Снижение вибрации в устройстве, содержащем ротор и неподвижные источники возмущений - RU2304220C2

Чертежи

Показать все 18 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится в общем плане к снижению вибрации в устройстве, содержащем ротор и неподвижные источники возмущений. Под выражением «снижение вибрации» имеется в виду уменьшение амплитуды вибрации.

Ротор и неподвижные источники возмущения расположены в потоке текучей среды. Неподвижные источники возмущения представляют собой, например, лопатки статора. Согласно частному случаю использования изобретения указанное устройство является турбомашиной.

Неподвижные источники возмущения создают в потоке текучей среды колебания давления, которые могут распространяться по устройству как в направлении потока, так и в обратном направлении, приводя к вибрации ротора.

На фиг.1 показано известное устройство 1, содержащее ротор 2 и статор 3, которые находятся в потоке 4 текучей среды. Ротор 2 и статор 3 содержат соответственно лопатки 20 и 30, расположенные радиально равномерным образом, то есть с постоянным углом между смежными лопатками. Как это хорошо известно, лопатки 20 и 30 служат для модификации давления текучей среды, т.е. для его повышения или снижения. Для ротора 2, вращающегося в направлении, указанном стрелкой 21, спутные течения, образуемые лопатками 30 статора в потоке 4 текучей среды, являются вращающимися возмущениями.

Более конкретно, если обозначить через N количество лопаток 30 статора и через V - частоту вращения ротора, выраженную в герцах, ротор воспринимает возбуждение с основной частотой (частотой первой гармоники) NV, с частотой 2NV второй гармоники, с частотой 3NV третьей гармоники и так далее.

Фиг.2 изображает частотный спектр возбуждения, воспринимаемого ротором 2 и обусловленного наличием статора 3. Этот спектр содержит три спектральные линии 5, соответствующие основной частоте и двум следующим гармоникам. В примере по фиг.2 не учитывается возбуждение, соответствующее гармоникам выше частоты 3NV.

Реакция ротора 2 на возбуждение является функцией собственных частот ротора, которые зависят от геометрии, материала и частоты вращения ротора. Если при данной частоте вращения ни одна из собственных частот ротора не совпадает ни с одной из линий 5 на фиг.2, то ротор, работающий на этой частоте вращения, мало подвержен возмущениям от спутных течений, создаваемых лопатками 30 в потоке 4. Если же, в противоположность этому, на этой же частоте вращения одна из собственных частот ротора 2 совпадает с одной или другой линией 5, ротор испытывает резонанс, который вызывает его вибрацию. Как известно, следует насколько возможно избегать вибрации ротора 2, так как она может вызывать нежелательные последствия и может привести к его поломке вследствие вибрационной усталости.

Как правило, и в особенности в турбомашинах ротор 2 должен быть пригоден для использования во всем диапазоне частот вращения, чтобы обеспечить возможность использования нескольких рабочих режимов. Фиг.3 изображает диаграмму Кэмпбелла, которая представляет прямыми Di зависимость собственных частот f_i ротора от частоты V вращения ротора, а прямыми D1', D2' и D3' - зависимость частот NV, 2NV и 3NV возбуждения от данной частоты V вращения ротора. Для наглядности на фиг.3 представлены только три собственные частоты f₁, f₂и f₃ и три соответствующие прямые D1, D2 и D3.

В диапазоне частот вращения ротора могут создаваться две ситуации:

- если ротор вращается с частотой, соответствующей интервалу ΔV1 частот вращения, на котором никакого совпадения между собственными частотами f_i ротора и частотами NV, 2NV и 3NV возбуждения не происходит, ротор 2 при работе мало подвержен возмущениям, вносимым в поток текучей среды статором 3;

- если, в противоположность этому, частота вращения ротора 2 лежит в интервале ΔV2 частот вращения, на котором имеются одна или несколько точек совпадения между собственными частотами f_i ротора и частотами NV, 2NV и 3NV возбуждения (эти точки совпадения соответствуют точкам Р1 пересечения прямых Di с прямыми D1', D2' и D3', из которых на фиг.3 представлена только одна точка эффект резонанса создается в роторе 2 в каждой из этих точек совпадения.

Для решения проблемы вибрации ротора 2, источником которой являются лопатки 30 статора 3, когда при данной частоте V вращения собственная частота ротора 2 совпадает с частотой NV, 2NV или 3NV возбуждения, известен способ модификации геометрии ротора 2, согласно которому для изменения собственных частот ротора манипулируют его массой и жесткостью.

С помощью этого способа удается эффективным образом устранить мешающее совпадение или совпадения. Однако часто случается, что при таком смещении собственных частот ротора в диапазоне частот вращения появляются другие совпадения. Иногда бывает даже почти невозможно устранить все совпадения между собственными частотами ротора и частотами возбуждения в пределах этого диапазона частот вращения. С другой стороны, геометрическое модифицирование ротора часто приводит к ухудшению его аэродинамических характеристик.

В том случае, когда описанный выше способ оказывается непригоден, альтернативное решение заключается в демпфировании вибрации ротора либо с использованием трения или тангенциальных напряжений, либо путем аэроупругого демпфирования. В любом случае демпфирование с использованием трения или тангенциальных напряжений довольно сложно в осуществлении, в особенности при моноблочной конструкции ротора. Что касается аэроупругого демпфирования, оно требует использования несимметричного ротора, например ротора типа описанного в европейском патентном документе ЕР А-0921274. Однако трудность здесь заключается в обеспечении устойчивости вращения таких несимметричных роторов.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа снижения вибрации в устройстве, содержащем ротор и неподвижные источники возмущения, и в упрощении благодаря этому проектирования и изготовления такого устройства.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет способа снижения вибрации в устройстве, содержащем, по меньшей мере, один ротор и, по меньшей мере, один статор, предназначенные для воздействия на них потока текучей среды, причем устройство содержит комплект неподвижных источников возмущения, способных вызывать возмущения в потоке текучей среды, приводящие к вибрации ротора, при этом в процессе проектирования устройства задают неравномерное угловое распределение неподвижных источников возмущения таким образом, чтобы снизить амплитуду воспринимаемого ротором возбуждения, по меньшей мере, для одной частоты возбуждения, по существу совпадающей при частоте V вращения ротора с собственной частотой ротора, по сравнению с предварительно определенным равномерным угловым распределением неподвижных источников возмущения, причем способ дополнительно предусматривает этап, заключающийся в верификации того, что максимальная амплитуда реакции ротора на возбуждение в том случае, когда неподвижные источники возмущения распределены в соответствии с заданным угловым распределением, меньше той, что имеет место в том случае, когда неподвижные источники возмущения распределены в соответствии с предварительно определенным угловым распределением, при этом верификацию проводят по всему интервалу частот вращения, предусмотренных для ротора, включая частоту V вращения, а реакцию ротора на возбуждение в том случае, когда неподвижные источники возмущения распределены в соответствии с заданным угловым распределением, получают путем выполнения следующих этапов: определяют первый угловой сигнал, который представляет изменение во времени воспринимаемого ротором возбуждения и для которого преобразование Фурье соответствует частотному спектру возбуждения для случая, когда неподвижные источники возмущения распределены в соответствии с предварительно определенным угловым распределением, модифицируют первый сигнал во второй сигнал, адаптированный к заданному распределению неподвижных источников возмущения, определяют частотный спектр возбуждения, вычисляя преобразование Фурье второго сигнала и основываясь на частотном спектре возбуждения, вычисляют реакцию ротора на возбуждение.

Таким образом, в соответствии с изобретением снижение вибрации ротора получают не путем модификации конструкции или геометрии ротора, как в решениях, известных из уровня техники, а путем модификации углового распределения неподвижных источников возмущения таким образом, чтобы в результате модифицировать частотный спектр воспринимаемого ротором возбуждения, вызываемого неподвижными источниками возмущения. Согласно изобретению нет никакой необходимости делать ротор несимметричным. За счет этого облегчается проектирование и изготовление устройства в том отношении, что не возникает трудностей, связанных с вращением несимметричного ротора. В отличие от ротора, комплект источников возмущения является статичным и легко может быть выполнен несимметричным без создания особых проблем при проектировании или изготовлении.

Факт использования неравномерного углового распределения неподвижных источников возмущения имеет следствием обогащение частотного спектра воспринимаемого ротором возбуждения дополнительными линиями по сравнению с обычной конфигурацией устройства по фиг.1 с равномерным угловым распределением источников возмущения. При этом общая энергия возбуждения, вызываемая комплектом источников возмущения по изобретению, остается той же, что при равномерном угловом распределении тех же источников возмущения. За счет этого снижается интенсивность линий, соответствующих частотам NV, 2NV, 3NV и так далее, и в частности, интенсивность мешающей линии, совпадающей с собственной частотой ротора. Это ослабляет вибрацию ротора.

Согласно примеру осуществления изобретения неподвижные источники возмущения являются идентичными (в пределах допусков на изготовление), а, по меньшей мере, одна собственная частота ротора при частоте V вращения по существу равна или кратна NV, где N - количество неподвижных источников возмущения в указанном комплекте. Под термином «идентичные» имеются в виду неподвижные источники возмущения, которые вызывают одинаковое возмущение в потоке текучей среды.

В типовом случае указанный первый сигнал содержит идентичные равномерно разнесенные пики, причем каждый пик представляет возмущение, создаваемое одним неподвижным источником возмущения, а расстояние между двумя данными последовательными пиками представляет угол между двумя последовательными источниками возмущения в случае, когда источники возмущения распределены в соответствии с указанным равномерным угловым распределением, при этом этап модификации заключается в адаптации расстояния между пиками к углам указанного заданного углового распределения.

На практике комплект неподвижных источников возмущения может быть расположен перед ротором или за ним по направлению потока текучей среды, но предпочтительно он расположен спереди, так как в этой ситуации возмущения, вызываемые комплектом источников возмущения, распространяются лучше и в наибольшей степени способны воздействовать на ротор.

Предпочтительно неподвижные источники возмущения занимают по существу одинаковое радиальное положение по отношению к точке, которая в потоке текучей среды соответствует центру вращения ротора.

Согласно конкретному примеру выполнения изобретения неподвижные источники возмущения являются лопатками статора.

Согласно другому примеру неподвижные источники относятся к одному из следующих типов источников: форсунки камеры сгорания, элементы отбора охлаждающего воздуха, разгрузочные клапаны, элементы повторного ввода охлаждающего воздуха, датчики и щупы.

В типовом случае указанное устройство может представлять собой турбомашину.

Настоящее изобретение относится также к способу проектирования устройства, содержащего, по меньшей мере, один ротор и, по меньшей мере, один статор, предназначенные для воздействия на них потока текучей среды. При этом устройство содержит комплект неподвижных источников возмущения, способных вызывать возмущения в потоке текучей среды, приводящие к вибрации ротора. Данный способ характеризуется тем, что он предусматривает следующие этапы: определяют общую компоновку устройства и осуществляют применительно к этому устройству описанный способ снижения вибрации.

Настоящее изобретение относится также к способу проектирования и изготовления устройства, содержащего, по меньшей мере, один ротор и, по меньшей мере, один статор, предназначенные для воздействия на них потока текучей среды, а устройство содержит комплект неподвижных источников возмущения, способных вызывать возмущения в потоке текучей среды, приводящие к вибрации ротора. Данный способ характеризуется тем, что предусматривает следующие этапы:

определяют общую компоновку устройства, осуществляют применительно к этому устройству описанный выше способ снижения вибрации и изготавливают указанное устройство.

В известном решении с равномерным распределением идентичных лопаток статора линии частотного спектра возбуждения, воспринимаемого ротором, когда он вращается при данной частоте вращения, могут быть весьма интенсивными. Следовательно, когда собственная частота ротора при этой частоте вращения совпадает с одной из указанных линий, ротор подвергается значительному резонансу, который может быть пагубным.

Соответственно, изобретением предусмотрено также создание устройства, содержащее, по меньшей мере, один ротор, по меньшей мере, один статор и, по меньшей мере, один комплект, состоящий из N неподвижных источников возмущения, причем ротор и комплект неподвижных источников возмущения предназначены для протекания через них по существу перпендикулярно им потока текучей среды, в котором комплект неподвижных источников возмущения способен вызывать возмущения, воспринимаемые далее ротором, комплект источников возмущения образует в плоскости, по существу перпендикулярной направлению потока текучей среды, совокупность N смежных углов, сумма которых равна 360°, причем каждый угол определяется смежными лучами, которые исходят из одной точки, соответствующей в потоке текучей среды центру вращения ротора, и проходят соответственно через геометрические центры двух источников возмущения, при этом совокупность смежных углов образована одной группой смежных увеличенных углов, первым номинальным углом или первой группой смежных номинальных углов, примыкающим или примыкающей к указанной группе смежных увеличенных углов, одной группой смежных уменьшенных углов, примыкающей к указанному первому номинальному углу или к первой группе смежных номинальных углов, и вторым номинальным углом или второй группой смежных номинальных углов, примыкающим или примыкающей к указанной одной группе смежных уменьшенных углов, с устранением резкого углового перепада между увеличенными углами и уменьшенными углами и с уменьшением потерь аэродинамической эффективности вследствие неравномерного углового распределения источников возмущения.

В контексте изобретения выражения «увеличенный угол» и «уменьшенный угол» относятся к углам, которые соответственно больше или меньше заданного номинального значения с учетом допусков на изготовление. Другими словами, два угла рассматриваются как равные, если они имеют одинаковую величину в пределах допусков на изготовление. В общем случае допуски на изготовление не превышают 0,05%.

В устройстве по изобретению в соответствии с данным выше определением источники возмущения распределены (расставлены) неравномерным образом, так что частотный спектр возбуждения, воспринимаемого ротором, содержит, как это было объяснено выше при описании способа по изобретению, дополнительные линии по сравнению с частотным спектром известного устройства по фиг.1, в котором источники возмущения расставлены (распределены) равномерно. В частности, составляющая возбуждения, соответствующая каждому увеличенному углу, имеет основную частоту ниже частоты NV (то есть основной частоты в классическом случае), в то время как составляющая возбуждения, соответствующая каждому уменьшенному углу, имеет основную частоту выше частоты NV.

Поскольку энергия возмущения, производимая комплектом источников возмущения по изобретению, равна энергии, производимой теми же источниками возмущения при их равномерном распределении, интенсивность линий, соответствующих частотам возбуждения NV, 2NV, 3NV и так далее, снижается. Снижается соответственно и амплитуда резонанса ротора, когда одна или несколько собственных частот ротора совпадает с одной или несколькими частотами возбуждения.

Кроме того, снижается интенсивность наиболее интенсивной линии спектра возбуждения, что обеспечивает снижение риска очень сильного резонанса ротора.

Эффект снижения интенсивности мешающих линий спектра возбуждения, соответствующих частотам NV, 2NV, 3NV и так далее, усиливается благодаря тому факту, что в совокупности смежных углов увеличенные углы (соответственно уменьшенные углы) сосредоточены в группы. Действительно, когда ротор поворачивается на угол, соответствующий группе увеличенных (или уменьшенных) углов, получаемое им возбуждение содержит не только частоту, соответствующую каждому увеличенному (или уменьшенному) углу, но также частоты, кратные этой частоте.

За счет этого обеспечивается возможность снизить интенсивность мешающих линий спектра без необходимости излишней модификации геометрии комплекта источников возмущения. Сохранение геометрии комплекта источников возмущения, по возможности максимально приближенной к равномерной геометрии, в которой угловое распределение источников возмущения является равномерным, позволяет избежать слишком большого влияния на аэродинамическую эффективность устройства.

Предпочтительно совокупность смежных углов содержит номинальный угол, включенный между группами смежных увеличенных углов и смежных уменьшенных углов, и группу смежных номинальных углов, которая расположена напротив номинального угла между группами смежных увеличенных углов и смежных уменьшенных углов.

Согласно предпочтительному примеру выполнения устройства по изобретению устройство, содержащее, по меньшей мере, один ротор, по меньшей мере, один статор и, по меньшей мере, один комплект, состоящий из N неподвижных источников возмущения, причем ротор и комплект неподвижных источников возмущения предназначены для протекания через них по существу перпендикулярно им потока текучей среды, в котором комплект неподвижных источников возмущения способен вызывать возмущения, воспринимаемые далее ротором, комплект источников возмущения образует в плоскости, по существу перпендикулярной направлению потока текучей среды, совокупность N смежных углов, сумма которых равна 360°, причем каждый угол определяется смежными лучами, которые исходят из одной точки, соответствующей в потоке текучей среды центру вращения ротора, и проходят соответственно через геометрические центры двух источников возмущения, при этом совокупность смежных углов содержит несколько номинальных углов или несколько групп смежных номинальных углов, каждый из которых равен 360°/N, несколько групп увеличенных смежных углов, каждый из которых больше 360°/N, и несколько групп уменьшенных смежных углов, каждый из которых меньше 360°/N, причем каждый номинальный угол или группа смежных номинальных углов примыкает одновременно к группе смежных увеличенных углов и к группе смежных уменьшенных углов с устранением резкого углового перепада между увеличенными углами и уменьшенными углами и с уменьшением потерь аэродинамической эффективности вследствие неравномерного углового распределения источников возмущения.

Согласно альтернативному варианту предпочтительного примера выполнения все увеличенные углы совокупности смежных углов являются увеличенными на одну и ту же предварительно определенную величину, а все уменьшенные углы совокупности смежных углов являются уменьшенными на ту же самую предварительно определенную величину.

Группировка увеличенных/уменьшенных углов в единственные группы, как это сделано в предпочтительном примере выполнения изобретения, позволяет увеличить интенсивность дополнительных линий спектра возбуждения, воспринимаемого ротором, и за счет этого дополнительно уменьшить интенсивность линий, соответствующих частотам NV, 2NV, 3NV и так далее. Этот предпочтительный пример выполнения является особенно выгодным, когда собственная частота ротора совпадает с одной из указанных частот NV, 2NV, 3NV и так далее, так как при этом значительным образом снижается интенсивность мешающей линии при незначительном влиянии на аэродинамическую эффективность устройства (удовлетворительный результат достигается даже в том случае, когда величины увеличенных/уменьшенных углов мало отличаются от величины 360°/N).

Согласно другим примерам осуществления изобретения, по меньшей мере, два увеличенных угла и/или, по меньшей мере, два уменьшенных угла совокупности смежных углов отличны друг от друга.

В типовом примере выполнения совокупность смежных углов может содержать столько же увеличенных углов, сколько в ней содержится уменьшенных углов.

Предпочтительно, для того, чтобы не вызывать слишком высоких потерь аэродинамической эффективности, каждый увеличенный угол и каждый уменьшенный угол совокупности смежных углов отличен от величины 360°/N максимум на 10%, еще предпочтительнее максимум на 5%.

Согласно примеру осуществления изобретения неподвижные источники возмущения занимают по существу одинаковое радиальное положение по отношению к указанной точке, соответствующей центру вращения ротора.

На практике комплект источников возмущения расположен в потоке текучей среды перед ротором или за ротором.

В типовом случае указанное устройство может представлять собой турбомашину.

Согласно конкретному примеру выполнения изобретения неподвижные источники возмущения являются лопатками статора.

Согласно другому примеру неподвижные источники возмущения относятся к одному из следующих типов источников: форсунки камеры сгорания, элементы отбора охлаждающего воздуха, разгрузочные клапаны, элементы повторного ввода охлаждающего воздуха, датчики и щупы.

При этом угловое распределение неподвижных источников возмущения выбирают таким образом, чтобы получить устройство, описанное выше.

Примеры осуществления настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1, которая уже была описана, схематично изображает в перспективе часть турбомашины, содержащую ротор и статор,

фиг.2, которая уже была описана, изображает частотный спектр возбуждения, воспринимаемого ротором по фиг.1,

фиг.3, которая уже была описана, схематично изображает диаграмму Кэмпбелла для части турбомашины, показанной на фиг.1,

фиг.4 представляет собой блок-схему алгоритма способа проектирования и изготовления турбомашины в соответствии с изобретением,

фиг.5 схематично изображает в перспективе часть турбомашины, содержащей несколько ступеней, содержащих статор и ротор,

фиг.6 схематично изображает на виде спереди статор части турбомашины по фиг.5,

фиг.7 изображает диаграмму Кэмпбелла для ступени статор/ротор части турбомашины, показанной на фиг.5,

фиг.8-14 изображают различные примеры углового распределения источников возмущения, присутствующих в части турбомашины по фиг.5,

фиг.15 изображает частотный спектр возбуждения для ротора части турбомашины по фиг.5 для примера углового распределения по фиг.10,

фиг.16 представляет собой блок-схему алгоритма способа верификации в соответствии с изобретением,

на фиг.17 представлен временной сигнал, используемый в способе по фиг.16,

на фиг.18 представлен модифицированный временной сигнал, полученный из временного сигнала по фиг.17, и

фиг.19 изображает комплект неподвижных источников возмущения в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Способ проектирования и изготовления турбомашины в соответствии с настоящим изобретением будет подробно описан со ссылкой на фиг.4.

На первом этапе Е1 определяют общую компоновку турбомашины хорошо известным путем, т.е. посредством моделирования на основе исходных определяющих параметров, в том числе желаемой мощности и энергоемкости. Первый этап Е1 заключается, в частности, в определении числа ступеней, содержащих статор и ротор, числа лопаток на каждую ступень и профиля лопаток, позволяющего получить аэродинамические характеристики в соответствии с исходными параметрами.

На выходе этого первого этапа получают в виде цифровых данных устройство типа того, которое показано на фиг.5 и содержит J ступеней 100₁-10_J, содержащих каждая статор и ротор (в дальнейшем - ступень статор/ротор). Каждая ступень 10_j (где j - целое число от 1 до J) содержит статор 100_j в виде неподвижного лопаточного колеса и ротор 101_j по типу подвижного лопаточного колеса. Лопатки каждого статора 100_j обозначены на фиг.5 позицией 102_j, а лопатки каждого ротора 101_j - позицией 103_j.

Различные ступени статор/ротор рассчитаны на протекание через них в процессе функционирования потока 11 текучей среды и расположены перпендикулярно потоку. В каждой ступени 10_j статор 100_j , расположенный по направлению потока перед соответствующим ротором 101_j, создает возмущения давления в потоке 11, воспринимаемые далее ротором 101_j. Реакция ротора на эти возмущения зависит от частоты возбуждения, воспринимаемого ротором, и частот его собственных колебаний (собственных частот ротора).

Лопатки 102_j статора данной ступени образуют комплект из N источников возмущения, неподвижных и идентичных друг другу (число N может быть различным в различных ступенях). На фиг.5 и 6 каждый статор (и ротор) представлен одинаковым количеством лопаток, равным 16-и. На практике число N обычно составляет от 16 до 200.

Как показано на фиг.6, N неподвижных источников 102_j возмущения образуют в плоскости PL_j, перпендикулярной направлению потока 11 текучей среды, совокупность N смежных углов распределения, от α₁ до α_N, сумма которых равна 360°. Каждый угол α_i, где i - целое число от 1 до N, определяется лучами А_i, A_i+1, которые исходят из одной точки O_j, расположенной по существу напротив точки O_j' вращения соответствующего ротора 101_j, и проходят соответственно через геометрические центры (не показаны) двух последовательных лопаток 102_j. В примере выполнения по фиг.6 лучи от A₁ до A_N являются центральными осями лопаток 102_j.

Согласно схеме по фиг.4 после этапа Е1 для каждой ступени 10_j статор/ротор выполняют этапы от Е2 до Е7.

На этапе Е2 вычисляют собственные частоты ротора, обозначенные, как f_i, и затем наносят их на диаграмму Кэмпбелла в виде прямых Di, которые представляют зависимость этих собственных частот от частоты V вращения ротора, выраженной в герцах (см. фиг.7). На этой диаграмме Кэмпбелла нанесены также прямые от D1' до DP', где Р - заданное целое число, выходящие из нулевой точки диаграммы и имеющие углы наклона, соответствующие N, 2N, 3N,..., PN. Прямые от D1' до DP' представляют зависимость частот возбуждения, воспринимаемого ротором 101_j, когда лопатки 102_j статора 100_j распределены равномерно (то есть углы от α₁ до α_N равны между собой, как показано на фиг.6), от частоты V. Выбор предварительно задаваемого числа Р зависит от желательной степени снижения вибрации ротора. На практике, в особенности для турбомашин, было замечено, что резонанс, связанный с возбуждением порядка выше 3-го, имеет достаточно слабую интенсивность, так что им можно пренебречь. Таким образом, чаще всего можно ограничиться тремя первыми гармониками частот возбуждения (Р=3). Что касается собственных частот ротора, можно ограничиться только теми собственными частотами, для которых возможно совпадение, по меньшей мере, с одной из частот N, 2N, 3N,..., PN возбуждения в интервале частот вращения, предусмотренных для ротора. Для наглядности диаграммы на фиг.7 показаны только три собственные частоты f₁, f₂ и f₃ и три соответствующие прямые D1, D2 и D3.

Этапы Е1 и Е2 сами по себе хорошо известны для специалиста в данной области и не нуждаются в более подробном описании.

На следующем этапе Е3 на диаграмме Кэмпбелла идентифицируют вероятные совпадения собственных частот ротора и частот возбуждения в интервале частот вращения, предусмотренных для ротора.

Если интервал частот вращения ротора представляет собой интервал типа ΔV1, показанный на фиг.7, на котором не идентифицируется никаких совпадений (это означает, что если теоретически могут существовать совпадения с частотами возбуждения порядка выше Р=3, они не вызовут значительного эффекта резонанса), то на этапе Е4 задают равномерное угловое распределение неподвижных источников возмущения. Согласно этому равномерному распределению углы от α₁ до α_N все равны между собой, и статор выполняют по типу статора, показанного на фиг.6.

Если существует одно или несколько совпадений, как это имеет место в интервале ΔV2 по фиг.7, на этапе Е5 задают неравномерное угловое распределение неподвижных источников возмущения с целью модификации спектра возбуждения, воспринимаемого ротором, и устранения возможности слишком сильного возбуждения ротора возмущениями, вызываемыми статором. В примере выполнения по фиг.7 существует совпадение собственной частоты f₁ ротора с частотой NV возбуждения при частоте вращения V0 в интервале ΔV2. Это совпадение материально выражено точкой PI пересечения прямых D1 и D1'.

Ниже приведены примеры типов распределения, которые могут быть выбраны на этапе Е5.

Во всех приведенных ниже примерах распределения под термином «номинальный угол» имеется в виду угол, равный 360°/N, под термином «увеличенный угол» - угол больше 360°/N и под термином «уменьшенный угол» - угол меньше 360°/N. На чертежах символ «=» представляет номинальный угол, символ «+» - увеличенный угол и символ «-» - уменьшенный угол.

Первый тип распределения

Согласно первому типу распределения совокупность смежных углов представляет собой:

- одну группу смежных увеличенных углов, равных (360°/N)+с, и

- одну группу смежных уменьшенных углов, равных (360°/N)-с,

где с - вещественное число, причем 0<с<360°/N.

Пример этого типа распределения показан на фиг.8.

Второй тип распределения

Согласно второму типу распределения совокупность смежных углов представляет собой:

- одну группу смежных увеличенных углов, равных (360°/N)+c,

- одну группу смежных уменьшенных углов, равных (360°/N)-с, причем эта группа примыкает к группе смежных увеличенных углов, и

- номинальный угол или группу смежных номинальных углов, включенный или включенную между группой смежных увеличенных углов и группой смежных уменьшенных углов,

где с - вещественное число, причем 0<с<360°/N.

На фиг.9 показан пример этого типа распределения, содержащий группу из двух смежных номинальных углов.

Третий тип распределения

Согласно третьему типу распределения совокупность смежных углов представляет собой:

- одну группу смежных увеличенных углов, равных (360°/N)+с,

- первый номинальный угол или первую группу смежных номинальных углов, примыкающий или примыкающую к указанной группе смежных увеличенных углов,

- одну группу смежных уменьшенных углов, равных (360°/N)-c, примыкающую к указанному первому номинальному углу или к первой группе смежных номинальных углов, и

- второй номинальный угол или вторую группу смежных номинальных углов, примыкающий или примыкающую к указанным группам смежных увеличенных углов и смежных уменьшенных углов,

где с - вещественное число, причем 0<с<360°/N.

На фиг.10 показан пример этого типа распределения, содержащий два раздельных номинальных угла, включенных каждый между группами смежных увеличенных углов и смежных уменьшенных углов.

На фиг.11 показан другой пример распределения этого типа, содержащий номинальный угол, включенный между группами смежных увеличенных углов и смежных уменьшенных углов, и группу смежных номинальных углов, которая расположена напротив номинального угла и также включена между группами смежных увеличенных углов и смежных уменьшенных углов.

Четвертый тип распределения

Согласно четвертому типу распределения совокупность смежных углов представляет собой:

- несколько групп смежных увеличенных углов, каждый из которых равен (360°/N)+с, и

- несколько групп смежных уменьшенных углов, каждый из которых равен (360° /N)-с, причем эти группы включены между группами смежных увеличенных углов,

где с - вещественное число, причем 0<с<360°/N.

Примеры этого типа распределения показаны на фиг.12 и 13.

Пятый тип распределения

Согласно пятому типу распределения совокупность смежных углов представляет собой:

- несколько групп смежных увеличенных углов, каждый из которых равен (360°/N)+c,

- несколько групп смежных уменьшенных углов, каждый из которых равен (360°/N)-с, причем эти группы включены между группами смежных увеличенных углов, и

- по меньшей мере, один номинальный угол, где с - вещественное число, причем 0<с<360°/N.

Пример этого типа распределения показан на фиг.14.

Шестой тип распределения

Согласно шестому типу распределения совокупность смежных углов представляет собой:

- несколько групп смежных увеличенных углов, каждый из которых равен (360°/N)+с,

- несколько групп смежных уменьшенных углов, каждый из которых равен (360°/N)-с, причем эти группы включены между группами смежных увеличенных углов,

- несколько номинальных углов или несколько групп смежных номинальных углов, причем каждый номинальный угол или каждая группа смежных номинальных углов примыкает одновременно к одной из указанных групп смежных увеличенных углов и к одной из указанных групп смежных уменьшенных углов,

где с - вещественное число, причем 0< с<360°/N.

Схема по фиг.14 является также примером распределения этого типа.

Другие типы распределения

В каждом из описанных выше типов распределения увеличенные углы (соответственно уменьшенные углы) все равны друг другу, а общее количество увеличенных углов по необходимости равно количеству уменьшенных углов. Так, в частности, количество N источников возмущения в первом и четвертом типах распределения по необходимости являются четными.

Однако можно модифицировать эти шесть типов распределения таким образом, что увеличенные углы (соответственно уменьшенные углы) не равны друг другу. Другими словами, каждый из описанных выше типов распределения может быть модифицирован таким образом, что величина «с» не будет постоянной, а будет изменяться при переходе от одного угла к другому. В этом случае количество увеличенных углов может отличаться от количества уменьшенных углов.

Среди типов распределения по изобретению предпочтительными являются те, которые содержат один или несколько номинальных углов. Наличие номинальных углов устраняет резкие перепады значений углов между увеличенными и уменьшенными углами, что могло бы быть неблагоприятным для аэродинамической характеристики работы статора.

Кроме того, по тем же причинам аэродинамической эффективности предпочтительно, чтобы увеличенные углы (соответственно уменьшенные углы) отличались от значения 360°/N максимум на 10%, и даже максимум на 5%, то есть, чтобы величина «с» была равна или меньше 36/N, предпочтительно равна или меньше 18/N.

Описанные выше примеры распределения сходны в том, что, с одной стороны, они не являются регулярными (равномерными, правильными), и, с другой стороны, они содержат, по меньшей мере, два увеличенных угла, примыкающих друг к другу, и, по меньшей мере, два уменьшенных угла, примыкающих друг к другу.

По сравнению с обычной конфигурацией, в которой источники возмущения распределены равномерно (см. фиг.1), частотный спектр возбуждения, воспринимаемого ротором от тех же самых источников возмущения, но распределенных неравномерным образом, содержит дополнительные линии. Действительно, каждый увеличенный угол создает в частотном спектре возбуждения частотные линии:

(360° /((360°/N)+c))V,

2·(360°/((360°/N)+c))V,

3·(360°/((360°/N)+c))V,

и так далее,

а каждый уменьшенный угол создает частотные линии:

(360°/((360°/N)-c))V,

2·(360°/((360°/N)-c))V,

3·(360° /((360°/N)-c))V,

и так далее.

Это обогащение дополнительными линиями сопровождается снижением интенсивности соответствующих спектральных линий от NV до PNV. Это относится, в частности, к примеру по фиг.7, где неудобная линия, соответствующая частоте NV, совпадает с собственной частотой f₁ в точке PI (когда частота вращения равна V0), и интенсивность резонанса от мешающей частоты NV0 снижается соответствующим образом. В результате при вращении с частотой V0 вибрация ротора меньше, чем в известном решении.

Этот эффект усиливается за счет того, что, по меньшей мере, два увеличенных угла являются смежными и примыкают друг к другу и, по меньшей мере, два уменьшенных угла являются смежными и примыкают друг к другу. Такая группировка увеличенных углов (соответственно уменьшенных углов) способствует повышению интенсивности линий кратной частоты (360°/((360°/N)+c))V (и соответственно (360° /((360°/N)-c))V).

На фиг.15 показан в качестве примера спектр возбуждения, воспринимаемого ротором, соответствующий распределению по фиг.10. На фиг.15 интенсивность линий приведена к интенсивности линии NV в частотном спектре по фиг.2, соответствующем известному распределению. Другими словами, максимальная интенсивность, равная 1, соответствует интенсивности частотной линии NV в том случае, когда N источников возмущения распределены равномерно. Из фиг.15 видно, что:

- все интенсивности линий спектра возбуждения значительно меньше 1, и, следовательно, ниже интенсивности частотной линии NV в известном решении, и

- интенсивности линии с частотой NV (и соответственно 2NV, 3NV) и линий, соседних с NV (и соответственно 2NV, 3NV), существенно ниже интенсивности частотной линии NV (соответственно 2NV, 3NV) в известном решении.

Отсюда следует, что по сравнению с известным решением будут снижены амплитуды резонанса, который может создаваться при работе турбомашины.

Тем не менее, возможны некоторые, довольно редкие случаи, когда вибрация ротора не снижается при модификации углового распределения источников возмущения на этапе Е5 способа по изобретению, заданной с целью устранения мешающего совпадения собственной частоты ротора с частотой возбуждения. Такие ситуации могут возникать только при исключительных специфических условиях, а именно тогда, когда при данной частоте вращения ротора явления резонанса от новых частотных линий совмещаются таким образом, что становятся равными или превышают явление резонанса в первоначальной схеме.

Поэтому на этапе Е6 способа по изобретению предусмотрена верификация того, что распределение, заданное на этапе Е5, действительно вызывает снижение вибрации ротора.

Этап Е6 выполняют в соответствии со способом, алгоритм которого подробно представлен на фиг.16. Этот способ в общем плане заключается в том, что прежде всего вычисляют частотные спектры возбуждения, воспринимаемого ротором, для обычного равномерного углового распределения источников возмущения (фиг.2) и для неравномерного углового распределения, заданного на этапе Е5 (фиг.15), и затем сравнивают амплитуды резонанса, получаемые в этих двух случаях.

Более конкретно, на двух этапах Е60 и Е61 определяют частотный спектр возбуждения, воспринимаемого ротором при равномерном угловом распределении источников возмущения путем аэродинамического расчета известного типа (Е60), и затем выполняют преобразование Фурье (этап Е61).

На этапе Е62 выбирают временной или угловой сигнал ST, представляющий изменение во времени воспринимаемого ротором возбуждения или, что практически то же самое, изменение воспринимаемого ротором возбуждения в функции угла поворота ротора. Как показано на фиг.17, сигнал ST содержит периодические идентичные пики 12, - например, в форме гауссовых пиков. Период Т этого сигнала в случае временного сигнала равен α/(360°×V), где α - постоянный угол, определяемый двумя последовательными источниками возмущения (в данном случае лопатками статора). Каждый пик 12 представляет возмущение, вызываемое одним источником возмущения.

На этапе Е63 к сигналу ST применяют преобразование Фурье.

На следующем этапе Е64 преобразование Фурье, полученное на этапе Е63, сравнивают с тем, что было получено на этапе Е61. Если два преобразования Фурье идентичны, выполняют этап Е65. В противном случае модифицируют временной сигнал ST (этап Е62), варьируя (общую) форму пиков 12 до получения сигнала ST, для которого преобразование Фурье соответствует полученному на этапе Е61.

На этапе Е65 временной сигнал ST модифицируют в сигнал SM, показанный на фиг.18, в функции модификации, выполненной применительно к угловому распределению источников возмущения, заданному на этапе Е5 способа по изобретению. Более конкретно, как показано на фиг.18, расстояние между двумя последовательными пиками 12 адаптируют к новому, неравномерному угловому распределению источников возмущения. Таким образом, это расстояние уже не является постоянным, как это было в диаграмме по фиг.17, а изменяется в функции углов распределения источников возмущения. В примере выполнения по фиг.18 временные интервалы Т1, Т2 и Т3 удовлетворяют следующим условиям:

Т1=αmin/(360°·V),

Т2=αnom/(360°·V),

Т3=αmaj/(360° ·V),

где αmin, αnom и αmaj обозначают соответственно уменьшенный угол, номинальный угол и увеличенный угол.

На следующем этапе Е66 способа, который иллюстрируется фиг.16, преобразование Фурье применяют к модифицированному временному сигналу SM. При этом получают спектр того типа, который показан на фиг.15. Как было пояснено выше, на фиг.15 шкала интенсивности по оси ординат та же, что на фиг.2. Максимальная интенсивность, нормализованная до величины 1, соответствует на обеих диаграммах интенсивности частотной линии NV в известном решении. Поскольку общая энергия возбуждения, вызываемая источниками возмущения, остается постоянной для всех вариантов углового распределения этих источников возмущения, точно известна относительная интенсивность каждой линии в частотном спектре по фиг.15 относительно интенсивности линий в спектре для известного решения (фиг.2).

Таким образом, этапы Е60 и Е66 по изобретению позволяют получить спектр воспринимаемого ротором возбуждения в случае неравномерного углового распределения источников возмущения без использования очень долгих и сложных вычислений, которые были бы необходимы при прямом определении этого спектра путем аэродинамических вычислений.

На следующем этапе Е67 на диаграмме Кэмпбелла наносят прямые (на фиг.7 штриховыми линиями показаны две из них, обозначенные D1" и D2"), представляющие зависимость новых частот, которые появились в частотном спектре возбуждения, то есть частот, отличных от частот NV, 2NV, 3NV и так далее, от частоты вращения ротора. Затем вероятные совпадения между этими новыми частотами и собственными частотами ротора идентифицируют в интервале ΔV2 частот вращения, предусмотренных для ротора.

На фиг.7 в качестве примера показаны точки Р1 и Р2 пересечения соответственно прямых D1 и D1" и прямых D2 и D2". В каждой из точек Р1 и Р2 совпадения, которые соответствуют частотам V1 и V2 вращения, ротор подвергается резонансу. Если частоты V1 и V2 вращения близки, эффект резонанса в точках Р1 и Р2 может частично совмещаться.

Согласно изобретению на этапе Е68 для каждой частоты вращения в интервале ΔV2 определяют, существует ли одна или несколько точек совпадения, и в последнем случае вычисляют амплитуду общего резонанса ротора на этой частоте вращения с помощью известного метода модального наложения. Для этого интервал ΔV2 разбивают на узкие интервалы или шаги δV2 частоты вращения (например, с шагом, равным примерно 0,5% частоты V вращения), причем ширина каждого шага зависит от демпфирования ротора. Амплитуду общего резонанса ротора вычисляют методом модального наложения для каждого шага δV2, затем сравнивают с амплитудой резонанса для известного решения при вращении ротора с частотой V0 (этап Е69).

Если для каждого шага δV2 амплитуда общего резонанса ротора меньше максимальной амплитуды резонанса для известного решения, неравномерное угловое распределение, заданное на этапе Е5, утверждается, и далее вновь выполняют этапы Е2-Е6 для следующей ступени статор/ротор (см. этапы Е7 и Е8 на фиг.4).

Если в исключительном случае одна из амплитуд общего резонанса равна или больше максимальной амплитуды резонанса для известного решения, возвращаются к этапу Е5 для выбора другого неравномерного углового распределения и вновь проводят этап Е6 верификации (разумеется, без повторения этапов Е60 и Е61).

Когда этапы Е2-Е7 по фиг.4 выполнены для всех ступеней статор/ротор (этап Е8), переходят к этапу Е69 изготовления турбомашины, разработанной или спроектированной указанным способом и представленной в виде цифровых данных моделирования.

В описанных выше различных примерах выполнения изобретения источники возмущения представляют собой лопатки статора. Однако принцип изобретения может быть использован для других типов источников возмущения, имеющихся в турбомашине. Такими источниками являются, например, форсунки камеры сгорания, элементы отбора охлаждающего воздуха, разгрузочные клапаны, элементы повторного ввода охлаждающего воздуха, датчики или щупы, расположенные по направлению потока перед одним или несколькими роторами турбомашины.

Фиг.19 схематично изображает комплект из N источников 14 возмущения указанного типа (в примере по фиг.19 количество N источников возмущения равно 10), являющихся частью статора. Как и в случае лопаток статора (фиг.6), источники 14 возмущения идентичны в пределах допусков на изготовление и распределены со смежными углами от α₁ до α_N, сумма которых равна 360°. Каждый угол определяется лучами А_i, A_i+1, исходящими из одной точки О, которая по направлению потока 11 текучей среды по существу соответствует центру или центрам расположенного ниже по потоку ротора или роторов, и проходящими соответственно через геометрические центры С_i, C_i+1 двух последовательных источников возмущения.

Источники 14 возмущения занимают, по существу, одинаковое радиальное положение, то есть расположены на одном расстоянии от точки О. Комплект источников 14 возмущения расположен по существу перпендикулярно потоку текучей среды и вызывает в этом потоке возмущения, которые могут восприниматься ротором, расположенным ниже по потоку.

В примере выполнения с источниками возмущения по типу показанных на фиг.19 способ по изобретению, представленный на схеме по фиг.4, выполняют по существу таким же образом, как и в том случае, когда источники возмущения являются лопатками статора. В частности, для каждого ротора, подвергающегося возмущениям от источников 14 возмущения, выполняют этапы Е2-Е7, идентичные данным этапам на фиг.4.

Хотя настоящее изобретение описано применительно к турбомашине, содержащей несколько роторов, специалисту в данной области ясно, что принцип изобретения может быть использован в любом устройстве, которое содержит, по меньшей мере, один ротор и, по меньшей мере, один комплект неподвижных источников возмущения, которые могут вызывать возмущения ротора или роторов. В тех случаях, когда устройство содержит несколько комплектов источников возмущения, следует предварительно определить для ротора или для каждого ротора, какой комплект источников возмущения создает наиболее сильные возмущения, воспринимаемые ротором. В конфигурации по фиг.5 этот комплект обычно представляет собой неподвижное лопаточное колесо, расположенное по направлению потока непосредственно перед ротором. Если перед ротором в достаточной близости к нему нет неподвижного лопаточного колеса, следует определить, существуют ли источники возмущения типа форсунок камеры сгорания, элементов отбора охлаждающего воздуха, разгрузочных клапанов, элементов повторного ввода охлаждающего воздуха, датчиков или щупов, расположенных по направлению потока перед ротором. Если такие источники есть, наиболее мешающими источниками возмущения обычно являются те, которые расположены перед ротором наиболее близко к нему.

Хотя для данного ротора наиболее мешающими источниками возмущения чаще всего являются те, что расположены перед ротором, бывают ситуации, когда ротор подвергается возмущениям в основном от источников возмущения, расположенных по потоку за ротором (в особенности, когда перед ротором нет комплекта источников возмущения). Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается определенным положением комплекта источников возмущения по отношению к ротору.

В общем плане специалисту в данной области понятно, что изобретение не ограничивается описанными примерами выполнения. Принцип способа по изобретению заключается в том, чтобы задать угловое распределение неподвижных источников возмущения таким образом, чтобы по сравнению с первоначально запроектированным угловым распределением снизить амплитуду воспринимаемого ротором возбуждения, по меньшей мере, для одной частоты возбуждения, которая при частоте V вращения ротора по существу совпадает с собственной частотой ротора.

Реферат

Изобретение относится к снижению вибрации. Способ снижения вибрации в устройстве, содержащем, по меньшей мере, один ротор (101_j) и комплект неподвижных источников (102_j , 14) возмущений, способных вызывать возмущения в потоке (11) текучей среды, приводящие к вибрации ротора, включает этап неравномерной угловой расстановки неподвижных источников возмущения таким образом, чтобы снизить амплитуду воспринимаемого ротором возбуждения, и этап верификации того, что достигнуто снижение максимальной амплитуды реакции ротора на возбуждение. Верификация предусматривает выполнение следующих этапов: определяют первый сигнал, для которого преобразование Фурье соответствует частотному спектру возбуждения для случая, когда неподвижные источники возмущения распределены в соответствии с предварительно определенным угловым распределением, модифицируют первый сигнал во второй сигнал, адаптированный к выбранной расстановке неподвижных источников возмущения, определяют частотный спектр возбуждения, вычисляя преобразование Фурье второго сигнала и основываясь на частотном спектре возбуждения, вычисляют реакцию ротора на возбуждение. Упрощается проектирование и изготовление устройства. 5 н. и 21 з.п. ф-лы, 19 ил.

Формула