автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Определение переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений, действующих на рабочее колесо центробежного компрессора

На правах рукописи

ФУТИН ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК И ДИНАМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели

и энергоустановки летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических науг

Казань 2006

Работа выполнена на кафедре "Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели" Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева и в ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа".

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор 1

Евгеньев С.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мифтахов A.A., кандидат технических наук Сагадеев Р.Г.

Ведущая организация: ОАО "Авиамотор" (г. Казань)

Защита диссертации состоится июня 2006 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Автореферат разослан "¿Л " A/CJf 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета к. т. н., доцент t/s/ZsCA^ А.Г.Каримова

2_ооС А

общая характеристика работы

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 закономерное! ей 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 цилиндри-

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

ческими и пространственными лопатками, с разными типами диффузоров и выходных устройств для определения обычными и малоинерционными 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=0,03-0,07-0,09, 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 его дисков от реактивности РК 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 расходного течения газа в зазорах около дисков РК.

3. Давления в каналах исследованных РК определены в результате расчета осредненного осесимметричного потока с учетом переменности его стеснения при минимальных и максимальных давлениях на выходе из РК, принятых из экспериментальных данных но 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 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 Л^УЯ. 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 статиче-

ских давлений на стенке за РК, измеренных пневмометрическим методом, а также скоростей и давлений за РК, измеренных анемометриче-ским и тензометрическим методами, определены номера гармоник аэродинамических нагрузок, соответствующих максимальным амплитудам колебаний, выявлены резонансные режимы работы трех характерных РК на основе построенных частотных диаграмм.

6. Эффективность предлагаемых методов расчета переменных давлений, динамических напряжений и резонансных частот вращения подтверждена анализом усталостного разрушения реального РК.

Практическая ценность. 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 ЗЛО "НЙИтурбокомпрессор 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 "НИИтурбоком-прессор им. В.Б. Шнеппа", 2002 г., 2004 г.), на XII Международной молодежной научной конференции "ХП 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, па-

ротурбинные 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.

Достоверность научных положений и достоверность полученных результатов обеспечивается применением апробированных расчетных и экспериментальных методов при исследовании центробежных компрессоров; удовлетворительным согласованием полученных результатов расчетов и экспериментов с известными данными других авторов; использованием современной измерительной аппаратуры, отвечающей необходимым требованиям точности; расчетом погрешностей эксперимента.

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.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Работа содержит 185 страниц машинописного текста, 13 таблиц, 146 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.

Первая глава содержит анализ современного состояния проблемы определения переменных аэродинамических нагрузок и 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 РК. Однако задача получения метода определения переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений применительно | к центробежным ступеням с РК закрытого и полуоткрытого типа с про-

странственными лопатками в широком диапазоне коэффициентов расхода (Ф0=0,03-0,07-0,09) 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 приведены результаты 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, а фотоснимки трех РК этих ступеней -на рис. 1

Экспериментальные исследования проведены на стенде газодинамики ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа", аттестованном согласно ГОСТ 27300-87. Стенд оснащен всеми необходимыми системами, позволяющими безопасно эксплуатировать его в диапазоне частот вращения ротора исследуемой ступени п=5000-25000об/мин. Система измерения дает возможность определять величины температуры, избыточного давления и перепада давления на диафрагме с записью и обра' боткой их на ПЭВМ в процессе испытания.

В работе использованы пневмометрический, термоанемометри-ческий и тензометрический методы исследования.

Результаты экспериментальных исследований показали, что переменные по окружности безразмерные давления (р2 - р0), где р0, р2 - давления на входе и выходе РК, в зависимости от типа ступени, режи-

мов работы, наличия БЛД или ЛД, покрывного или основного диска могут составлять 10-30% от среднего значения давления по окружности.

____Таблица 1

№ ступени №1 №3

Тип вых. устройства КК КК ВУ

Тип РК Закрытое с цилиндрическими лопатками Закрытое с пространственными лопатками Полуоткрытое с пространственными лопатками

0Л2 90° 45° 50°

ъ2 ~ ь /т> 2/ 2 0,017 0,068 0,059

Та 23 13 17

Ч - Вариант с БЛД Вариант сЛД 19

- 10

Мц 0,5-0,7 0,5-07 0,5-0,7 1,1

О 0,5 0,61 0,67 0,65

Л пол 0,63 0,82 0,84 0,81

Ф2 =С /и 4 1x1 2 (расч.) 0,27 0,3 0,23 0,34

4-V и 2 2 (расч.) 0,03 0,07 0,62 0,09

I

РК№1 РКХ°2 РК №3

Рис. 1

На основе собственных экспериментальных данных и данных других авторов построены обобщенные графики в виде зависимости неравномерности давления (а/рб на г = 1

(А = (р2 - Ро )тах ~ (Р2 - Ро)ти1' Рб " среднее давление по окружности на данном радиусе) от степени реактивное™ РК С! (рис. 2) и коэффициента затухания неравномерности давления КА =(А/рв)?/(А/рб)?-1 ,

где

(а/р6

)- - величина на любом радиусе, от радиуса г для ступеней с БЛД и ЛД. Полученные зависимости позволяют найти неравномерность давления (А/рб)- на любом радиусе для ступеней с подобной геометрией, исследованных нами и другими авторами. Для ступеней с БЛД и ЛД и пространственными РК полученные данные дополняют приведенные в литературе данные для РК с цилиндрическими лопатками.

По обобщенным данным для ступеней с БЛД наибольшее влияние на относительную неравномерность давления (л/рб)-=1 на выходе

из РК при г = 1 оказывает реактивность РК О.. С ее уменьшением, т. е. с ростом уровня скоростей за РК, величина (А/р6);=] заметно растет.

Этот рост более заметен для течения около покрывного диска РК и менее - около основного. С увеличением расхода через ступень неравномерность давления возрастает, но не сильно отклоняется от осредненной кривой.

Коэффициент КА, позволяющий определить (А/рб)« на любом

радиусе при известном (а/р6)^, на г = 1, снижается с уменьшением г (рис. 3). Наиболее заметно это снижение для покрывного диска проявляется при г = 0,85 -1,0 и малых величинах Я. Для основного диска характер изменения КА с уменьшением г сохраняется, но проявляется при г = 0,6 -1,0. Для ступени №1 ((Зл2 = 90°, Ьг = 0,017 ) величина КА резко уменьшается на участке г = 0,9 -1,0 .

По полученным обобщенным данным для ступеней с ЛД с увеличением реактивности РК О величина (а/рб)р=, снижается, но менее

заметно по сравнению с (а/р6)?=1 при использовании БЛД (рис. 2).

Для основного диска величина КА заметно снижается на участке г = 0,9 -1,0 и не сильно зависит от режима работы ступени.

Рис. 2. Зависимость (а/р8)-^] = Г(О) для покрывного диска РК ступеней с БЛД и ЛД. □ - ступени с БЛД, ■ - ступени с ЛД. X" данные других авторов

Рис. 3. Зависимость Кд = f (г) для покрывного диска РК ступеней с БЛД OA- данные автора;^ ^ • VX - данные других авторов

Проведен гармонический анализ распределения безразмерного

статического давления по окружности за РК в области г = 1 в программной среде Mathcad с использованием команды CFFT - стандартного преобразования Фурье. Выявлены номера гармоник к, имеющих максимальные амплитуды Ак: для ступени №1 с БЛД (Рл2=90°,

Ь2= 0,017, П = 0,5) к=1-6, для ступени №2 с БЛД (Рл2=45°,

Ь2 = 0,068 , О = 0,67) к=1-4 (рис. 4).

Гармонический анализ распределения статических давлений по

окружности за РК в области г = 1, полученных для подобных ступеней

другими авторами, показал для ступени рл2 = 45°, Ьг = 0,025, БЛД, цилиндрические лопатки, П = 0,66 (ЗАО "НИИтурбокомпрессор") к=1-2, для ступени (Зл2 = 32°, Ьг=0,05, цилиндрические лопатки, £1 = 0,72 (АО "Невский завод") к=1-2. Для ступени Рл2 = 62°,

Ьг = 0,048, БЛД, прямые лопатки, О = 0,57 (ЗАО "НИИтурбокомпрессор") к=1-5.

Рис 4. Гармонический анализ зависимости (р2 - р0) = 1\в) заРК на г = 1,0 при Мц =0,5 а - ступень №1 с БЛД (Рл2 = 90°, Ьг = 0,017); б - ступень №2 сБЛД(Рд2 = 45°, Ь2 = 0,068)

Таким образом, с увеличением £2, т. е. с уменьшением скорости на выходе из РК, количество номеров гармоник к, имеющих максимальные амплитуды, уменьшается.

При исследовании пульсаций скорости за РК термоанемометри-ческим методом измерительная аппаратура, включающая в себя проволочный датчик, термоанемометр ОВА55М, 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 Ек. На основе построения графика зависимости Ек от номеров гармоник к выявлены к, имеющие максимальные амплитуды (рис. 5). Для ступени №2 с БЛД к=1-4. Для ступени №1 с БЛД к=1. В связи с частотой опроса 2500 Гц выявить гармоники с

номерами к=гг и к=2г2 и выше при Ми=0,5 (^=182Гц) не удалось. Однако с уменьшением частоты вращения эти гармоники также проявлялись.

Рис. 5. Зависимость Ек=А;к) на г = 1,0 для ступени №2 с БЛД ( рл2 = 45°, Ьг = 0,068 ) при Мц = 0,5 . а - при <р2 =» 1,34, б - при <р2 = 1,14, в - при ф2 = 0,7

Исследование пульсаций давлений на передней стенке за РК проведено также 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 Рк от номеров гармоник к (рис. 6). На основе этого графика выявлены к, имеющие максимальные амплитуды. Для ступени №2 с БЛД к=1-4, к=22 и к=2г2; для ступени №1 с БЛД к=1-2 и к=2г; для ступени №2 с ЛД к=1, к=22 и к=2г2. Измерение пульсаций статических давлений за РК с

и

частотой опроса 5000 Гц подтверждает данные, полученные с помощью термоанемометра, и дополняет их выявленными номерами гармоник и к=2г2, имеющих максимальные амплитуды.

Рис. 6. Зависимость рк=Д[к) на г = 1,05 при М(| => 0,5. а - ступень №1 с БЛД (рл2 = 90°, Ъг = 0,017), $>=182,4 Гц, 1 - Ф2 = 2,0,2- <р2 = 1,54,3- <р2 = 1,0; б - ступень №2 с БЛД (Рл2 <= 45°, Ьз = 0,068 ), ^-182,4 Гц, 1 - ф2 = 1,34,2- ф2 = 1,14,3- ф2 = 0,7

Таким образом, на основе стандартного Фурье-анализа переменных аэродинамических нагрузок, полученных экспериментально тремя разными методами, дополняющими друг друга, определены номера гармоник с наибольшими амплитудами. Частоты возмущающих переменных аэродинамических нагрузок определены по выражению

где п - частота вращения РК (об/с), и использованы в дальнейшем для определения резонансов РК.

В третьей главе на основании обобщенных данных разработан метод расчета давлений, с учетом неравномерности по окружности, действующих с внешней стороны на диски РК. В качестве исходных данных необходимы геометрия ступени и газодинамическая характеристика в безразмерном виде.

Из обобщенных данных по графику на рис. 1, при известных ф2 и О, определяется значение (а/р6)?и1 для радиуса г = 1. Далее находится КА, используя рис. 2 и величины (А/рб);, и далее А для каждого последующего г < 1 по формуле

(А/Рб)? =КД(А/Рв)г-»' (1)

а также величина аэродинамической нагрузки с учетом амплитуды неравномерности рбн по формуле

рбн=рб±А/2. (2)

Рассчитанная величина рбн аэродинамической нагрузки с учетом амплитуды неравномерности в последующем используется для определения динамических нагрузок на внешние поверхности дисков РК.

Определение мгновенных изменений давлений на диски и лопатки в межлопаточных каналах РК, возникающих за счет разного противодавления из-за неравномерности давления на выходе РК за 1 оборот проводилось с помощью программного комплекса, в котором решаются задачи расчета осесимметричного потока в меридиональном канале РК и обтекания решеток профилей на осесимметричных поверхностях тока.

Среднее давление на выходе из РК р2р при г = 1 определялось на основе расчета потока на осесимметричных поверхностях тока при известных начальных параметрах (рн, Т„, Ми, Я, к, Ф0) и заданной геометрии ступени. Оно сравнивалось со средним давлением р2, известным из опытной газодинамической характеристики ступени. Это отличие определялось

коэффициентом коррекции Кк, который меньше 1, т. к. при расчете р2р не учитываются потери. Кк рассчитывался по формуле

Кк=р/р (3)

2/ 2р

С использованием величины А при г = 1, определяемой по методу, представленному выше, вычислялось максимальное и минимальное давления р2 с учетом нестационарности по формуле

Ргтах =Р2 + а/2, р2тт =р2-а/2. (4)

Для определения поля давлений, действующего на диски и лопатки внутри канала РК, с использованием расчета потока на осесим-

метричных поверхностях тока, максимальное и минимальное давления на выходе из РК вычислялось по формулам

Заданные значения р2ртах и р2ртМ достигали за счет подбора

расчетом потока на осесимметричных поверхностях тока двух мгновенных за 1 оборот значений Ф0 и соответствующих мгновенных эпюр давлений и скоростей, в канале РК. Последние сравнивали со средними значениями, полученными для среднего за 1 оборот давления р2р по окружности за РК, соответствующего исходному Ф0. В результате находили предполагаемое мгновенное значение давления рм и относительной

скорости по ширине канала на данном г , которые, в последующем, использовались для расчета динамических напряжений в межлопаточных отсеках РК. Рассчитанные распределения относительных скоростей в каналах РК сравнивались также с экспериментальными данными Кра-сильникова В.А., Локшина И.Л., Тарасова А.Д. Получено удовлетворительное качественное совпадение, что позволило использовать эту математическую модель.

Расчет динамических напряжений проведен с помощью МКЭ, реализованного в программном пакете А^УЗ. Для моделирования напряженно-деформированного состояния РК была построена КЭ модель сектора РК, рассматриваемая в четвертой главе. В связи с отличием координатной сетки поверхностной нагрузки от узловой координатной сетки поверхностей дисков и лопатки КЭ модели, разработана программа, включающая: упорядочивание узловой координатной сетки поверхностей КЭ модели; определение нагрузок в виде давлений, соответствующих этой сетке, с интерполяцией давлений по координатной сетке исходной поверхностной нагрузки и запись списка нагрузок командами АИЗУЗ. Поверхностную нагрузку в виде давлений прикладывали к дискам на радиусах г = 0,7 -1,0, где имеет место минимальная жесткость конструкции и происходят основные усталостные разрушения от динамических напряжений.

В четвертой главе представлено численное моделирование вынужденных колебаний и динамических напряжений в РК. Приведено подробное описание построения КЭ модели РК. Качество ее построения проверено согласованием расчетов по МКЭ (рис. 7) с опытными данными по собственным частотам и формам колебаний исследованных РК, полученными методом голографической интерферометрии (рис. 8).

(5)

Рассчитанные без учета вращения с помощью МКЭ собственные частоты 1р и формы колебаний РК ступени №2, представленные в таблице 2, хорошо согласуются с экспериментальными частотами и формами колебаний. Сравнение экспериментальных и расчетных частот и форм колебаний показывает хорошее совпадение, что позволяет говорить о применимости, в дальнейшем, расчетного МКЭ для определения собственных частот и форм колебаний.

Рис. 7. Результаты расчета РК Рис. 8. Интерферограмма РК

ступени №2 но МКЭ ^=1842 Гц ступени №2 при Гэ=1856 Гц

(2 узловых диаметра) (2 узловых диаметра)

Таблица 2

Число узловых диаметров РК ступени №2 (рл2 = 45°, Ь2 = 0,068 )

Гц f - f п -100% Э р/ э

2 1856 1842 0,7

3 3671 3643 0,7

4 5080 4815 5,2

5 6010 5615 6,5

МКЭ, реализованный в АШУБ, позволил рассчитать также соб-стиепиме частота § и формы колебания РК с учетом его вращения для всех трех типов РК. При вращении жесткость РК увеличивается, что приводит к росту собственных частот.

На основе определенных в данной работе fp, 5р-!(п) построены частотные дишраммы (диаграммы Кэмпбелла) для РК трех исследованных ступеней. В точке пересечения этих кривых определены частоты вращения РК, при которых возникнет резонанс. Например, для ступени

№1 с закрытым РК (р„2=90°, Ъг = 0,017, цилиндрические лопатки, БЛД и КК) в диапазоне 1000-15000об/мии определены три резонансные

частоты вращения п=13811 об/мин (к=5, два узловых диаметра), п=11854об/мин (к~г2=23, 5 узловых диаметров) и гг14251 об/мин (к-г2=23, 6 узловых диаметров), при пра6=14269об/мин возможно возникновение резонанса.

Проведен анализ динамической и статической прочности РК трех исследованных ступеней, работающих в реальных компрессорах (ступень №1 Ми=0,5, конечное давление рк=8,34МПа; ступень №2 Мц=0,5, рк=7,7МПа; ступень №3 Мц=1;1, рк-2,6МПа). Обнаружено, что максимальная интенсивность динамических напряжений ст„ наблюдается на периферии РК в месте стыка лопатки с покрывным диском (рис. 9 РК ступени №2). Определены запасы усталостной прочности для покрывного диска исследованных РК по формуле

где ста<) - предельное амплитудное напряжение при асимметричных циклах нагружсния для образца из покрывного диска РК с лопаткой из стали 07Х16Н6. а определяется из диаграммы выносливости по рассчитан-

"Ч

ной величине статического напряжения сгю на периферии РК.

Запасы прочности по динамическим па и статическим пш напряжениям для трех исследованных РК приведены в таблице 3.

Из таблицы 3 видно, что для РК ступени №2 запас усталостной

прочности покрывного диска па=1,9, что меньше нормированного

(6)

Рис 9 Изолинии интенсивности напряжений от переменных аэродинамических нагрузок (РК ступени №2 с БЛД)

Рис. 10. Ичолииии ИНТСНСИШЮС1И напряжений К ступени №2 с 1ШД от воздействия иа РК центробежных сил

значения [па]=3 и прочность покрывного диска не обеспечивается. Расчеты при более высоких и2=280 м/с для ступеней №1 и №2 показали снижение запасов прочности соответственно до значений па=8 и 1,5 пт=1 и 1,1.

Таблица 3

Типы РК РК ступени №1 и2=224 м/с РК ступени №2 и2=224 м/с РК ступени №3 и2=383 м/с

Запасы по динамическим напряжениям па 13,8 1,9 12,4

Запасы по статическим напряжениям пт 1,54 1,67 1,36

С целью подтверждения эффективности предлагаемых методик, рассчитано также лицензионное закрытое РК типа "Ь", при эксплуатации которого были обширные усталостные разрушения на периферии покрывного диска. Это колесо входило в состав концевой ступени с БЛД и ВУ первой секции корпуса 463В ЦК синтез-газа (и2=313м/с, Ми=0,4, рк=5,ЗМПа). Запас по динамическим напряжениям составил па=3,8, что больше нормированного значения [па]=3 и прочность диска должна при нерезонансных режимах работы РК обеспечиваться. Однако, по частотной диаграмме для РК типа 'Ъ" выявляются резонансные режимы работы РК при частотах вращения ротора п=11400 и 10650об/мин, близких к рабочей частоте п=11200об/мин, что привело к фактическому разрушению РК.

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально исследована неравномерность поля давлений и скоростей по окружности около дисков РК и на его периферии с помощью пневмометрических и малоинерционных 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 (0,03-0,07-0,09), в диапазоне Ми=0,5-1,1 и имеющих закрытые и полуоткрытые РК с цилиндрическими и пространственными лопатками. Показано, что переменная составляющая давления для исследованных ступеней может достигать 1030% от средних значений по окружности за РК.

2. В результате анализа собственных экспериментальных данных и данных других авторов для закрытых и полуоткрытых РК с угла-

ми рл2=90°, 60°, 50°, 45°, 32° получены значения неравномерности давления по окружности на участках от наружного радиуса РК до радиуса уплотнения. Выявлено, что неравномерность давления является максимальной около покрывного диска РК при г = 0,95 -1,02 и использовании БЛД. Использование ЛД (гЗ = 1,15 -1,2) заметно снижает неравномерность давления в области г = 1,0 . Получена обобщенная зависимость (А/р6)- = для г = 0,7 -1,0, показывающая влияние степени реактивности О на неравномерность давления, и разработана программа на ПЭВМ расчета переменных давлений, действующих на диски РК с внешней стороны для рассмотренных типов концевых ступеней.

3. Давления непосредственно в каналах РК определены расчетом осесимметричного потока с учетом переменности стеснения 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.

4. С помощью пневмометрических и малоинерционных систем измерений давлений и скоростей в области выхода из РК и анализа спектра частот их колебаний по ширине канала определены номера гармоник к частот воздействия £=кп переменных давлений, соответствующих высоким амплитудам, для исследованных типов РК на разных режимах работы.

5. Методом голографической интерферометрии определены собственные частоты и формы колебаний исследованных трех типов закрытых (Рл2=90° и 45°) и полуоткрытого ((рЛ2==50о) РК и проведено их сравнение с результатами расчета собственных частот и форм колебаний по МКЭ с использованием пакета А^УБ (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 рассмотренных РК.

6. В результате анализа построенных частотных диаграмм выявлены резонансные частоты вращения трех исследованных типов РК с Рл2=90°, 45° и 50° и проведено их сравнение с рабочей частотой вращения РК при использовании в реальных ЦК.

7. 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 PK, работающих н составе реальных ЦК. В частности, для PK ступени №2 с БЛД при и2 224 м/с запас но динамическим напряжениям составил 1,9, что ниже нормы, равной 3.

8. Анализ причин реального усталостного разрушения лицензионного закрытого PK типа " L", выполненный с помощью предлагаемых методов расчета переменных давлений, динамических напряжений и резонансных частот вращения, подтвердил факт усталостного разрушения PK тина "1,", что позволяет рекомендовать использованные методы для проектирования ЦК.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. (Рутин В.Л. Анализ погрешностей измерений при газодинамических испытаниях сменных проточных частей для ГПА. - Материалы докладов XIV Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология". Ч. I. Казань, 2002, с. 89-92.

2. Футип ПЛ. Изучение нестационарных процессов за рабочим колесом центробежного компрессора. - Тезисы докладов VI научно-технической конференции молодых специалистов "Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин". Казань, 2002, с. 18-19.

3. <Рутин П.А Экспериментальное исследование распределения давления за рабочим колесом центробежного компрессора. - Сборник материалов XV Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий". Ч. II. Казань, 2003, с. 36-37.

4. Футии H.A. Экспериментальное определение неравномерности распределение давления по окружности около дисков закрытых рабочих колее центробежных ступеней концевого типа. - Сборник материалов XVI всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий". Ч. I. Казань, 2004, с. 231-232.

5. Евгеньев С.С., Футин В.А. Экспериментальное определение пульсаций давлений и скоростей за рабочим колесом цсшробежной ступени концевого типа. - Сборник материалов XVI всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий". Ч. I. Казань, 2004, с. 229-231.

6. Евгеньев С.С., Футин В.А. Экспериментальное исследование пульсаций скоростей и статических давлений за рабочим колесом центробежного компрессора. - Тезисы докладов VII международной научно-технической конференции молодых специалистов "Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин" посвященная 80-летию со дня рождения В.Б.Шнегша, Казань, 2004, с. 3-5.

7. Евгеньев С.С., Футин В.А. К определению неравномерности распределения давления по окружности около дисков закрытых рабочих колес центробежных компрессоров. - Тезисы докладов VII международной научно-технической конференции молодых специалистов "Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин" посвященная 80-летию со дня рождения В.Б.Шнепна, Казань, 2004, с. 11-12.

8. Евгеньев С. С., Футин В.А. Исследование неравномерности потока за рабочим колесом центробежного компрессора. - Сборник научных трудов под редакцией доктора техн. наук И.Г. Хисамеева "Проектирование и исследование компрессорных машин". Выи. 5, Казань, 2004, с. 124-139.

9. Евгеньев С.С., Футин В.А. Исследование пульсаций давлений и скоростей за рабочим колесом ступени концевою тиг/а центробежного компрессора. - Труды XIII Международной научно технической конференции по компрессоростроению "Компрессорная техника и пневматика в XXI веке". Ч. I., Сумы, 2004, с. 83-90.

10. Евгеньев С.С., Футин В.А. Распределение давления по окружности около дисков закрытых рабочих колее ступеней концевого тина центробежных компрессоров. - Труды XIII Международной научно технической конференции по компрессоростроению "Компрессорная техника и пневматика в XXI веке". Ч. I., Сумы, 2004, с. 125 131.

11. Евгеньев С.С., Футин В.А. Определение резонансных режимов рабочих колес центробежных компрессоров, испытывающих воздействие переменных давлений. - Материалы Международной молодежной

научной конференции "XII 'Гуполевские чтения". Том I., Казань, 2004, с. 221 223.

12. Кагепьев ('.(!., Футип В.А. Распределение давления по окружности около дисков закрытых рабочих колес ступеней концевого типа центробежных компрессоров.// - Компрессорная техника и пневматика., № 8,2004, с. 28-30.

13. Еагеньев С С., Футин В.А., Каримов А.Х., Макаева Р.Х., Царева A.M. Определение резонансных частот вращения закрытых рабочих колес центробежных компрессоров. - Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Рабочие процессы и технология двигателей", 23-27 мая 2005 г. КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань: Изд-во Казан, гос. тех», ун-та, 2005, с. 198-200.

14. Евгеиьев ('.('., Футин В.А. Определение переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений, действующих на рабочие колеса центробежных компрессоров. - II Международная научно-техническая конференция "Авиадвигатели XXI века". Сб. тезисов, том I.

М.: ЦИАМ, 2005, с. 323-325.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Нсчл. 1,25. Усл.псч.л. 1,16. Усл.кр.-отт. 1,21. Уч.-изд.л. 1,11. Тираж 100. Заказ И 90.

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111 г. Казань, К. Маркса, 10

)

я

i*

\

¿öö£ А

-ÍA34&

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Физическая картина потока в областях, непосредственно примыкающих к рабочему колесу.

1.2. Нестационарность потока, определяемая окружной неравномерностью давления около дисков рабочего колеса.

1.3. Методы определения переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений, действующих на рабочие колеса.

П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПОТОКА ПО ОКРУЖНОСТИ И РАДИУСУ ОКОЛО ДИСКОВ РАБОЧЕГО КОЛЕСА.

2.1. Объекты исследования и экспериментальный стенд.

2.2. Программа испытаний, методы измерений и обработки опытных данных.

2.3. Погрешность определения основных величин.

2.4. Результаты экспериментального исследования неравномерности потока.

2.4.1. Ступени центробежного компрессора с безлопаточными диффузорами.

2.4.2. Определение частоты воздействия переменных давлений на основе гармонического анализа для ступеней с безлопаточными диффузорами.

2.4.3. Ступени центробежного компрессора с лопаточными диффузорами.

III. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА РАБОЧЕЕ КОЛЕСО.

3.1. Определение переменных давлений на диски рабочего колеса, действующих с внешней стороны.

3.2. Определение давлений на диски и лопатки рабочего колеса, действующих со стороны потока в межлопаточных каналах.

3.3. Алгоритм задания поля давлений на диски и лопатки рабочего колеса с учетом нестационарности потока для последующего расчета динамических напряжений с помощью метода конечных элементов.

IV. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ И ДИНАМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В РАБОЧИХ КОЛЕСАХ В ПРОЦЕССЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ

П РОГРАММНОГО ПАКЕТА ANSYS.

4.1. Построение конечно-элементной модели рабочих колес и ее согласование с экспериментальными данными по собственным частотам и формам колебаний.

4.2. Определение собственных частот и форм колебаний рабочих колес разных типов с учетом предварительного напряженного состояния.

4.3. Определение резонансных режимов работы рабочих колес.

4.4. Определение резонансных динамических напряжений с учетом граничных условий по возбуждающим аэродинамическим силам для трех характерных типов рабочих колес, используемых в реальных центробежных компрессорах.

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) из-за наличия значительных переменных аэродинамических нагрузок. В частности, измерения деформаций на вращающихся колесах, осевых и радиальных усилий, действующих на ротор, давлений в каналах РК показали, что на установившемся режиме работы ЦК наиболее значительное отрицательное влияние на усталостную прочность колеса оказывает неравномерность распределения параметров потока по окружной координате около дисков колеса. Эта неравномерность наиболее заметна по шагу каналов РК, диффузоров, направляющих аппаратов, а также по окружности выходных устройств. 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.

При совпадении частоты возмущающей аэродинамической силы, вызванной упомянутой неравномерностью, с одной из собственных частот колебания какого-либо элемента РК (например, диска межлопаточного отсека РК) возникает резонансный режим. Последний приводит к увеличению амплитуды колебаний элементов конструкции РК и, соответственно, к опасным динамическим напряжениям и усталостным разрушениям. С повышением давления рабочей среды динамические нагрузки возрастают.

В связи с отмеченными факторами 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.

Настоящая работа выполнена в соответствии с потребностями практики, планом научно-исследовательских работ ЗАО НТК, утвержденным научно-техническим советом 5 марта 2002г., а также в соответствии с решениями У1-ХШ международных научно-технических конференций по компрессоростроению.

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

Научная новизна. В процессе исследования получены новые научные результаты:

1. В результате экспериментальных исследований трех характерных для ЦК ступеней концевого типа с коэффициентами расхода Фо=0,03-0,07-0,09, содержащих входной аппарат, РК с цилиндрическими и пространственными лопатками, безлопаточный диффузор (БЛД) и лопаточный диффузор (ЛД) и кольцевую камеру (КК), и анализа экспериментальных данных других авторов получены обобщающие зависимости неравномерности давлений за РК и около его дисков от реактивности РК 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 расходного течения газа в зазорах около дисков РК.

3. Давления в каналах исследованных РК определены в результате 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 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 анемометриче-ским и тензометрическим методами, определены номера гармоник аэродинамических нагрузок, соответствующих максимальным амплитудам колебаний, выявлены резонансные режимы работы трех характерных РК на основе построенных частотных диаграмм.

6. Эффективность предлагаемых методов расчета переменных давлений, динамических напряжений и резонансных частот вращения подтверждена анализом усталостного разрушения реального РК.

Практическая ценность. Разработанные рекомендации расчета на ПЭВМ позволяют 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. Это позволяет сократить сроки проектирования и доводки РК, повысить качество ЦК ГТД и общепромышленных ЦК высокого давления.

В I главе представлено современное состояние вопроса по решению проблем динамической прочности РК. Рассмотрены физическая картина потока в областях, непосредственно примыкающих к РК, и нестационарность потока, определяемая окружной неравномерностью давления около дисков РК, существующие методы определения переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений, действующих на РК. На основе выполненного анализа сформулированы задачи настоящего исследования.

II глава посвящена экспериментальному исследованию неравномерности потока по окружности и радиусу около дисков РК в ступенях концевого типа, имеющих безлопаточный диффузор (БЛД), лопаточный диффузор (ЛД) и кольцевую камеру (КК).

В III главе представлена разработка рекомендаций по определению переменных аэродинамических нагрузок, действующих на РК.

В IV главе рассмотрено численное моделирование вынужденных колебаний и динамических напряжений в РК в процессе проектирования с помощью программного пакета АЫЗУБ.

В заключение сформулированы выводы и рекомендации по выполненной работе.

Настоящая работа выполнена в ЗАО НТК и на кафедрах "Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели" и технической физики КГТУ им. А.Н. Туполева. Автор работы занимал должности инженера-конструктора, инженера по наладке и испытаниям ступеней ЦК в период с 2001 г. по 2005 г. Лично разрабатывал объекты исследования, проводил экспериментальные исследования, занимался совершенствованием метода определения переменных аэродинамических нагрузок, действующих на РК, и численным моделированием вынужденных колебаний и динамических напряжений.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Экспериментально исследована неравномерность поля давлений и скоростей по окружности около дисков РК и на его периферии с помощью пневмометрических и малоинерционных 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 (0,03-0,07-0,09), в диапазоне Ми=0,5-1,1 и имеющих закрытые и полуоткрытые РК с цилиндрическими и пространственными лопатками. 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 Рл2=90°, 60°, 50°, 45°, 32° получены значения неравномерности давления по окружности на участках от наружного радиуса РК до радиуса уплотнения. Выявлено, что неравномерность давления является максимальной около покрывного диска РК при г = 0,95-1,02 и использовании БЛД. Использование ЛД (гз =1,15-1,2) заметно снижает неравномерность давления в области г = 1,0. Получена обобщенная зависимость (А/рб)г = Г(0) для г = 0,7-1,0, показывающая влияние степени реактивности О на неравномерность давления, и разработана программа на ПЭВМ расчета переменных давлений, действующих на диски РК с внешней стороны для рассмотренных типов концевых ступеней.

3. Давления непосредственно в каналах РК определены расчетом осесимметричного потока с учетом переменности стеснения 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.

4. С помощью пневмометрических и малоинерционных систем измерений давлений и скоростей в области выхода из РК и анализа спектра частот их колебаний по ширине канала определены номера гармоник 1с частот воздействия Мс-п переменных давлений, соответствующих высоким амплитудам, для исследованных типов РК на разных режимах работы.

5. Методом голографииеской интерферометрии определены собственные частоты и формы колебаний исследованных трех типов закрытых (Зла^О0 и 45°) и полуоткрытого ((3Л2=50°) РК и проведено их сравнение с результатами расчета собственных частот и форм колебаний по МКЭ с использованием пакета АЫвУв (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 рассмотренных РК.

6. В результате анализа построенных частотных диаграмм выявлены резонансные частоты вращения трех исследованных типов РК с Рл2~90°, 45° и 50° и проведено их сравнение с рабочей частотой вращения РК при использовании в реальных ЦК.

7. 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. В частности, для РК ступени №2 с БЛД при и2=224 м/с запас по динамическим напряжениям составил 1,9, что ниже нормы, равной 3.

8. Анализ причин реального усталостного разрушения лицензионного закрытого РК типа " Ь", выполненный с помощью предлагаемых методов расчета переменных давлений, динамических напряжений и резонансных частот вращения, подтвердил факт усталостного разрушения

PK типа "L", что позволяет рекомендовать использованные методы для проектирования ЦК.

1. Виноградов Б.С., Красильников В.А., Алемасова H.A., Новиков А.Л. Исследование рабочего процесса и характеристик центробежных компрессоров. - Труды КАИ. Вып. 56, 1960. с. 158.

2. Шкарбуль С.Н. Исследование пространственных течений вязкой жидкости в рабочих колесах центробежных компрессоров. Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Л: ЛПИ, 1973. 20 с.

3. Тарасов А.И. Течение воздуха в каналах колеса центробежного компрессора. Труды РКВИАВУ им. К.Е. Ворошилова, вып. 29, Рига, 1957.

4. Локшин И.Л. Исследование потока за колесом центробежных вентиляторов в относительном движении. Промышленная аэродинамика. Сборник ЦАГИ, № 12, 1959.

5. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. Центробежные компрессоры. Л., Машиностроение, 1982, 271 с.

6. Мур Дж. Образование следа и вихрей во вращающемся канале с радиальным течением. Тр. Амер. о-ва инж.-мех., 1973, №3. Теоретические основы инженерных расчетов, с. 74-91.

7. Фоулер Х.С. Распределение скоростей и устойчивость течения во вращающемся канале. Тр. Амер. о-ва инж.-мех., 1968, №3. Энергетические машины и установки, с. 17-25.

8. Селезнев К.П., Тучина И.А., Шкарбуль С.Н. Исследование пространственной структуры потока в каналах центробежного колеса с радиальными на выходе лопатками. Тр. ЛПИ/Ленингр. политехи, ин-т, 1970, №316. с. 157-162.

9. Seleznev K.P., Shkarbul S.N. The study of three-dimensional flows of wis-cons liquids in the centrifugal impellers of tourbomaschines. Proceedings of the Fifth Conference on fluid Machinery. Budapest, Academia Kiado, 1975, p. 1215-1227.

10. Ден Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах. Л., Машиностроение, 1973, 272 с.1 1. Лившиц С.П. Некоторые вопросы работы центробежного компрессорного колеса. Теплоэнергетика, № 10, 1955.

11. Ден Г.Н. Исследование аэродинамики проточной части центробежных компрессорных машин. Труды Невского машиностроительного завода им. В.И. Ленина, 1958.

12. Галеркин Ю.Б., Нуждин A.C., Селезнев К.П. Влияние формы профиля безлопаточного диффузора на эффективность работы центробежной ступени. В кн.: Исследования в области компрессорных машин. Киев: Изд-во АНУССР, 1970, с. 202-214.

13. Раер Г.А. Динамика и прочность центробежных компрессорных машин. Л., Машиностроение, 1968, 258 с.

14. Городецкий O.A. Исследование некоторых нестационарных явлений в проточной части компрессорной ступени с безлопаточным диффузором. Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук Л: ЛПИ, 1968, 14 с.

15. Измайлов P.A. Исследование нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора. Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук Л: ЛПИ, 1970.

16. Жаров В.Ф. Исследование нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора с лопаточным диффузором. Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук Л: ЛПИ, 1978, 16 с.

17. Бакан Л.С. Экспериментальное исследование нестационарных процессов в проточной части одноступенчатых центробежных нагнетателей природного газа. Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд.техн. наук Л: ЛПИ, 1977. 12 с.

18. Dean R.C., Cenoo J. Rotating wakes in vane less diffusers. J. Basic Engng., Ser. D, Trans. ASME, 1960, № 3, p. 5-18.

19. Eckardt D. Analysis of unsteady jet wake flow at centrifugal compressor discharge. Zeszyty naukowe polytechnic Lodzkiej, Lodz, 1979, № 349, p. 93-106.

20. Jansen W. Quasi unsteady flow in a radial vane less diffuser. - MIT. Report 60, October, 1960, 80 p.

21. Измайлов P.А. Разработка и применение информационно-вычислительного комплекса для исследования нестационарных течений в центробежных компрессорах. Тр. ЛПИ, № 370, 1980, с. 11-15.

22. Селезнев К.П., Измайлов Р.А. Нестационарные процессы в проточной части центробежных компрессоров. Теплотехника. № 3, 1993, с. 41-46.

23. Измайлов Р.А., Селезнев К.П. Нестационарные процессы в ЦК. -Химическое и нефтяное машиностроение, №11, 1995, с. 21-24.

24. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. М.-Л., изд-во Машиностроение, 1964, 336 с.

25. Рис В.Ф., Ден Г.Н., Шершнева А.Н. Воздействие потока на ротор центробежной ступени. Энергомашиностроение, №1 1964, с. 1-6.

26. Шершнева А.Н. О работе нагнетательных внутренних улиток и кольцевых камер. Энергомашиностроение, № 10, 1968, с. 20-23.

27. Шершнева А.Н. Влияние осевых зазоров между дисками колеса и корпусом на осевые усилия в одноступенчатом центробежном нагнетателе. Теплоэнергетика, № 9, 1965, с. 80-83.

28. Столярский М.Т. О работе центробежного нагнетателя с безлопаточным диффузором и боковой сборной камерой. Энергомашиностроение, № 3, 1964, с. 1-4.

29. Ильин A.JI. Обеспечение прочности рабочих колес при проектировании унифицированных мультипликаторных центробежных компрессоров. Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук, Казань: КХТИ, 2001, 19 с.

30. Кампсти Н. Аэродинамика компрессоров: Пер. с англ. М: Мир, 2000, 688 с.

31. Августинович В.Г., Иноземцев A.A., Шмотин Ю.Н., Сипатов A.M., Румянцев Д.Б. Нестационарные явления в турбомашинах./ под ред. В.Г. Августиновича: Уральское отделение РАН. Екатеринбург-Пермь, 1999, 280 с.

32. Sisto F. 1987а Introduction and overview. chlAGARD Manual on Aero elasticity of Axial Flow Turbomachines. AGARDograph 298.

33. Макаева P.X., Хабибуллин М.Г., Горюнов Л.В., Каримов А.Х. Исследование вибрационных характеристик деталей и узлов двигателей методом голографической интерферометрии при их диагностике. Казань, Изд-во КГТУ им. А.Н. Туполева, 1998, 54 с.

34. Евгеньев С.С., Агачев P.C., Закиев Ф.К., Ильин А.Л. Метод оценки усталостной прочности межлопаточных отсеков закрытых рабочих колес центробежных компрессоров. Компрессорная техника и пневматика, № 9, 2001, с. 5-7.

35. Хаземанн X., Раутенберг М. Исследование связанных колебаний рабочего колеса компрессора с загнутыми назад лопатками. Химическое и нефтяное машиностроение, №11, 1995, с 51-56.

36. Лунев А.Т. Разработка высокоэффективных сменных проточных частей центробежных компрессоров газоперекачивающих агрегатов. -Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук, Казань: КХТИ, 2005, 16 с.

37. Евгеньев С.С., Ильин А.Л. Метод расчета переменных аэродинамических нагрузок действующих на межлопаточный отсек закрытых рабочих колес ЦК. Вестник МАХ. Вып. 1, 2002. Спб.-Москва, с. 3-7.

38. Евгеньев С.С. Разгрузка осевых сил с целью повышения надежности турбомашин. Химическое и нефтяное машиностроение, №11,1995, с. 15-21.

39. Евгеньев С.С., Ильин A.JI. К определению аэродинамических нагрузок, действующих на межлопаточные отсеки рабочего колеса центробежного компрессора. Тезисы докл. XII Междунар. конфер. по компр. технике. ЗАО НИИтурбокомпрессор, Казань, 2001, с. 55-56.

40. Бекнев B.C., Богданов В.Н. Неравномерность параметров потока по ширине проточной части на выходе из рабочего колеса центробежного компрессора. Компрессорная техника и пневматика, № 10-11,1996, с. 15-17.

41. Поташев A.B., Поташева Е.В. Методика и программа расчета сжимаемого потока в проточной части турбомашин. Сб. науч. трудов под ред. докт. техн. наук И.Г. Хисамеева, вып. 5/ ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа", Казань, 2004, с. 18-39.

42. Стрелец В.В. Моделирование при оценке выносливости закрытых рабочих колес центробежных нагнетателей. Компрессорная техника и пневматика, вып. 1, 1992, с. 20-23.

43. Зинин В.А., Старовойтов В.А. Моделирование вынужденных колебаний при оценке выносливости закрытых рабочих колес центробежных нагнетателей. Компрессорная техника и пневматика. № 2, 2004, с. 10-12.

44. Михалов-Михеев П.Б. Справочник по металлическим материалам турбино- и моторостроения. M.-JL, Машгиз., 1961, 830 с.

45. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975.

46. Нормы прочности колес центробежных компрессорных машин. Л.: НЗЛ., 1977.

47. Гатауллин Н.А. Разработка, исследовательские испытания и доводка малоразмерных турбокомпрессоров. Дисс. в виде научн. доклада на соиск. уч. степ. канд. техн. наук Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 1998, 22 с.

48. Потапов С.Д. Численное моделирование и экспериментальное исследование напряженности вращающихся элементов турбокомпрессоров. Монография: в 2-х ч. ЧI 226 е., Ч II - 236 с, Пенза, ИИЦ ПГТУ, 2002.

49. Ржавин Ю.А. Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. М, изд. МАИ, 1995, с. 343.

50. Петросян Г.Г. Разработка и внедрение унифицированных мульти-пликаторных центробежных компрессоров. Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук КГТУ, Казань, 2000, с. 18.

51. Шершнева А.Н. Аэродинамические усилия, действующие на ротор центробежного нагнетателя. Автореферат дисс. на соиск. уч. степ, канд. техн. наук, Л.:ЛПИ, 1966, 15 с.

52. Евгеньев С.С., Футин В.А. Экспериментальное исследование неравномерности потока за рабочим колесом центробежного компрессора.// Отчет о НИР № 4035-03. ЗАО "НИИтурбокомпрессор им В.Б. Шнеппа", Казань, 2004, 91 с.

53. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1969, с. 543.

54. Проспект Омского ОКБ ГТД, 1997.

55. Галеркин Ю.Б., Рекстин Ф.С. Методы исследования центробежных компрессорных машин. JL, Машиностроение, 1969, 304 с.

56. Козлов А.П., Михеев Н.И., Молочников В.М., Сайкин А.К. Характеристики вектора поверхностного трения в турбулентных отрывных и присоединившихся течениях. Известия РАН. Энергетика, №4, 1998, с. 3-31.

57. Козлов А.П., Михеев Н.И., Молочников В.М., Сайкин А.К. Термо-анемометрические измерения поверхностного трения в отрывных течениях. Казань, АБАК, 1998, 134 с.

58. Осипович J1.A. Датчики физических величин. М., Машиностроение, 1979, 159 с.

59. Максимов В.П., Егоров И.В., Карасев A.A. Измерение, обработка и анализ быстропеременных процессов в машинах. М., Машиностроение, 1987, 206 с.

60. Мэнли Р. Анализ и обработка записей колебаний.// Перевод с Английского, М., Машиностроение, 1972, 368 с.

61. Бермант А.Ф. Краткий курс математического анализа для втузов. -М., изд-во физ-мат. литературы, 1961.

62. Чистяков Ф.М. Центробежные компрессорные машины. М., Машиностроение, 1969, 328 с.

63. Евгеньев С.С., Футин В.А. Распределение давления по окружности около дисков закрытых рабочих колес ступеней концевого типа центробежных компрессоров.// -' Компрессорная техника и пневматика, № 8, 2004, с. 28-30.

64. Норкин С.Б., Берри Р.Я., Жабин И.А., Полодков Д.П., Розенталь М.И., Сулейманова Х.Р. Элементы вычислительной математики. Под ред. Норкина С.Б., Изд. второе, перераб. и дополн. М., Высшая школа, 1963, 210 с.

65. ДанкоП.Е., Попов А.Г., Кожевникова Т.Я. Высшая математика в упражнениях и задачах.: В 2-х ч. М., Высшая школа, 1980.

66. Бендант Д., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974, 464 с.

67. Дьяконов В.П. Система MathCAD.: Справочник. М.: Радио и связь, 1993. 182 с.

68. Дьяконов В.П. Справочник по MathCAD PLUS 6.PRO. М.: Прогресс, 1997, 328 с.

69. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1991, 512 с.

70. Евгеньев С.С. Методика расчета дисковых и объемных потерь в центробежном компрессоре. Повышение эффективности, надежности и долговечности компрессоров и компрессорных установок. Материалы конференции. Л., ЛПИ, 1983, с. 53-55.

71. Этинберг И.Э. Методика расчета осесимметричного потока в гидротурбинах. Энергомашиностроение, № 11, 1973, с. 23-25.

72. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. Изд.2-е, испр. М.: Едиториал УРСС, 2004.-272 с.