Пермские двигатели - решение без колебаний!

Обеспечение устойчивой работы газотурбинного оборудования в условиях повышения действующих нагрузок невозможно без снижения уровня вибрации, которая становится причиной различного рода неисправностей в системах газотурбинных установок (ГТУ), уменьшая эксплуатационную надёжность машины. В связи с этим специалистами ОАО «Авиадвигатель» большое внимание уделяется математическому моделированию и экспериментальным исследованиям вибрационных характеристик ГТУ на всех этапах: при проектировании, в процессе доводочных работ и в эксплуатации.

Наиболее важными источниками возмущающих сил, вызывающих вибрацию, являются роторы турбокомпрессора. Их статическая и динамическая неуравновешенность приводит в конечном итоге к колебаниям.

Главная особенность вибрационных характеристик ГТУ, разработанных на базе авиационных двигателей, состоит в том, что в колебаниях, наряду с роторной системой, участвуют корпуса машины. Такое поведение обусловлено близостью упруго-инерционных параметров корпусов к аналогичным параметрам роторов, что является следствием максимального облегчения статора авиационного двигателя-прототипа.

Близость масс и жесткостей роторов и корпусов приводит к тому, что система роторов и корпусов ГТУ в отношении колебаний образует сложную упруго-инерционную систему и обладает широким спектром собственных частот и форм колебаний. По причине высокой плотности спектра машина на рабочих режимах практически всегда работает вблизи одной из собственных частот изгибных колебаний.

Демпфирование колебаний.

Один из путей обеспечения низкого уровня вибрации в этом случае связан с организацией принудительного демпфирования колебаний. Обычно это делается с помощью специальных демпфирующих устройств, размещаемых в опорах роторов, так как именно здесь реализуется связь вращающегося ротора с корпусом. Для эффективного подавления вибрации необходимо, чтобы коэффициент сопротивления демпфера имел вполне определённую величину, соответствующую параметрам колебательной системы.

Опора ротора состоит из повторяющего колебания ротора подшипника и связанного с ним вибратора, представляющего цилиндр, укреплённый на упругом элементе и отделённый тонким слоем масла толщиной d от неподвижного статора.
При колебаниях ротора возникают:

  • силы упругости, пропорциональные перемещениям подшипника;
  • силы гидродинамического сопротивления всасыванию и выдавливанию масла из демпферного зазора, пропорциональные скорости колебаний ротора;
  • силы инерции, пропорциональные ускорению вибратора.

Демпферы «на сдавливаемой плёнке масла» применяются на двигателях пермского производства авиационного и промышленного назначения, в частности, на ГТУ-25П.

Выбор необходимой величины жёсткости упругого элемента и коэффициента демпфирования упруго-демпферных опор роторов выполняется на основе анализа колебаний роторов и связанных систем «ротор-корпус» ГТУ. Определяется оптимальное размещение демпферов в силовой схеме машины. При этом следует учитывать, что работа демпфера будет эффективной лишь в том случае, когда на подлежащем демпфированию резонансном режиме в демпфере реализуются близкие к максимальным относительные перемещения ротора и корпуса по соответствующей этому режиму форме колебаний.
В основу решения названных задач положен опыт доводки авиационных двигателей.

Усовершенствование демпфера ГТУ-25П.

ГТУ-25П, в сравнении с машинами меньшей мощности, по силовой схеме (количеству роторов) и величинам давлений в проточной части и в полостях значительно ближе к своему авиационному прототипу.

Опытная эксплуатация первого экземпляра газотурбинной установки ГТУ-25П выявила проблемы вибрационного характера. При длительной работе на номинальном режиме наступал момент, когда в течение нескольких минут вибрация возрастала на 15...20 мм/с. Уровень вибрации оставался допустимым, однако, при работе в течение длительных ресурсов могла возрасти вероятность снижения характеристик надёжности обвязки машины: агрегатов, трубопроводов и пр. Характер проявления повышенной вибрации (длительная работа, затем - медленный рост) указывал на её тепловое происхождение.

Дополнительный анализ данных в сопоставлении с авиационным прототипом показал, что в передней опоре ротора компрессора высокого давления по мере прогрева может изменяться характер посадок деталей демпфера в статор, образуется зазор, в который может вытекать масло, и нарушается работа демпфера. Для обеспечения нормальной работы демпфера в его конструкцию было введено дополнительное уплотнение масляной полости.

Введено дополнительное уплотнение масляной полости в передней опоре
компрессора высокого давления ГТУ-25П


Эксплуатация второго экземпляра ГТУ-25П с таким уплотнением в течение 11 200 часов показала, что проведенное усовершенствование способствует нормализации вибросостояния машины. В дальнейшем специалисты ОАО «Авиадвигатель» планируют сосредоточить усилия на улучшении работы опор газотурбинной установки.

Игорь АНДРЕЙЧЕНКО,
начальник отдела динамики и прочности ОАО «Авиадвигатель»