Глава 14 - Динамика и прочность ГТД

и вибратора должны изготавливаться с повышенной точностью.

Неточность формы (некруглость) формы поверхности статора и вибратора также изменяет характеристики демпфера. Если, например, поверхность имеет форму овала, то характеристики демпфера будут зависеть от параметра овальности ζ:

ζ = (Rmax - Rmin)/2δ0,

ãäå Rmax è Rmin - максимальный и минимальный радиусы поверхности. При величине овальности

ζ = 0,4 величина гидродинамических сил для различных значений угла прецессии Ô и эксцентриситета ( будет значительно (примерно на порядок) различаться, поэтому существенной окажется анизотропия характеристик демпфера. Это может приводить к потере устойчивости ротора и возникновению автоколебаний. Рекомендуется минимизировать величину овальности, по крайней мере необходимо, чтобы выполнялось условие ζ<0,4.

При оценке (определении) величины зазора

âдемпфере необходимо учитывать влияние тепловых деформаций статора и вибратора в рабо-

чих условиях. Например, при радиусе вибратора

R = 100 мм и зазоре в демпфере δ0 = 0,1 мм разность температур статора и вибратора в 200С приведет изменению зазора примерно на 20%, что вызовет изменение коэффициента сопротивления на 70%. При этом во внимание должно приниматься не только тепловое расширение собственно деталей, образующих демпферный зазор, но также и сопрягаемых деталей с учетом посадок.

3.При высоких скоростях движения вибратора и относительно больших величинах зазора

âдемпфере необходимо учитывать силы инерции смазки. Влияние сил инерции характеризуется параметром

. (14.5.7.3-1)

Обычно в опорах авиационных двигателей σ = 1...40, что приводит к возрастанию давления в масляном слое в 1,5...2 раза. Учет сил инерции необходим при σ > 8.

4. При значительных силах инерции и низкой вязкости масла в масляном слое демпфера ламинарный поток жидкости может потерять устойчи- вость и течение станет турбулентным. Турбулентные явления характеризуются числом Рейнольдса

Re, которое для короткого демпфера определяется выражением:

, (14.5.7.3-2)

а для длинного

. (14.5.7.3-3)

Переход от ламинарного режима к турбулентному происходит при Re≈1000. Åñëè Re>2000, то движение становится турбулентным. При турбулентном течении увеличивается сопротивление потока, что можно интерпретировать как некоторое увеличение вязкости. Это может приводить к возрастанию демпфирования в несколько раз.

При высоких нагрузках на демпфер и малых величинах зазора давление p(z, ϕ) в некоторых уча- стках смазочного слоя может принимать отрицательные значения. Это может привести к разрыву слоя смазки и изменению характеристик демпфера. Для определения гидродинамических усилий в демпфере в этом случае интегрирование давления следует проводить не по всей окружности демпфера, а в интервале углов ϕ (ϕ1, ϕ2) в котором сохраняется целостность пленки масла. Обычно отрицательные давления возникают в интервале углов ϕ ( 0, π). Поэтому, для упрощения, пользуются моделью половинного охвата, когда считается, что пленка масла сохраняется только на половине окружности демпфера, и интегрирование выполняют в интервале ϕ ( π, 2π). Значение силы сопротивления при этом уменьшается в два раза. Для снижения вероятности разрыва масляного слоя следует увеличивать давление pÏ подачи масла в демпфер и величину зазора в демпфере δ0.

14.5.8 - Вибрация ГТД

14.5.8.1 - Источники возмущающих сил и спектр вибрации

Малый уровень вибрации является неотъемлемым условием обеспечения высокого качества авиационного двигателя. Работы, направленные на снижение вибрации, ведутся на этапах проектирования, доводки, серийного производства и эксплуатации.

1098

Глава 14 - Динамика и прочность ГТД

Основные черты вибрации двигателя, представляющей его отклик на действие возбуждающих сил, определяются особенностями динамики уп- руго-массовой системы двигателя, т.е. его конструкций, и характером возбуждающих сил [14.8.6]. Наиболее важными источниками возмущающих сил являются конструктивные узлы и процессы

âдвигателе, обладающие большой энергией - роторы, вентиляторы, автоколебательные процессы

âпроточной части.

Главный источник вибрации любого ГТД - вращающиеся роторы турбокомпрессора. Статическая

èдинамическая неуравновешенность роторов приводят к возникновению сил и моментов, вызывающих вибрацию как самой роторной системы, так

èкорпусов двигателя. Неуравновешенность роторов возникает по конструктивным, технологическим

èэксплуатационным причинам. Основная вибрация, обусловленная наличием неуравновешенности роторов, происходит обычно с частотой первой роторной гармоники.

Ряд особенностей конструктивной схемы ГТД и, в частности, присущая любой реальной системе нелинейность, приводят к появлению дополнительных вибрационных составляющих, частоты которых кратны частоте вращения ротора. Наличие в системе нескольких роторов и взаимовлияние колебаний, вызываемых каждым ротором, в ряде случаев приводит к возникновению комбинационных составляющих. Флуктуации частоты вращения и взаимодействия с другими источниками вибрации приводит к модуляции колебаний, возбуждаемых вращением ротора.

Характер изменения роторной вибрации с изменением частоты вращения ротора определяется упруго-инерционными свойствами системы роторов и корпусов двигателя. Облегчение конструкции авиационных двигателей привело к тому, что силовые корпуса по массе и жесткости стали сравнимы с роторами. Сложная колебательная система роторов и корпусов двигателя обладает относительно плотным спектром собственных частот, которые могут располагаться ниже или выше рабочей частоты, а также находиться в рабочем диапазоне ча- стот вращения ротора.

Другим источником вибрации являются аэродинамические факторы. Основной источник этой вибрации - лопаточные узлы - винт, вентилятор, компрессор, турбина. В силу не идентичности характеристик лопаток сила тяги (осевая сила) и сопротивление вращению ротора (окружная сила) для различных лопаток одной ступени оказываются различными. Результирующая этих сил, кроме осевой силы и крутящего момента содержит неурав-

новешенный аэродинамический момент и неуравновешенную аэродинамическую силу.

Вибрация авиационного двигателя может вызываться процессами, происходящими в проточной части. Возникновение акустической вибрации связано с турбулизацией потока, которая возникает при его движении вдоль стенок воздушных каналов, обтекании стоек, смешением с окружающим воздухом, горением и пр. При возбуждении системы широкополосным шумом колебания наибольшей интенсивности происходят с собственными частотами, определяемыми упруго-массовыми параметрами системы. Кроме возбуждения акустических колебаний турбулентным потоком, вибрация ГТД может возбуждаться колебательными процессами в проточной части. К таким процессам относятся: вращающийся срыв, колебания давлений и расходов газа по тракту двигателя, пульсационное или вибрационное горение, акустические колебания объемов газа. Частоты вибрации, связанной с этими источниками возмущающих сил, лежат в диапазоне 50...5000 Гц.

Зубчатые зацепления в редукторах и коробках приводов также вносят вклад в вибрацию двигателя. Причинами этой вибрации являются неуравновешенность вращающихся элементов зубчатых передач и условия взаимодействия зубьев, которые связаны с погрешностью изготовления зубчатых передач.

Помимо перечисленных в спектре вибраций могут быть обнаружены составляющие, генерируемые подшипниковыми узлами. Основные причи- ны этой вибрации связаны с погрешностями изготовления и монтажа подшипников.

В целом вибрация ГТД представляется в виде спектра главных составляющих, определяющего основные черты вибрационной характеристики двигателя, и спектра вибрационного шума, имею-

Рисунок 14.5.8.1_1 - Типовой спектр вибрации ТРДД

1099

Глава 14 - Динамика и прочность ГТД

щего второстепенное значение. Главными источ- никами возбуждения являются первые гармоники к частоте вращения роторов (см. Рис. 14.5.8.1_1).

14.5.8.2 - Изменение вибрации под действием внешних и внутренних

факторов

Одной из основных особенностей вибрационной характеристики авиационного ГТД является нестабильность амплитуды всех частотных составляющих. Изменения уровня вибрации происходят случайным образом с течением времени в процессе работы двигателя на установившемся режиме, при повторных выходах на один и тот же режим, от запуска к запуску. Такие изменения вибрации связываются с процессами, происходящими к двигателе, и с воздействием внешних факторов на колебательную систему двигателя, на характер и уровень возбуждающих сил.

Кроме изменений вибрации на отдельном экземпляре двигателя, существенный разброс уровня вибрации наблюдается на серии однотипных двигателей. Эти изменения связаны с различием упруго-инерционных и диссипативных параметров колебательной системы двигателя и величины неуравновешенности роторов, которое проявляется вследствие воздействия таких технологических факторов, как допуски на геометрические размеры деталей, неточность сборки, несовершенство технологии балансировки. Если принять во внимание высокую плотность спектра собственных частот колебательной системы двигателя, приводящую к необходимости почти всегда работать вблизи резонанса, то основным из выше названных факторов следует признать сочетание диссипативных характеристик и неуравновешенности роторов. Взаимосвязь эффективности работы демпферов в опорах роторов и эффективности возбуждения колебаний неуравновешенностью роторов

с характером изгиба роторов и корпусов по собственным формам колебаний позволяет осмыслить внешне выглядящие случайными различия вибрации двигателей.

Многообразие эксплуатационных воздействий, которые испытывает колебательная система двигателя, можно условно представить в виде двух групп факторов. К первой группе относятся факторы, характеризуемые внешними условиями: высота и скорость полета, температура и давление

âпотоке на входе в двигатель, эволюции самолета. Вторая группа факторов характеризуется процессами, происходящими в самом двигателе: нестационарность тепловых полей узлов и деталей при изменениях режима работы двигателя, окружная неравномерность полей температуры, изменение основных данных двигателя в процессе увеличе- ния его эксплуатационной наработки (старение). Характер и уровень влияния различных факторов не одинаковы и зависят от типа двигателя.

Существенное влияние на изменение уровня вибрации двигателя оказывает появляющаяся в эксплуатационных условиях дополнительная неуравновешенность роторов. Ее появление может быть вызвано как увеличением массового дисбаланса

âсвязи с разбалансировкой роторов в рабочих условиях, так и воздействием на роторы аэродинамических сил и тепловых потоков, с которыми связано появление аэродинамического и теплового дисбалансов.

Появление теплового дисбаланса в роторах авиационных двигателей возможно в различных условиях эксплуатации. В частности, это происходит при остановке двигателя, когда в элементах роторов реализуются градиенты температуры в вертикальном направлении (см. Рис. 14.5.8.2_1), что вызывает изгиб роторов вследствие тепловых деформаций. Величины возникающих тепловых дисбалансов зависят от времени охлаждения двигателя и могут изменяться в зависимости от регламента

Рисунок 14.5.8.2_1 - Возникновение теплового дисбаланса при остывании двигателя вследствие неосесимметричнности температурных полей (стрелками показаны конвективные потоки воздуха)

1100

Глава 14 - Динамика и прочность ГТД

Рисунок 14.5.8.2_2 - Высотно-скоростные и широтно-климатические условия эксплуатации двигателя а) область полета двигателя рассажирского самолета; б) диапазон высотных и широт- но-климатических изменений температуры на входе в двигатель

его прогрева при последующем запуске. Помимо времени охлаждения перед запуском и регламента прогрева двигателя определенное влияние на формирование теплового дисбаланса оказывают условия на входе в двигатель в полете. В этом случае основную роль играет термоупругая деформация статора (при высоких скоростях полета характерных для военных самолетов), приводящая к взаимному смещению опор ротора.

В связи с тем, что в современных авиационных двигателях развитие теплового дисбаланса происходит за время, сравнимое со временем разгона самолета и временем набора высоты, необходимо различать изменение вибрации, происходящее вследствие теплового дисбаланса, и изменения вибрации, обусловленные изменением параметров полета. Влияние параметров полета на величину вибрации двигателя можно пояснить следующим образом. В различных участках высотно-скорост- ной области полета самолета (см. Рис. 14.5.8.2_2а) при различных реализациях широтно-климатичес- ких условий (см. Рис. 14.5.8.2_2б) параметры воздуха на входе в двигатель могут существенно изменяться. В силу термогазодинамических свойств двигателя это вызывает изменения скольжения роторов (см. Рис. 14.5.8.2_3). Таким образом, если на двигателе реализуется режим с физической частотой вращения ротора высокого давления nôâä , òî

Рисунок 14.5.8.2_3 - Изменение скольжения роторов в различных условиях пол¸- та.

1101