![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Теоретические сведения. По курсу Конструкция и прочность авиационных двигателейСтр 1 из 3Следующая ⇒
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА (РОСАВИАЦИЯ) ФГБОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»
Факультет ____ АИТОП __ Кафедра ____ № 24 __
Лабораторная работа По курсу Конструкция и прочность авиационных двигателей Руководитель Глазков А.С.
Исполнитель Оразбаев Р.Р.
Санкт-Петербург 2015 г. Содержание: Лабораторная работа №1…………………………..………….…………..…..…......3 1. Цель работы…………………….………………………..….……….……….…3 2. Задание………………………………….………………………….…….…........3 3. Теоретические сведения …….………………………………………..……..….3 4. Описание опытной установки и методики эксперимента…………….…...….10 5. Порядок проведения опыта……………………………………………………..12 6. Расчет ………………………………………………………………………...…..13 7. Выводы ………………………………………………………………………......15
Лабораторная работа № I Экспериментальное изучение собственных колебаний лопаток и дисков Цель работы 1. Ознакомление с экспериментальными методами определения форм и частот собственных колебаний моделей рабочей лопатки и диска. 2. Экспериментальное определение и исследование резонансных режимов колебаний лопатки и диска, сравнение замеренных параметров с расчетными значениями. 3. Качественная оценка влияния наработки деталей на резонансном режиме и эксплуатационных повреждений деталей на их долговечность. Задание 1. Рассчитать частоты собственных колебаний модели рабочей лопатки. 2. На опытной установке проследить за проявлением различных форм собственных колебаний моделей лопатки и диска, зарисовать расположение узловых линий. 3. Определить экспериментально частоты резонансных колебаний модели рабочей лопатки и диска, сравнить их с расчетными значениями частот собственных колебаний исследуемых деталей. Теоретические сведения Главным источником колебаний лопаток является газовоздушный поток, свойства которого зависят от конструкции двигателя, его характеристик и условий эксплуатации. Достаточный запас статической прочности рабочих лопаток и дисков еще не дает гарантии их надежности в работе. В эксплуатации имеют место случаи усталостного разрушения этих деталей. Основной причиной появления усталостных трещин являются опасные резонансные колебания, при которых происходит значительное увеличение механических напряжений в этих деталях. Вынужденные колебания лопаток и дисков возникают из-за воздействия на них периодически изменяющихся возмущающих сил, обусловленных неравномерностью потока воздуха или газа по окружности проточной части двигателя. В некоторых случаях реализуются узкополосные случайные колебания в полосах собственных частот. Источник этих колебаний - высокая турбулентность воздушного или газового потока. Неравномерности потока возникают при обтекании деталей, расположенных в газовоздушном тракте. Так, например, из-за наличия лопаток соплового аппарата изменяется скорость и давление по окружности на входе в рабочее колесо турбины. Рабочая лопатка, проходя через возмущенные зоны потока, подвергается переменному газодинамическому силовому воздействию. Механизм возникновения периодически изменяющейся во времени возмущавшей силы условно показан на рис. 1 Неравномерности потока могут появляться при «затенении» входного сечения двигателя в условиях обледенения, закоксовывании топливных форсунок или полного выключения из работы одной из камер сгорания и при включении отбора воздуха или клапанов перепуска. В турбовинтовом двигателе возмущение в поток вносит и воздушный винт.
Рис. 1. Механизм возникновения периодически изменяющейся возмущающей силы, действующей на рабочую лопатку турбины: 1 - положение рабочей лопатки в момент минимального силового воздействия; 2 - положение рабочей лопатки в момент максимального силового воздействия; 3 - возмущающая зона потока; 4 – направление вращения лопаточного венца турбины
Если известна частота вращения ротора и число возмущающих воздействий, то частота изменения возмущающей силы от каждого вида возмущений может быть подсчитана по формуле:
где n - частота вращения ротора в мин., z - число возмущающих воздействий. Так, если мы хотим определить частоту возмущающих воздействий на рабочую лопатку первой ступени турбины, обусловленную наличием соплового аппарата, то в указанную формулу следует подставить число, равное количеству лопаток в сопловом аппарате. Вибрация дисков происходит под действием сил, которые передаются от колеблющихся лопаток через узлы крепления на обод, а также за счет небольших колебаний давления газа на каждую из сторон диска в процессе работы двигателя. Собственные (свободные) колебания рабочей лопатки и диска имеют целый спектр форм. Форма колебаний характеризуется числом и расположением узловых линий. Узловыми линиями называются геометрические места точек, которые в процессе колебания детали не перемещаются. Амплитуда точек, лежащих на узловых линиях, равна нулю. Каждой форме колебаний строго соответствует своя частота. При этом соблюдается определенная закономерность: с увеличением числа узловых линий на колеблющейся детали частота колебаний возрастает.
Рис.2. Узловые линии, соответствующие формам колебаний эталонной пластинки, составленной из большого количества взаимно перпендикулярных прямых стержней, расположенных в срединной плоскости пластинки: mи n -количество поперечных и продольных узловых линий
В простейших случаях для незакрепленной пластинки, заделанной консолью и имитирующей рабочую лопатку в лабораторной установке, а также для диска постоянной толщины представляется возможным легко рассчитать частоты собственных колебаний и сопоставить расчетные величины с результатами замеров. Частота собственных колебаний модели рабочей лопатки определяется по формуле:
где Е/ J=bh3/12 - момент инерции площади сечения модели рабочей лопатки, ( b - ширина пластины, Н - толщина пластины, l - длина модели рабочей лопатки, F - площадь сечения модели рабочей лопатки); α m, s - коэффициент зависимости от числа поперечных mи продольных s узловых линий на поверхности лопатки; α m, s= f (m, s). Значение этого коэффициента для модели рабочей лопатки может быть получено из таблицы (табл. 1). Таблица 1
Частоты собственных колебаний модели диска определяются по формуле:
Е/ρ - частное от деления модуля упругости на плотность материала модели диска; h - толщина модели диска; R - наружный радиус модели диска;
узловых линий.
Коэффициент Таблица 2
Приведенные зависимости позволяют определить частоту собственных колебаний как модели рабочей лопатки, так и диска только в наиболее простом случае, когда поперечная площадь сечения деталей сохраняется постоянной и на них не действуют центробежные силы.
Рис. 3.Формы собственных колебаний плоских дисков: а) зонтичные формы (кольцевые узловые линии); б) узловые линии, расположенные по диаметрам; в) формы с узловыми линиями, расположенными по диаметру и кольцу
При совпадении или кратности частоты собственных колебаний с частотой возмущающей силы возникает явление, которое проявляется при резком увеличении амплитуды колебаний отдельных частей исследуемой детали и появлении на поверхности детали характерных узловых линий, которые могут быть обнаружены различными инструментальными методами. Опытное изучение спектра собственных частот состоит в определении форм колебаний на каждой собственной частоте. В практике используются такие методы определения форм колебаний деталей АГТД: - песочные фигуры; - метод демпфирования; - голографическая интерферометрия. Формы колебаний методом песочных фигур получаются, если колебаниям на собственной частоте подвергнуть установленную горизонтально лопатку с насыпанным на нее тонким слоем сухого мелкого песка или талька. Этот метод применим только для сравнительно больших лопаток (на мелких узловые линии, обозначенные песком, не видны) и обязательно с малой закруткой. В противном случае песок не удержится на поверхности лопаток до эксперимента. Вибронапряжения неравномерно распределены по длине лопатки или площади диска. Максимальные напряжения в рассматриваемых деталях постоянного сечения возникают в тех сечениях, которые имеют максимальную амплитуду колебаний. При колебаниях по первой изгибной форме наибольшее напряжение наблюдается в заделках. Появление трещин наиболее вероятно в сечениях с наибольшими значениями переменных напряжений. Напряжения концентрируются в районе механических и эрозионных повреждений на поверхности рабочей лопатки или диска. Резонансные режимы являются наиболее опасными, так как сопровождаются наибольшим ростом амплитуды колебаний и действующих напряжений. Возросшие при резонансе напряжения могут превзойти предел выносливости материала. В этом случае в материале детали начнут накапливаться усталостные повреждения. Если микротрещина образуется на поверхности рабочей лопатки или диска, то она начинает играть роль концентратора напряжений. В районе микротрещины напряжения многократно возрастают процесс доламывания детали протекает быстро и зависит от частоты приложения напряжений. Наиболее опасны механические повреждения рабочей лопатки в местах с максимальными переменными напряжениями. Все эти обстоятельства принимаются в расчет при создании документов, регламентирующих допуск двигателей с поврежденными рабочими лопатками к эксплуатации. Практика показывает, что избежать резонансных режимов работы рабочих лопаток в процессе эксплуатации невозможно. Так, например, один из отечественных двухконтурных двигателей второго поколения имеет в рабочем диапазоне частот вращения роторов около 20режимов, на которых наблюдаются резонансы рабочих лопаток компрессора, турбины и направляющих аппаратов. В связи с этим задача заключается в том, чтобы из рабочего диапазона частот вращения роторов были исключены резонансные режимы по первым трем-четырем формам колебаний, то есть режимы, при которых наблюдается наибольший рост переменных напряжений.
|