Газотурбинные двигатели (ГТД)

Введение

Газотурбинные двигатели (ГТД) широко применяются в различных областях: в авиации, энергетике, судостроении, на транспорте. В связи с этим повышается значимость всех технико-экономических характеристик, определяющих качество двигателя. Особые требования предъявляются к надежности и ресурсу, как к главным факторам повышения экономической эффективности ГТД. Надежность и ресурс в значительной мере определяются уровнем вибрационной напряженности двигателей.

Стремление к улучшению показателей двигателей приводит к увеличению скоростей, повышению энергонапряженности, усложнению рабочих процессов и  конструктивных схем двигателей, к применению легких и тонкостенных конструктивных элементов. Вследствие этого усложняется характер вибрации и увеличиваются вибрационные нагрузки на детали двигателей, т.е. увеличивается интенсивность и опасность вибрации.

Борьба с вибрацией становится неотъемлемым условием обеспечения высокого качества двигателей. Она ведется на этапах проектирования, доводки, серийного производства и эксплуатации двигателей. Борьба с вибрацией требует умелого сочетания расчетных и экспериментальных методов. Сложность вибрационных явлений в ГТД предопределяет доминирующее положение эксперимента. Постановка вибрационного эксперимента и оценка его результатов представляют собой сложную исследовательскую задачу. Объем измерительной информации резко увеличивается. В настоящее время характерной чертой виброметрии является массовость исследований. Другая характерная черта – развитие функций оперативной оценки общего вибрационного состояния двигателя. Контроль уровня вибрации силовых корпусов превращается в технологическую операцию, выполняемую непрерывно при всех видах испытаний и эксплуатации двигателя. Увеличивается число контролируемых узлов двигателя, усложняются алгоритмы обработки измерительной информации.

1. Понятия о вибрации двигателя

Вибрация двигателя – это реакция на действие приложенных возмущающих сил. Обычно на двигатель одновременно воздействуют несколько различных сил. Величина и характер реакции двигателя зависят от возмущающих сил (их числа, величины, характера, места и способа приложения) и от свойств двигателя как колебательной системы.

Допустим, что двигатель можно представить в виде абсолютно жесткого тела, установленного на амортизаторах и возбуждаемого силой . Такая колебательная система имеет шесть степеней свободы и может совершать линейные и угловые (вращательные) колебания. При соответствующем выборе системы координат ее движение описывается с помощью трех линейных и трех угловых или шести линейных координат. Вибрацию такого двигателя можно было бы измерить шестью однокомпонентными датчиками, каждый из которых измеряет вибрацию по одной из координатных осей. Полагая двигатель линейной системой, эту схему измерений можно распространить на воздействие силы произвольного вида и на действие нескольких произвольных сил.

Реальный двигатель, установленный на объекте (самолете, стенде), представляет собой колебательную систему с бесконечно большим числом степеней свободы. Исчерпывающее исследование его колебаний невозможно ни аналитическим, ни экспериментальным путем. В последнем случае потребовалось бы установить двигатель на бесконечно большое число датчиков, равное числу его степеней свободы.

Практически стремятся получить приближенное решение этой задачи. Двигатель представляют в виде некоторой идеализированной колебательной системы с минимальным числом степеней свободы, но с сохранением главных колебательных свойств реального двигателя. Одни узлы двигателя представляют в виде масс, пренебрегая их упругими свойствами, в других учитывают только упругость, пренебрегая массами. Например, на рис. 1 двухопорный двигатель показан в виде силового корпуса, состоящего из двух главных масс и , жестко соединенных между собой невесомыми элементами. Несиловые элементы (агрегаты, приборы) представлены в виде масс, упруго или жестко соединенных с силовым корпусом. По этой схеме вибрация силового корпуса возбуждается жестким неуравновешенным ротором, а вибрация несиловым элементом – вибрацией корпуса в точках их крепления. Предполагается, что объект не оказывает заметного влияния на колебания двигателя, а несиловые элементы – на колебания силового корпуса (вследствие относительной малости их масс).

При этих предложениях вибрация силового корпуса характеризует общее вибрационное состояние двигателя – это степень неуравновешенности ротора и степень возбуждения вибрации несиловых элементов. Она же характеризует общую колебательную энергию двигателя, по которой оценивается степень воздействия двигателя на объект. Поскольку кинетическая энергия прямо пропорциональна массе и квадрату виброскорости, то общая колебательная энергия сосредоточена в основном в главных массах двигателя, а вибрация силового корпуса является определяющей характеристикой ее. Соответственно вибрация силового корпуса может быть названа общей вибрацией двигателя. Под общей вибрацией часто подразумевается только линейная вибрация, т.к. угловые колебания не характерны для ГТД.

Рис. 1. Простейшая схема двигателя как колебательной системы.

При исследовании вибрации используют различные схемы двигателя. Приведенная простейшая схема более или менее удовлетворительна только при низких частотах колебаний (десятки Гц), где еще можно считать корпус и ротор двигателя жесткими. При средних частотах (сотни Гц) податливостью корпуса и ротора обычно нельзя пренебрегать и необходима более сложная расчетная колебательная схема. При высоких частотах (тысячи Гц) весьма трудно составить удовлетворительную схему. С повышением частоты вибрации затрудняется также выбор штатных точек и усложняется интерпретация результатов измерений.

Вибрацию обычно классифицируют по ее природе, по физической сущности вызывающих ее явлений. Так, различают вибрацию механического, аэро- и гидродинамического, акустического происхождения и т.д. Наибольшее распространение получило классификация вибрации по конструктивным узлам двигателя, возбуждающим данный вид вибрации. Различают “роторную”, “винтовую”, “лопаточную”, “зубную”, “подшипниковую” и т.п. вибрации. Порядок гармоники вибрации определяют по отношению частоты вибрации к числу оборотов источника:

,                                                              (1)

а не к частоте низшей частотной составляющей, как это принято в гармоническом анализе. Так появляются “именованные” гармоники: 1-я гармоника ротора, 4-я гармоника винта и т.п. Термин “гармоника” означает только принадлежность данной частотной составляющей вибрации к определенному источнику и не предполагает строгой гармоничности ее. Так, амплитудно-переменная вибрация с дискретной частотой, равной учетверенной частоте вращения винта, называется 4-ой гармоникой винта.

2. 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.

Основные черты вибрации двигателя, представляющей его отклик на действие возбуждающих сил, определяются особенностями динамики упруго-массовой системы двигателя, т.е. его конструкций, и характером возбуждающих сил. Наиболее важными источниками возмущающих сил являются конструктивные узлы и процессы в двигателе, обладающие большой энергией - роторы, вентиляторы, автоколебательные процессы в проточной части.

• Главный источник вибрации любого ГТД - вращающиеся роторы турбокомпрессора. Статическая и динамическая неуравновешенность роторов приводят к возникновению сил и моментов, вызывающих вибрацию как самой роторной системы, так и корпусов двигателя. Неуравновешенность роторов возникает по конструктивным, технологическим и эксплуатационным 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 частот 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 неуравновешенный 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 обьемов 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 причины 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, имеющего второстепенное значение. Главными источниками возбуждения являются первые гармоники к частоте вращения роторов (см. Рис. 2).

Рисунок 2 - Типовой спектр вибрации трдд

3. 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 в 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 в потоке 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 увеличения его эксплуатационной наработки (старение). Характер и уровень влияния различных факторов не одинаковы и зависят от типа двигателя.