Актуальность работы. Центробежные компрессорные ступени широко используются в осецентробежных компрессорах газотурбинных двигателей (ГТД) наземного и авиационного исполнения, в бортовых турбогенераторах, агрегатах турбонаддува двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также в центробежных компрессорах (ЦК), применяемых в химической, нефтяной и газовой отраслях промышленности.

Опыт эксплуатации ЦК при высоких окружных скоростях вращения и давлениях рабочей среды выявил необходимость исследования нестационарных процессов в связи с усталостными поломками рабочих колес (РК), возникающих из-за наличия значительных переменных аэродинамических нагрузок. Среди известных нестационарных явлений в ЦК наиболее значительное отрицательное влияние на усталостную прочность колеса оказывает неравномерность распределения параметров потока по окружной координате около дисков колеса, связанная со сложной структурой потока на выходе из РК, обратным влиянием выходного устройства в случае безлопаточного диффузора (БЛД) и влиянием лопаточного диффузора (ЛД). При вращении ротора окружная неравномерность параметров потока, стационарная по отношению к корпусу, преобразуется в нестационарное поле давлений и скоростей по отношению к вращающемуся РК. Важно отметить, что этот вид нестационарности существует на всех режимах работы ЦК, допускаемых при эксплуатации. Кроме того, имеется возможность возникновения резонансного режима при совпадении частоты аэродинамической нагрузки с одной из собственных частот колебания какого-либо элемента РК, приводящего к опасным динамическим напряжениям и усталостным разрушениям.

Поэтому дальнейшее исследование закономерностей распределения давлений и скоростей потока по окружности около РК, разработка методов определения величины и частоты воздействия на РК переменных аэродинамических нагрузок и соответствующих напряжений, а также способов их снижения являются весьма актуальными.

Цель работы. На основе экспериментальных и расчетно-теоретических исследований разработать метод определения переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений, действующих на РК ЦК.

Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Разработка и экспериментальные исследования компактных ступеней концевого типа с закрытыми и полуоткрытыми РК с цилиндрическими и пространственными лопатками, с разными типами диффузоров и выходных устройств, для определения обычными и безинерционными приборами внешних полей давлений, их частот и амплитуд воздействия на диски РК.

2. Разработка инженерного метода определения переменных аэродинамических нагрузок, действующих на РК с внешней стороны дисков и со стороны потока в канале РК.

3. Определение динамических напряжений от действия переменных давлений при эксплуатации, собственных частот и форм колебаний РК разных конструкций и их резонансных режимов.

Научная новизна работы. В процессе исследования получены новые научные результаты, которые выносятся на защиту:

1. В результате экспериментальных исследований трех характерных для ЦК ступеней концевого типа с коэффициентами расхода Ф₀=0,025-0,07-0,09, содержащих входной аппарат, РК с цилиндрическими и пространственными лопатками, БЛД и ЛД и кольцевую камеру (КК), и анализа экспериментальных данных других авторов получены обобщающие зависимости неравномерности давлений за РК и около дисков РК от реактивности при разных режимах работы ступеней.

2. На основе обобщенных зависимостей создана программа расчета на ПЭВМ аэродинамических нагрузок, действующих на покрывной или основной диски РК с внешней стороны, учитывающая геометрию, газодинамическую характеристику ступени и направление течения газа в зазорах около дисков РК.

3. Определены давления в каналах исследованных РК по известной методике расчета осредненного осесимметричного потока с учетом переменности его стеснения при минимальных и максимальных давлениях на выходе из РК, принятых из экспериментальных данных по неравномерности. Изменение расхода через канал РК за счет разного противодавления из-за неравномерности за один оборот вызывает соответствующее изменение давления в канале РК, что использовано для расчета для расчета мгновенных значений давлений в канале РК.

4. Рассчитаны динамические напряжения и запасы прочности от воздействия суммарного поля давлений на диски и лопатки РК с помощью программного пакета ANSYS. Качество построения конечно-элементной (КЭ) модели РК проверено согласованием расчетов по методу конечных элементов (МКЭ) с опытными данными по собственным частотам и формам колебаний исследованных РК, полученными методом голографической интерферометрии.

5. В результате гармонического анализа распределения статических давлений на стенке за РК, измеренных пневмометрическим методом, а также скоростей и давлений за РК, измеренных анемометрическим и тензометрическим методами, определены номера гармоник аэродинамических нагрузок, соответствующих максимальным амплитудам колебаний.

6. Выявлены резонансные режимы работы трех характерных РК, работающих с БЛД, ЛД и КК на основе построенных частотных диаграмм.

7. Проведен анализ причин реального обширного усталостного разрушения лицензионного закрытого РК типа "L" ЦК синтез газа с помощью предлагаемых методов расчета переменных давлений, динамических напряжений и резонансных частот вращения. Результаты анализа подтвердили факт усталостного разрушения РК типа "L", что позволяет рекомендовать использованные методы при проектировании ЦК.

Практическая ценность. Разработанный метод расчета позволяет определять напряженно-деформированное состояние (НДС) РК при воздействии на него переменных аэродинамических нагрузок на стадии проектирования новых ЦК и заранее принять необходимые меры для повышения надежности их работы.

Созданные современные алгоритмы расчетов переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений, действующих на РК, являются необходимыми для конструктора и позволяют с меньшими затратами времени определять резонансные частоты вращения РК и запас прочности по динамическим (усталостным) напряжениям. Указанные методы расчета РК позволяют сократить сроки их проектирования и доводки, повысить качество ЦК ГТД и общепромышленных ЦК высокого давления.

Реализация работы в промышленности. Методы расчета и программы внедрены в систему автоматического проектирования (САПР) ЦК в ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа".

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XIV-XVI Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий" (г. Казань, Военный артиллеристский университет, 2002 г., 2003 г., 2004 г.), на VI и VII Международных научно-технических конференциях молодых специалистов "Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин" (г. Казань, ЗАО "НИИтурбокомпрессор им.В.Б. Шнеппа", 2002 г., 2004 г.), на XII Международной молодежной научной конференции "XII Туполевские чтения" (г. Казань, Казанский государственный технический университет им.А.Н. Туполева, 2004 г.), на XIII Международной научно-технической конференции по компрессоростроению "Компрессорная техника и пневматика в XXI веке", (г. Сумы. СНПО им. Фрунзе, 2004 г.), на Международной научно-технической конференции "Рабочие процессы и технология двигателей" (г. Казань, Казанский государственный технический университет им.А.Н. Туполева, 2005 г.), на II Международной научно-технической конференции "Авиадвигатели XXI века" (г. Москва, ЦИАМ, 2005 г.).

В целом работа докладывалась на кафедре "Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели" (г. Казань, Казанский государственный технический университет им.А.Н. Туполева, 2006 г.) и в ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа", 2004-2006 г. г.

Личный вклад в работу. Автором разработаны три характерные ступени концевого типа и проведены их экспериментальные исследования, разработаны алгоритмы расчета переменных аэродинамических нагрузок закрытых и полуоткрытых РК с цилиндрическими и пространственными лопатками, проведено численное моделирование вынужденных колебаний и динамических напряжений в РК с цилиндрическими и пространственными лопатками исследованных ступеней с помощью программного пакета ANSYS.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ из них 9 статьи и 5 тезисов докладов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Работа содержит страниц машинописного текста, таблиц, рисунков. Список литературы включает 89 наименований. В приложении представлен акт внедрения.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и приведены основные научные результаты.

центробежный компрессор рабочее колесо

Первая глава содержит анализ современного состояния проблемы усталостной прочности РК ЦК. Отражены исследования физической картины потока в областях, непосредственно примыкающих к РК, и нестационарности потока, определяемой окружной неравномерностью давления около дисков РК, а также приведены методы определения переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений, действующих на РК. Отмечен значительный вклад Яновского М.И., Скубачевского Г.С., Жирицкого Г.С., Биргера И.А., Шорра Б.Ф., Раера Г.А., Риса В.Ф., Демьянушко И.В., Образцова И.А. и др. в развитие науки о прочности рабочих колес турбомашин. Отражены результаты проведенных ранее исследований Красильникова В.А., Алемасовой Н.А., Измайлова Р.А., Селезнева К.П., Евгеньева С.С., Ильина А.Л. и др. Все указанные работы способствовали улучшению прочностных и газодинамических характеристик. Однако задача получения метода определения переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений применительно к центробежным ступеням с РК закрытого и полуоткрытого типа с пространственными лопатками в широком диапазоне коэффициентов расхода (Ф₀=0,025-0,07-0,09) в них не ставилась. В литературе недостаточно отражены результаты экспериментальных исследований переменных аэродинамических нагрузок современных конструкций ступеней ЦК с РК закрытого и полуоткрытого типа с пространственными лопатками, БЛД, ЛД и КК. Отсутствует инженерный метод определения переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений РК закрытого и полуоткрытого типа с пространственными лопатками.

В результате анализа сформулированы задачи настоящего исследования.

Во второй главе дано описание проведенного экспериментального исследования неравномерности потока по окружности и радиусу около дисков РК. В качестве объектов исследования приняты три характерные ступени концевого типа, каждая из которых включала: входной аппарат, РК, БЛД или ЛД и КК или внутреннюю улитку (ВУ). Параметры этих ступеней приведены в таблице 1.

Экспериментальные исследования проведены на стенде газодинамики ЗАО "НИИтурбокомпрессор им.В.Б. Шнеппа", аттестованном согласно ГОСТ 24555-81. Стенд оснащен всеми необходимыми системами, позволяющими безопасно эксплуатировать его в диапазоне частот вращения ротора исследуемой ступени n=5000-25000об/мин. Система измерения дает возможность определять величины температуры одновременно в 60 точках отбора, избыточного давления в 100 точках отбора и перепада давления на диафрагме с записью и обработкой их на ПЭВМ в процессе испытания.

В работе использованы следующие методы исследования:

пневмометрический - для измерения поля статических давлений в зазорах между дисками РК и корпусом;

термоанемометрический - для выявления частот и амплитуд пульсаций скорости за РК с частотой опроса 2,5 кГц;

тензометрический - для выявления пульсаций статического давления на передней стенке за РК с частотой опроса 5 кГц.

Таблица 1

Результаты экспериментальных исследований показали, что переменные безразмерные давления в зависимости от типа ступени, режимов работы, наличия БЛД или ЛД, покрывного или основного диска могут составлять 10-30% от среднего значения давления по окружности.

На основе собственных экспериментальных данных и данных других авторов построены обобщенные графики в виде зависимости неравномерности давления на (А - амплитуда неравномерности давления, - среднее давление по окружности на данном радиусе) от степени реактивности РК (рис.1) и коэффициента затухания неравномерности давления , где - на любом радиусе, от радиуса для ступеней с БЛД и ЛД. Полученные зависимости позволяют найти неравномерность давления на любом радиусе для ступеней с подобной геометрией, исследованных нами и другими авторами. Для ступеней с БЛД и пространственными РК полученные данные дополняют приведенные в литературе данные для РК с цилиндрическими лопатками. Для ступеней с ЛД полученные обобщенные зависимости в литературе отсутствовали.

По обобщенным данным для ступеней с БЛД наибольшее влияние на относительную неравномерность давления на выходе из РК при оказывает реактивность ступени . С ее уменьшением, т.е. с ростом уровня скоростей за РК, величина заметно растет. Этот рост более заметен для течения около покрывного диска РК и менее - около основного, что связано с меньшей величиной протечки через уплотнение вала.

Коэффициент К_А, позволяющий определить на любом радиусе при известном на , снижается с уменьшением (рис.2). Наиболее заметно это снижение для покрывного диска проявляется при и малых величинах . Для основного диска характер изменения К_А с уменьшением сохраняется, но проявляется при . Для ступени №1 (, ) величина К_А резко уменьшается на участке .

По полученным обобщенным данным для ступеней с ЛД с увеличением реактивности ступени величина снижается менее заметно по сравнению с при использовании БЛД (рис.2).

Для основного диска величина К_А заметно снижается на участке и не сильно зависит от режима работы ступени.

Проведен гармонический анализ распределения безразмерного статического давления по окружности за РК в области в программной среде Mathcad с использованием команды CFFT - стандартного преобразования Фурье. Выявлены гармоники, имеющие максимальные амплитуды: для ступени №1 с БЛД (, , ) k=1-6, для ступени №2 с БЛД (, , ) k=1-4 (рис.3).

Гармонический анализ распределения статических давлений по окружности за РК в области , полученных другими авторами, показал для ступени , , цилиндрические лопатки, (ЗАО "НИИтурбокомпрессор") k=1-2, для ступени , , цилиндрические лопатки, (АО "Невский завод") k=1-2. Для ступени , , прямые лопатки, (ЗАО "НИИтурбокомпрессор") k=1-5.

Таким образом, с увеличением , т.е. с уменьшением скорости на выходе из РК, количество гармоник, имеющих максимальные амплитуды, уменьшается.

При исследовании пульсаций скорости термоанемометрическим методом измерительная аппаратура, включающая в себя проволочный датчик, термоанемометр DISA55M, линеаризатор, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и ПЭВМ с программным пакетом для анализа измеренных сигналов, заимствована на кафедре 22 КГТУ им.А.Н. Туполева. С помощью программы, имеющейся в составе измерительной аппаратуры, исходный сигнал разложен в ряд Фурье и найдена энергия сигналов пульсаций скорости Е_k. На основе построения графика зависимости Е_k от кратности гармоник k выявлены k, имеющие максимальные амплитуды (рис.4). Для ступени №2 с БЛД k=1-4. Для ступени №1 с БЛД k=1. В связи с частотой опроса 2500 Гц выявить гармоники с кратностями k=z₂ и 2z₂ и выше при M_u2=0,5 (f₀=182Гц) не удалось. Однако с уменьшением частоты вращения эти гармоники также проявлялись.

1 - -

2 - -

3 - -

4 - -

5 - -

6 - , -

7 - -

Рис. 2. Зависимость для покрывного диска РК ступеней с БЛД
1, 2, 3, 4 - данные других авторов; 5, 6, 7 - данные автора

Исследование пульсаций давлений на передней стенке за РК проведено с использованием аппаратуры, включающей датчик тензометрического типа, изготовленный в ЗАО "НИИтурбокомпрессор", АЦП и ПЭВМ с пакетом программ, позволяющих проводить гармонический анализ измеренных сигналов. Измерительная система имела частоту опроса 5000 Гц. В процессе измерения исходный сигнал разложен в ряд Фурье и построен график зависимости амплитуды пульсаций давления p_k от кратности гармоник k (рис.5). На основе этого графика выявлены k, имеющие максимальные амплитуды. Для ступени №2 с БЛД k=1-4, k=z₂ и 2z₂; для ступени №1 с БЛД k=1-2 и k=z₂; для ступени №2 с ЛД k=1, k=z₂ и 2z₂. Измерение пульсаций статических давлений за РК с частотой опроса 5000 Гц подтверждает данные, полученные с помощью термоанемометра, и дополняет их выявленными кратностями гармоник k=z₂ и 2z₂ имеющих максимальные амплитуды.

Рис. 3. Гармонический анализ зависимости за РК на

а) ступень №1 с БЛД (,)

б) ступень №2 с БЛД (, )

1. Экспериментально исследована неравномерность поля давлений и скоростей по окружности около дисков РК и на его периферии с помощью пневмометрических и безынерционных измерительных приборов для трех, широко применяемых компактных центробежных ступеней концевого типа с БЛД и ЛД, ВУ и КК, охватывающих три характерных для ЦК значения коэффициента расхода Ф₀ (0,025-0,07-0,09), в диапазоне M_u=0,5-0,7 и M_u=1,1 для ступени №3 и имеющих закрытые и полуоткрытые РК с цилиндрическими и пространственными лопатками. В результате полученных экспериментальных данных показано, что переменная составляющая давления для исследованных ступеней может достигать 10-30% от средних значений по окружности за РК.

2. В результате анализа собственных экспериментальных данных и данных других авторов для закрытых и полуоткрытых РК с углами _л2=90, 60, 50, 45, 32 получены значения амплитуд неравномерности давления по окружности (от влияния ВУ и ЛД) на участках от наружного радиуса РК до радиуса уплотнения. Выявлено, что неравномерность давления является максимальной около покрывного диска РК при и использовании БЛД.

3. В результате обобщения экспериментальных данных по неравномерности давления разработана программа для ПЭВМ расчета переменных давлений, действующих на диски РК с внешней стороны для рассмотренных типов концевых ступеней. Для расчета по программе необходима исходная геометрия и газодинамические характеристики ступени.

4. Давления непосредственно в каналах РК определены расчетом по известной методике расчета осесимметричного потока с учетом переменности стеснения потока и последующей идентификацией расчетов с опытными данными на границах РК. Предполагалось, что изменение расхода через канал РК за один оборот его за счет разного противодавления из-за неравномерности по окружности вызывает соответствующее изменение давления в канале РК. Это явление использовано для расчета мгновенных значений давления в канале РК.

5. Выполнен расчет по МКЭ статических и динамических напряжений и соответствующих запасов прочности на основе действия центробежных сил и поля переменных давлений, действующих с внешней и внутренней стороны дисков трех исследованных типов РК, работающих в составе реальных ЦК, и даны рекомендации по совершенствованию конструкций. В частности, для РК ступени №2 с БЛД запас по динамическим напряжениям составляет 1,9, что требует изменения конструкции.

6. С помощью пневмометрических и безынерционных систем измерений давлений и скоростей в области выхода из РК и анализа спектра частот их колебаний по ширине канала определены номера гармоник k частот воздействия f=kn переменных давлений, соответствующих высоким амплитудам, для исследованных типов РК на разных режимах работы. Для РК, работающих с БЛД и ВУ (или КК) они находятся в диапазоне от k=1 до k=6 в зависимости от степени реактивности и k=z₂ (z₂ - число лопаток РК), а работающих с ЛД составляют k=1, k=z₂ и k=z₃ (z₃ - число лопаток ЛД).

7. Методом голографической интерферометрии определены собственные частоты и формы колебаний исследованных трех типов закрытых (_л2=90 и 45) и полуоткрытого ( (_л2=50) РК и проведено их сравнение с результатами расчета собственных частот и форм колебаний по МКЭ с использованием пакета ANSYS (лицензия № 24281/101217 ЗАО "НИИтурбокомпрессор им.В.Б. Шнеппа"). Совпадение опытных и расчетных данных в пределах 3-5% показало приемлемость построенной КЭ-модели и она использована для расчета собственных частот и форм колебаний с учетом вращения РК.

8. В результате анализа построенных частотных диаграмм выявлены резонансные режимы работы трех исследованных типов РК с _л2=90, 45 и 50. Например, для ступени с закрытым РК (_л2=90, , цилиндрические лопатки, БЛД и КК) в диапазоне n=11000-15000об/мин определены три резонансные частоты вращения n=13811об/мин (k=5, два узловых диаметра), n=11854об/мин (k=z₂=23, 5 узловых диаметров) и n=14251об/мин (k= z₂=23, 6 узловых диаметров). Широкое закрытое РК (_л2=45, , пространственные лопатки, ЛД и КК) имело только одну резонансную частоту вращения n=11240об/мин (k=z₃=10, 2 узловых диаметра). В полуоткрытом РК (_л2=50, , ЛД, пространственные лопатки) в интервале n=15000-25000об/мин резонансные частоты вращения проявлялись при n=21000об/мин (k=z₂=17, зонтичные колебания) и n=15000об/мин (k=z₂=17, 6 узловых диаметров; k=z₃=19, 8 узловых диаметров). Для этого РК выявлены также характерные формы колебаний лопаток входного вращающегося аппарата.

9. Проведен анализ причин реального обширного усталостного разрушения лицензионного закрытого РК типа " L" ЦК синтез газа с помощью предлагаемых методов расчета переменных давлений, динамических напряжений и резонансных частот вращения. Результаты анализа подтвердили факт усталостного разрушения РК типа "L", что позволяет рекомендовать использованные методы для проектирования ЦК.

По теме диссертации опубликованы следующие работы