Как бы тщательно не была выполнена отстройка от опасных резонансных режимов, лопаточный аппарат совершает вынужденные колебания на нерезонансных режимах. Транспортные двигатели работают на переменных режимах, любые турбомашины имеют режимы пуска и останова, что заставляет принимать меры по снижению и ограничению уровня вынужденных колебаний.
Уровень возмущающих сил зависит, прежде всего, от амплитуд гармонических составляющих Р(z). Гармоники, имеющие повышенные значения амплитуд по сравнению с другими часто называют моторными или сильными, а имеющие пониженные значения амплитуд минорными или слабыми. В различных условиях любая из гармоник может представлять опасность, но в первую очередь обращают внимание на моторные гармоники. Снижение амплитудных значений гармоник достигается, прежде всего, улучшением обтекаемости стоек в проточной части и лопаток направляющих аппаратов, что снижает интенсивность кромочных следов.
Иногда с этой целью увеличивают осевые зазоры между сопловыми и рабочими лопатками, но при этом может снижаться к.п.д. ступени.
Не менее действенным средством снижения уровня вынужденных колебаний является изменение фаз гармоник φκ(z) и их взаимное подавление. Известно, что возмущения от кромочных следов направляющих аппаратов и стоек распространяются через несколько ступеней. Поворот ближайших направляющих аппаратов относительно друг друга позволяет обеспечить взаимное подавление некоторых гармоник.
Фаза гармоники может меняться не только в окружном направлении, но и в радиальном. Если лопатки направляющего аппарата или стойки расположить наклонно в тангенциальном направлении (под некоторым углом к радиальному направлению), то рабочие лопатки будут входить в закромочный след корневой частью, а выходить периферийной. Фаза гармоники φ(z) меняется вдоль по длине лопатки, а газодинамическая сила в каждый момент времени действует на части длинны лопатки и перемещается в радиальном направлении. Практика показывает, что первые формы колебаний лопатки возбуждаются при этом слабее и соответствующие вибрационные напряжения снижаются на 40—50 %. Однако вибрационные напряжения на высших формах возрастают.
Для борьбы с высокочастотными колебаниями используется разношагица лопаток направляющего аппарата, то есть расположение их с разным шагом. Используются различные системы разношагицы: частотная, фазовая и частотно-фазовая. В первом случае решетка направляющего аппарата разбивается по окружности на несколько одинаковых зон, в каждой из которых имеется разное число лопаток. При суперпозиции гармоник возмущающих сил с разными частотами можно добиться их взаимного подавления. Могут быть выделены основные и вспомогательные зоны по окружности направляющего аппарата. Вспомогательные зоны имеют переменный шаг лопаток, благодаря чему возникает изменение фазы гармоники по окружности и ее самоподавление. Оба способа взаимного подавления гармонических составляющих возмущающих нагрузок могут использоваться одновременно.
Рис. 1. Крепление парных лопаток в диске
Существенным способом повышения вибрационной прочности лопаточного аппарата является использование новых материалов с повышенными прочностными характеристиками и демпфирующей способностью, включая монокристаллические, о чем более подробно сообщается в других публикациях. Большую роль играет конструкционное демпфирование, которое широко используется в современных турбомашинах. Прежде всего, это демпферные межлопаточные связи: проволочные, полочные и др.
За счет взаимного перемещения и трения контактирующих поверхностей происходит рассеивание энергии колебаний. Демпфирующими свойствами обладают различные замковые соединения лопаток. Используются и комбинации способов конструкционного демпфирования. Например, парные лопатки изготовляются с замковым соединением, которое монтируется в одно гнездо елочного типа на диске. Соответственно каждая из двух лопаток имеет часть хвостовика елочного типа, разрезанного в радиальном направлении (рис. 1). При колебаниях лопаток происходит трение двух частей хвостовика по линии их контакта. Такие лопатки обычно контактируют также полками. Лопатки разведены в тангенциальном направлении от направлений радиуса, так что центробежная сила постоянно прижимает их по контактирующим поверхностям полок и замков, обеспечивая плотный контакт независимо от износа контактирующих поверхностей.
Лопатки, имеющие в корневом сечении полку и между ней и замком ножку, образуют с соседней лопаткой проем, ограниченный с боков ножками, сверху полками, а снизу поверхностью диска. В этот проем может быть запрессована вставка из податливого упругого материала с высокими демпфирующими свойствами. Такой материал изготавливают, например, прессуя спутанный моток проволоки или стружки. При колебаниях ножек лопаток такая вставка деформируется. При этом за счет трения в многочисленных контактных поверхностях проволок или стружек происходит интенсивное рассеивание энергии колебаний.
Лопатки направляющего аппарат, стойки и другие элементы статора могут иметь технологические отклонения размеров. Они вызывают дополнительную окружную неоднородность потока рабочего тела. Частоты соответствующих гармонических составляющих кратны частоте вращения, но параметры этих гармоник носят случайный характер. Снижение уровня вибрации лопаточного аппарата вызванного технологической неоднородностью деталей статора может осуществляться в основном за счет демпфирования в системе. Следует отметить, что возмущающие силы в проточной части турбины или компрессоре вызывают также колебания лопаток направляющего аппарата. Последние обладают, как правило, значительно большей жесткостью, чем рабочие лопатки, и вибрации представляют для них меньшую опасность. Но всегда следует иметь в виду необходимость оценки колебаний и направляющего аппарата. В современном турбомашиностроении используются целые комплексы мероприятий по снижению уровня вибраций лопаточного аппарата. Они обеспечивают допустимый средний уровень вибрационных напряжений в лопаточном аппарате, дополнительное заметное снижение которого весьма затруднительно. Кроме того, в связи с современными тенденциями к росту единичной и удельной мощности турбоагрегатов соответственно увеличивается интенсивность нагрузок на лопаточный аппарат.
Основную опасность для лопаточного аппарата современных турбомашин представляет локализация вибрационных напряжений (резкое увеличение напряжений в ограниченных зонах). Такая локализация может быть вызвана сложностью конструкции лопаток, их взаимодействием в системе, неоднородностью материала и температурных полей. Видна локализация вибрационных напряжений в охлаждаемой лопатке газовой турбины, вызванная сложной формой лопатки и неоднородностью температурных полей с большими градиентами. Разрезные полочные связи способствуют снижению локализации напряжений.
На рис. 2 показана локализация напряжений при колебаниях единичной лопатки газовой турбины и снижение уровня локализации при изменении конструкции за счет объединения двух лопаток с помощью полочной связи и общего хвостовика.
Вид со стороны корыта Вид со стороны спинки
Вид со стороны корыта Вид со стороны спинки
Рис. 2. Снижение локализации вибрационных напряжений при изменении конструкции лопаточного аппарата
Расстройка лопаточного венца (разброс частот отдельных лопаток венца) за счет малых технологических отклонений рабочих лопаток ведет к нарушению строгой поворотной симметрии системы и разбросу вибрационных напряжений по окружности венца и локализации напряжений в отдельных лопатках. Наиболее перспективным методом предотвращения этого вида локализации является такая комплектация венца, чтобы собственные частоты лопаток изменялись в окружном направлении примерно по гармоническому закону. Это равносильно созданию системы с новым более низким порядком поворотной симметрии. В пределе может быть рекомендован “пилообразный” закон изменения собственных частот и других параметров лопаток по окружности колеса (лопатки с наибольшими изменениями собственных частот чередуются). К сожалению, трудно дать единую рекомендацию по рациональной комплектации венцов лопаток, она зависит от конкретных особенностей рабочего колеса и условий его работы.
Лопатки турбомашины могут испытывать кинематическое возбуждение колебаний. Оно возникает, например, при крутильных колебаниях ротора. Наибольшую опасность оно представляет для длинных лопаток последней ступени мощных паровых турбин и вентиляторных лопаток ГТД. Наиболее полное представление о таких явлениях дает анализ совместных колебаний ротора с лопаточным аппаратом как единой деформируемой системы.
Кинематическое возбуждение колебаний лопаток также возможно за счет кориолисовых сил при маневрах летательных аппаратов с ГТД.
Возбуждения от источника колебаний могут передаваться с потоком рабочего тела к лопаткам. Разнообразие причин возбуждения колебаний лопаточного аппарата требует различных способов борьбы с ними.