Автоколебания лопаток l l l Автоколебания - специфический вид вынужденных колебаний лопаток. Характерная особенность автоколебаний - они происходят при отсутствии каких либо пульсаций набегающего на лопатки потока, связанными с внешними источниками возбуждения колебаний. Обычно автоколебаниям подвержены лопатки компрессоров. Автоколебания очень опасны из-за резкого возрастания амплитуды вибронапряжений, поэтому при проектировании лопаток их предотвращению уделяется особое внимание. Автоколебания представляют собой самовозбуждающиеся незатухающие колебания, поддерживающиеся за счет периодического подвода энергии из набегающего потока, который при этом может быть вполне равномерным.
Автоколебания лопаток l l l С энергетической точки зрения сущность автоколебаний состоит в следующем: При колебаниях лопатки в равномерном набегающем потоке и вследствие этих колебаний возникает и действует на лопатку дополнительная переменная газодинамическая сила. При обычных затухающих колебаниях она оказывает сопротивление колебаниям лопатки, и именно она обеспечивает их затухание. При автоколебаниях пополнение энергии колебаний лопатки происходит за счет работы, совершаемой этой переменной газодинамической силой. То есть эта сила, возникающая в результате колебаний, и раскачивает лопатку. Ее не следует путать с переменной газодинамической силой, действующей на лопатку в неравномерном потоке.
Автоколебания лопаток l l Рассмотрим механизм возникновения автоколебаний по первой изгибной форме. Для простоты будем считать, что колеблется отдельный профиль, совершающий плоскопараллельное движение в направлении, перпендикулярном хорде. В недеформированном состоянии на лопатку, движущуюся со скоростью u, набегает равномерный поток с абсолютной скоростью c и относительной скоростью w, с углом атаки i, создающий силу P, действующую в окружном направлении в сторону спинки.
Автоколебания лопаток l Пусть профиль лопатки в процессе колебаний движется в направлении спинки со скоростью V (см. Рис. а). При этом окружная скорость лопатки уменьшается на величину ∆u = -V, а угол атаки - на величину ∆i.
Автоколебания лопаток l При докритических углах атаки (i < i кр ) это приводит к уменьшению силы P, стремящейся изогнуть лопатку, то есть появляется дополнительная сила, обусловленная деформацией лопатки, направленная в сторону корыта и стремящаяся вернуть лопатку в положение равновесия (см. Рис. в).
Автоколебания лопаток l При этом амплитуда колебаний снизится. В полуцикле движения лопатки в сторону корыта (см. Рис. б) окружная скорость лопатки увеличивается на величину ∆u = V, что приводит к увеличению силы P, то есть появлению дополнительной силы, направленной в сторону спинки и стремящейся вернуть лопатку в положение равновесия.
Автоколебания лопаток l Таким образом, при работе лопатки на докритических углах атаки дополнительная газодинамическая сила, возникающая вследствие изгибных колебаний лопатки, стремится эти колебания заглушить.
Автоколебания лопаток l На закритических углах атаки (i > i кр ) при движении лопатки в сторону спинки и уменьшении угла атаки сила P увеличивается (см. Рис. в) и стремится еще больше увеличить прогиб лопатки. То же происходит в полуцикле движения лопатки в сторону корыта: дополнительная аэродинамическая сила направлена в сторону корыта и увеличивает амплитуду колебаний. При работе на закритических углах атаки даже незначительное отклонение лопатки от положения равновесия вызывает появление сил, увеличивающих амплитуду колебаний.
Автоколебания лопаток l l l Такие колебания - вынужденные, вынуждающая сила возникает вследствие самих колебания. Вынуждающая сила совершает работу, пополняющую и увеличивающую энергию колебаний, колебания являются самоподдерживающимися (автоколебания). Их частота совпадает с собственной частотой колебаний лопатки по соответствующей форме. Возникнув, колебания будут быстро нарастать и могут привести к поломке лопатки.
Автоколебания лопаток l Рассмотрим работу, которую совершает аэродинамическая сила при изгибных колебаниях лопатки. На докритических углах атаки производная d. P/di положительна и работа оказывается отрицательной и уменьшает механическую энергию колебаний лопатки, а при закритических углах атаки - положительной, то есть увеличивает энергию колебаний. Автоколебания, возникающие по описанному механизму, называют срывным флаттером. Он может возникнуть при малых расходах воздуха через ступень компрессора, когда осевая составляющая скорости мала, а угол атаки i велик и может превысить критический. Для исключения срывных автоколебаний необходимо исключить закритическое обтекание лопаток на всех режимах работы двигателя. Это обеспечивается противопомпажными средствами механизации компрессора.
Автоколебания лопаток l l Другие виды автоколебаний более сложны для изучения. Изгибно-крутильный флаттер может возникнуть в случае сильно закрученных лопаток при сближении собственных частот колебаний по изгибной и крутильной формам. Для его исключения форму и размеры профильной части выбирают так, чтобы эти собственные частоты на рабочих режимах различались не менее, чем на 15%. Решетчатый флаттер возникает вследствие взаимодействия колеблющихся лопаток в рабочем колесе. Этот вид автоколебаний наиболее опасен, так как может возникнуть при докритических углах атаки. Для того, чтобы исключить решетчатый флаттер, подбирают соседние лопатки в рабочем колесе так, чтобы их собственные частоты отличались друг от друга. Такой способ называется динамической расстройкой.
Автоколебания лопаток l Экспериментальная проверка возможности автоколебательных режимов проводится в ходе измерения вибронапряжений в лопатках. Автоколебания проявляются в виде резкого возрастания колебаний лопатки. В случае обнаружения автоколебаний приходится проводить большой объем работ по изменению конструкции лопаток. Поэтому особое значение придается расчетному анализу автоколебаний на стадии проектирования.
Скачать презентацию Автоколебания лопаток l l l Автоколебания — специфический
5 Автоколебания лопаток.ppt