Введение к работе
Актуальность работы. Одной из основных задач при проектировании авиационных двигателей, судовых газотурбинных двигателей и установок, газотурбинных машин наземного применения является обеспечение возможности безопасного перехода через критическую скорость при разгоне и выбеге ротора. На этих этапах движения ротор испытывает нестационарные колебания. Амплитуда колебаний поперечных сечений ротора резко возрастает, когда его угловая скорость приближается к критической скорости вращения ротора. К задаче исследования нестационарных колебаний ротора относится также задача определения условий возникновения эффекта Зоммерфельда. Этот эффект заключается в том, что при определенных условиях разгона ротора его угловая скорость перестает увеличиваться при достижении ротором критической скорости вращения. При этом вся поступающая энергия тратится не на увеличение угловой скорости, а на создание вибраций ротора.
Диссертационная работа посвящена разработке методов исследования нестационарных колебаний гибких вращающихся роторов. Задача исследования нестационарных колебаний роторов является одной из наиболее сложных задач динамики роторов. В настоящее время имеет место недостаток в эффективных расчетных методах исследования этих колебаний. Важность создания таких методов очевидна.
Для определения параметров вибраций вращающихся роторов на отечественных предприятиях в течение многих лет успешно используются компьютерные программы, основанные на представлении колебаний ротора как поперечных колебаний стержня переменного поперечного сечения. Однако такое упрощенное представление колебаний ротора в отдельных случаях вызывает существенное расхождение результатов расчета с экспериментальными данными.
В настоящее время при исследовании напряженно-деформированного состояния конструкций широко используются вычислительные комплексы, реализующие метод конечных элементов (ANSYS, NASTRAN). Эти комплексы позволяют производить расчеты с высокой степенью точности и учитывать практиче-
ски все особенности конструкции. Описание технологии использования таких комплексов для расчета нестационарных колебаний роторов в литературных источниках не обнаружено. Значительная часть диссертационной работы посвящена разработке метода расчета нестационарных колебаний роторов на основе конечно-элементных вычислительных комплексов и соответствующей компьютерной технологии расчета. Разработка такого метода осложняется необходимостью учета гироскопических моментов, действующих на вал со стороны дисков, а также сложностью расчета нестационарных колебаний, при которых амплитуды колебаний отдельных точек ротора и его угловая скорость изменяются с течением времени. В диссертационной работе рассматривается важный частный случай колебаний, когда можно пренебречь гироскопическим моментом, действующим со стороны диска на вал.
Цель работы: разработать метод исследования нестационарных колебаний гибких вращающихся роторов, позволяющий производить расчеты конечно-элементными вычислительными комплексами, и на основе этого исследовать вибрации при разгоне и выбеге ротора, при его внезапной разбалансировке после обрыва лопатки, а также уточнить известные положения, касающиеся условий возникновения эффекта Зоммерфельда.
Для достижения сформулированной цели необходимо решить следующие задачи:
расширить возможности использования известного метода исследования нестационарных колебаний диска, установленного в середине вала постоянного поперечного сечения, распространяя его на случай ротора произвольной конфигурации;
разработать метод исследования нестационарных колебаний произвольного сечения гибкого вращающегося ротора на основе конечно-элементных вычислительных комплексов;
уточнить известное выражение для величины минимального вращающего момента, необходимого для преодоления эффекта Зоммерфельда;
на основе разработанных методов исследовать закон изменения угловой скорости ротора и амплитуды колебаний отдельных поперечных сечений ротора при разгоне и выбеге ротора, а также при внезапной его разбалансировке, вызванной отрывом лопаток;
разработать программу расчета на ЭВМ, позволяющую определять закон движения отдельных поперечных сечений ротора при его нестационарных колебаниях;
Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:
Расширены возможности использования известного метода исследования нестационарных колебаний диска, установленного в середине вала постоянного поперечного сечения, путем распространения его на случай ротора произвольной конфигурации.
Разработан метод расчета нестационарных колебаний произвольного сечения гибкого вращающегося ротора на основе конечно-элементных вычислительных комплексов.
Получены уточненные формулы для величины минимального вращающего момента, необходимого для преодоления эффекта Зоммерфельда.
Практическая значимость работы. Разработан метод расчета нестационарных колебаний произвольных сечений вращающихся роторов и компьютерная программа, позволяющая определять амплитуды колебаний отдельных сечений роторов при различных режимах работы двигателя, а также при внезапной разбалансировке ротора. Разработана методика использования вычислительных комплексов, основанных на методе конечных элементов, при расчете параметров нестационарных колебаний гибкого вращающегося ротора. На основе вычислительного комплекса ANSYS получен закон изменения угловой скорости и амплитуды колебаний отдельных сечений ротора одного из газотурбинных двигателей при разгоне и выбеге ротора, а также при внезапной его разбалансировке, вызванной отрывом лопатки.
Реализация результатов работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы внедрены на ОАО «НПО «Сатурн» (г. Рыбинск) и используются в учебном процессе в РГАТА им. П. А. Соловьева при преподавании дисциплины «Колебания упругих систем».
Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались на научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск, РГАТА, 2002.), на XXVIII Международном научно-техническом совещании по проблемам прочности двигателей (Москва- 2002.), на всероссийской молодёжной научной конференции «VII Королёвские чтения» (Самара, 1-2 октября 2003 г.). Отдельные результаты работы опубликованы в сборнике научных трудов XXVII конференции молодых ученых (Рыбинск, РГАТА, 2001.), журнале «Проблемы машиностроения и надёжности машин» (Москва, 2003 - №1.), в материалах по итогам работы научно-технической конференции «Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий» (Рыбинск, РГАТА, 2003.), а также в материалах по итогам работы научно-технической конференции «Моделирование и обработка информации в технических системах» (Рыбинск, РГАТА, 2004.).
Полностью работа докладывалась на научных семинарах кафедры «Теоретическая механика и сопротивление материалов» Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П, А. Соловьева, а также на научно-техническом семинаре службы технического директора - генерального конструктора ОАО «НПО «Сатурн».
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, из них 3 статьи и 3 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Полный объем диссертации составляет 130 страниц, которые содержат 66 рисунков, 5 таблиц, 97 наименований литературы и 4 приложения.
