напряжения в комле и лопасти ПВ для составляющих 2ПВ и ПВ+ЗВ при совпадении их частот на режиме резонанса лопастей ПВ, вызываемого второй гармоникой возбуждения (см. рис. 3 и 4). Похожее протекание уровня роторных вибраций ПВ и ЗВ, практически с таким же максимальным забросом, отмечалось и при штатном переходе с режима МГ на 0,4МП (см. рис. 8 а).
Повышенные вибрации на этом режиме нельзя объяснить реакцией роторной системы на загрузку винтов.
[09
Время, кнн.со:
Рис. 8. Виброактивность винтовентилятора по штатному УредЪшт (а) и экспериментальному Уред У (б) замерам при штатном переходе с режима МГ на 0,4МП
При штатной работе затяжеление обоих винтов в соответствии с программой регулирования
происходило в эксперименте после спада вибраций, а в случае раскрутки заднего винта указанное затяжеление имело место только для переднего винта, но также уже после спада вибраций.
Доминирование составляющих вибраций ПВ и ЗВ на указанных режимах отмечены только по оси Ъ при полном отсутствии подобного доминирования вибраций по осям У и X (см., например, рис. 8б). Поэтому повышенную виброактивность двигателя по оси Ъ можно отнести за счет резонансных колебаний двигателя относительно его узлов подвески в указанном направлении, как твердого тела.
Указанное явление проявлялось при всех проходах частот вращения ПВ и ЗВ в диапазоне Кфиз = 58,8-69% (16,8-19,8 Гц) при прямой зависимости интенсивности вибраций от темпа изменения оборотов (чем больше темп, тем меньше вибрации) и небольшом смещении максимума вибраций при этом.
Максимум суммарных вибраций с небольшим превышением нормируемых значений по СКЗ в роторной полосе частот на режиме перехода от МГ к 0.4МП, кратковременно отмечался, как при штатной работе программы регулирования, так и в условиях небольшого 68/ 69% (19.7/20Гц) нерасчетного рассогласования частот вращения ПВ и ЗВ. Сказанное иллюстрируется рисунками 7 и 8 а).
Из рассмотрения указанных рисунков также видно, что все другие составляющие вибраций, включая и комбинационные, существенно меньше, чем составляющие ПВ и ЗВ. При этом в отличие от роторных деталей ВВ составляющая ЗВ-ПВ на статоре оказалась большей, чем ПВ+ЗВ, и отмечалась не только в зонах максимальных «всплесков» рассогласования, но и в зоне «Р». Максимальный уровень комбинационной составляющей ЗВ-ПВ не превышал величины 20 мм/с в зоне «а», которая оказалась чуть ниже уровня составляющей ПВ на этом режиме (см. рис. 7).
Обращает на себя внимание высокая корреляция между уровнями составляющих ПВ, ЗВ, ЗВ-ПВ и ПВ+ЗВ для вибросигнала на статоре двигателя при раскрутке ЗВ, что косвенно свидетельствует о кинематической природе возникновения комбинационных колебаний.
Представляется существенным, что все значимые составляющие колебаний обследованных элементов ротора и статора, включая комбинационные составляющие ПВ+ЗВ и ЗВ-ПВ, при нерасчетном рассогласовании частот вращения ПВ и ЗВ в процессе раскрутки заднего винта не приводили к неприемлемому суммарному уровню переменных напряжений и вибраций для всех мест их замера на двигателе.
Заключение
В виброактивности роторных элементов вин-товентилятора обследованного ТВВД основную роль играет аэродинамика. Комбинационные составляющие ПВ+ЗВ и ЗВ—ПВ кинематической природы пренебрежимо малы и наблюдаются при максимальных нерасчетных рассогласованиях частот вращения разновращающих-ся колес ВВ.
Максимальные вибрации двигателя связаны с его колебаниями как твердого тела. Они кратковременно наблюдаются при переходах с режима МГ на 0,4 МП и обратно, слегка превышая нормируемые значения как в штатной ситуации, так и в случае нерасчетного рассогласования частот вращения переднего и заднего колес ВВ.
Полученные результаты свидетельствуют об удачности конструкторских решений в части обеспечения вибрационной надежности обследованного демонстрационного редукторного ТВВД большой размерности и сверхбольшой степени
двухконтурности с закапотированным биротатив-ным винтовентилятором.
Перечень ссылок
1. Коровин Б.Б., Былинкина О.Н., Стасевич A.A. Экспериментальные исследования комбинационных колебаний лопастей биротативного винто-вентилятора. // Авиационно-космическая техника и технология.-2009.-№8/65.-С.62-68.
2. Бычков В.И., Коровин Б.Б., Данковцев H.A., Былинкина О.Н., Стасевич A.A. и др. Результаты наземных и летных испытаний опытного двигателя НК-93 на летающей лаборатории Ил-76 №3908 // Научно-технический отчет ЛИИ №189-08-III.-2008.-214 с.
3. Динамика авиационных двигателей./ Под ред. Биргера ИА. и Шорра Б.Ф., М., Машиностроение, 1981.-480с.
4. Былинкина О.Н., Коровин Б.Б., Стасевич A.A. Программно-аппаратный комплекс для лет-но-прочностных испытаний авиационных ГТД нового поколения. // Aвиационно-космическая техника и технология.-2005.-№9/25.-С.
Поступила в редакцию 21.05.2010 г.
O.N. Bylinkina, B.B.Korovin
SHROUDED BIROTARY PROPFAN ELEMENTS VIBRATION ACTIVITIES INVESTIGATION WHILE PROPELLER DISCS ROTATION DISODERING
Проанал1зовано особливост1 змт складових коливанъ елемент^в переднього колеса 6ipo-тативного гвинтовентилятора з колесами у каnoтi, що piзнooбеpтаютъся при нерозрахо-ваному розпогодженш хнх частот обертання. Oбмipкoванo мoжливi мехамзми генерацп коливанъ, ятрозглядаються, i короткочасового тдвищення вiбpацiй двигуна на nеpехiдних режимах його роботи. Показано прийнятшстъ вiбpoнавантаженoстi уах обстежених елементiв гвинтовентилятора в nеpевipенiй дтянщ розпогодження частот обертання його колс за умовироботи у складi демонстрацшногоредукторного ТВГД (турбогвинтовенти-ляторний двигун) надпотужног ступеш двохконтурность Виявлено oбластi тнематич-ного та аеpoдинамiчнoгo збудження лопатей гвинтовентилятора на вказаних нерозрахо-ваних режимах.
Турбогвинтовентиляторний двигун (ТГВД), гвинтовентилятор в Kanomi, лопатг, редуктор, комбтащйт коливання, вiбрoнaвaнmaження, спектр, гармоня, амплтудна модуляцш
The peculiarity of vibration components changing for the head wheel elements of shrouded birotary propfan was researched while propeller discs speed disorder occur-. Probable vibration generation mechanisms as well as a short engine vibration growth at unsteady engine mode are discussed. Acceptability of vibration load for all inspected propfan elements under examined field of propeller discs speed disorder was shown while running as a part of developed high-bypass turbofan. Engine mode areas for a head wheel fan vibration generation have been exposed as result of cinematic and aerodynamic effect.
High-bypass turbofan, shrouded propfan, fan, fan gearing, combinative oscillation, dynamic loading, spectrum, harmonic, amplitude modulation
