RU2531203C1 - Method of determining forms and frequencies of natural oscillation of rotor blades of gas turbine engines - Google Patents
Method of determining forms and frequencies of natural oscillation of rotor blades of gas turbine engines Download PDFInfo
- Publication number
- RU2531203C1 RU2531203C1 RU2013111283/28A RU2013111283A RU2531203C1 RU 2531203 C1 RU2531203 C1 RU 2531203C1 RU 2013111283/28 A RU2013111283/28 A RU 2013111283/28A RU 2013111283 A RU2013111283 A RU 2013111283A RU 2531203 C1 RU2531203 C1 RU 2531203C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blade
- blades
- frequencies
- frequency
- engine
- Prior art date
Links
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к авиадвигателестроению, а именно к способу определения форм и частот собственных колебаний рабочих лопаток газотурбинных двигателей.The invention relates to the field of engineering, mainly to aircraft engine manufacturing, and in particular to a method for determining the forms and frequencies of natural vibrations of the working blades of gas turbine engines.
Уровень техникиState of the art
В связи со сложной конструкцией современных рабочих лопаток авиационных газотурбинных двигателей определение их форм колебаний и частот собственных колебаний (ЧСК) расчетным путем не представляется возможным. Единственным точным способом определения форм и ЧСК лопаток являются экспериментальные испытания в лабораторных условиях на специальных установках, позволяющих возбудить лопатку в широком диапазоне частот.Due to the complex design of modern working blades of aircraft gas turbine engines, the determination of their vibration modes and natural vibration frequencies (CSC) by calculation is not possible. The only accurate way to determine the shape and HSC of the blades are experimental tests in laboratory conditions at special facilities, allowing to excite the blade in a wide frequency range.
Эти испытания проводятся для каждой лопатки, устанавливаемой на двигатель, и значения частоты записываются в дело двигателя.These tests are carried out for each blade mounted on the engine, and frequency values are recorded in the engine case.
Широкое распространение в заводских и опытно-конструкторских организациях получили испытания, при которых окончательно изготовленная лопатка зажимается за хвостовик, а к свободному концу прикладывается возмущающая сила, частота которой меняется в широком диапазоне. Возбуждение лопатки осуществляется электродинамическим возбудителем вибраций, широко распространенным в двигателестроении, или иным способом /С.В. Серенсен, М.Э. Гарф, В.А. Кузьменко. Динамика машин для испытаний на усталость. М.: Машиностроение, 1967 г./.Tests are widely used in factory and development organizations, in which the final manufactured blade is clamped by the shank, and a disturbing force is applied to the free end, the frequency of which varies over a wide range. Excitation of the scapula is carried out by an electrodynamic vibration exciter, widespread in engine construction, or in another way / C.V. Serensen, M.E. Garf, V.A. Kuzmenko. The dynamics of fatigue testing machines. M .: Mechanical Engineering, 1967 /.
Сообщая лопатке вынужденные колебания сначала с небольшой частотой, затем повышая частоту, в определенный момент наблюдается явление резонанса - совпадение частоты возбуждающей силы (fвоз) с частотой собственных колебаний лопатки (fсоб), и соответствующая форма колебания. Зафиксированная наименьшая частота собственных колебаний лопатки называется частотой колебаний по 1-й изгибной форме (или по основному тону), при этом узловая линия располагается в корневой зоне. При дальнейшем повышении частоты возбуждающей силы будет наблюдаться явление резонанса (fвоз=fсоб) при колебаниях лопатки по 2-й изгибной форме с узловой линией в корневой и верхней части пера лопатки и т.д. /Г.С. Жирицкий, В.А. Стрункин. Конструкция и расчет на прочность деталей, паровых и газовых турбин. М.: Машиностроение, 1968 г., стр.111-113/.Reporting first blade induced oscillations with a low frequency, then increasing the frequency, at some point there is a resonance phenomenon - a coincidence frequency the exciting force (f WHO) with a natural frequency of oscillation of the blade (f GSS) and the corresponding form variations. The recorded lowest frequency of the natural vibrations of the scapula is called the frequency of oscillations in the 1st bending shape (or in the fundamental tone), while the nodal line is located in the root zone. With further increase in the frequency of the excitation force will be observed the phenomenon of resonance (f = f WHO GSS) in the oscillations of the blade to 2 minutes to form the flexural nodal line in the root and top of the blade, etc. / G.S. Zhiritsky, V.A. Strunkin. Design and strength analysis of parts, steam and gas turbines. M .: Mechanical Engineering, 1968, pp. 111-113 /.
Известен способ определения форм и частот собственных колебаний лопаток (определяемый для каждой лопатки, поставляемой на двигатель), включающий в себя установление лопатки в зажиме в горизонтальном положении с насыпанным на ее поверхности тонким слоем песка, возбуждение колебаний лопатки возмущающей силой, приложенной к свободному концу лопатки, до возникновения резонансных колебаний, когда песок будет сброшен со всех вибрирующих мест лопатки и оставаться на неподвижных линиях - узлах, что свидетельствует о совпадении частоты возбуждения с частотой собственных колебаний (fвоз=fсоб) при соответствующей форме колебаний лопатки, зафиксированной по виду песочных фигур, значение которой (fсоб) записывается в дело двигателя /Г.С. Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1969 г., стр.274-275/.A known method of determining the forms and frequencies of the natural vibrations of the blades (determined for each blade supplied to the engine), which includes setting the blade in the clamp in a horizontal position with a thin layer of sand poured on its surface, exciting the vibrations of the blade with a disturbing force applied to the free end of the blade , until resonance oscillations occur, when the sand is discharged from all vibrating places of the scapula and remains on fixed lines - nodes, which indicates the coincidence of the excitation frequency eniya with the natural frequency (f = f WHO GSS) at an appropriate shape of the blade oscillations recorded by mean hourglass shapes whose value (f GSS) is recorded in the case /G.S engine. Skubachevsky. Aircraft gas turbine engines. M.: Mechanical Engineering, 1969, pp. 274-275 /.
Однако существующий способ определения форм и частот собственных колебаний практически невозможно применить к лопаткам, имеющим на своей поверхности перфорационные охлаждающие отверстия. Такие типы лопаток, в основном рабочие лопатки турбин, все больше применяются в современных конструкциях авиационных двигателей.However, the existing method for determining the forms and frequencies of natural vibrations is almost impossible to apply to blades having perforated cooling holes on their surface. These types of blades, mainly turbine blades, are increasingly used in modern aircraft engine designs.
При насыпании сухого песка на поверхность лопатки и ее возбуждении забиваются мелкие перфорационные отверстия, что приводит к нарушению системы охлаждения и невозможности использовать лопатки в эксплуатации.When dry sand is poured onto the surface of the blade and its excitation, small perforations are clogged, which leads to a violation of the cooling system and the inability to use the blades in operation.
Удаление песка (после определения форм и ЧСК) сжатым воздухом, промывкой или иным способом является чрезвычайно трудоемким процессом и требует повторного определения расходных характеристик каждой лопатки, чтобы убедиться в восстановлении системы охлаждения в полной мере. Эти технологические процедуры не всегда приводят к положительному результату (песок остается в системе охлаждения лопатки). В серийном производстве ~20% лопаток бракуется.Removing sand (after determining the forms and CSC) with compressed air, washing, or otherwise is an extremely time-consuming process and requires a re-determination of the flow characteristics of each blade to ensure that the cooling system is fully restored. These technological procedures do not always lead to a positive result (sand remains in the blade cooling system). In mass production, ~ 20% of blades are rejected.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей настоящего изобретения является достоверное определение форм и частот собственных колебаний лопаток, имеющих перфорационные охлаждающие отверстия на поверхности лопатки, при сокращении материальных затрат путем использования существующих лабораторных установок.The objective of the present invention is to reliably determine the shapes and frequencies of natural vibrations of the blades having perforated cooling holes on the surface of the blades, while reducing material costs by using existing laboratory facilities.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе экспериментального определения форм и частот собственных колебаний посыпается мелким песком поверхность лопатки до изготовления перфорационных охлаждающих отверстий, после чего лопатка возбуждается в горизонтальном положении, фиксируется по виду песочных фигур форма колебаний, определяется частота ее собственных колебаний, к которой вводится поправка на величину Δf.The problem is solved due to the fact that in the known method of experimental determination of the forms and frequencies of natural vibrations, the surface of the blade is sprinkled with fine sand until the perforated cooling holes are made, after which the blade is excited in a horizontal position, the shape of the vibrations is fixed by the shape of sand figures, and the frequency of its natural vibrations is determined , to which a correction for Δf is introduced.
Известно, что частота собственных колебаний обратно пропорциональна массе лопаткиIt is known that the frequency of natural oscillations is inversely proportional to the mass of the blade
Поэтому после изготовления отверстий в связи с уменьшением массы действительное значение частоты, которое записывается в дело двигателя, должно быть несколько больше (в зависимости от диаметра отверстий и их количества). Следовательно, полученную поправку Δf надо прибавлять к частоте лопатки без перфорации.Therefore, after making holes in connection with a decrease in mass, the actual value of the frequency that is written into the engine case should be slightly larger (depending on the diameter of the holes and their number). Therefore, the obtained correction Δf must be added to the frequency of the blade without perforation.
Поскольку экспериментальное определение частот лопаток имеет статистический разброс, величину поправки Δf необходимо определять в вероятностно статистическом аспекте.Since the experimental determination of blade frequencies has a statistical spread, the correction value Δf must be determined in a probabilistically statistical aspect.
С этой целью один раз для одинаковой конструкции лопатки по репрезентативной выборке (обычно 15-20 лопаток) перфорированных лопаток и лопаток без перфорации определяются средние значения частоты собственных колебаний и среднеквадратические отклонения, по которым вычисляются максимально возможные значения по каждой выборке:For this purpose, once for the same design of the blade according to a representative sample (usually 15-20 blades) of perforated blades and blades without perforation, the average values of the natural vibration frequency and standard deviations are determined, from which the maximum possible values for each sample are calculated:
Вычитая из уравнения (2) уравнение (3), получимSubtracting equation (3) from equation (2), we obtain
где Δf - максимально возможная разница между частотой собственных колебаний любой лопатки одинаковой конструкции с перфорацией и без перфорации,where Δf is the maximum possible difference between the frequency of natural vibrations of any blade of the same design with perforation and without perforation,
Δfсред - разница в средних значениях частот собственных колебаний выборки лопаток с перфорацией и без перфорации,Δf media - the difference in the average frequencies of the natural oscillations of the sample of blades with perforation and without perforation,
Δσ - разница в среднеквадратических отклонениях частот собственных колебаний выборки лопаток с перфорацией и без перфорации.Δσ is the difference in the standard deviations of the frequencies of the natural oscillations of the sample of blades with perforation and without perforation.
Известно, что вероятность попадания случайной величины в интервал 3σ составляет 99,7%, поэтому достоверность определения поправки очень высока и полученные значения поправки Δf можно распространить на всю генеральную совокупность изготовляемых лопаток одинаковой конструкции.It is known that the probability of a random variable falling into the 3σ interval is 99.7%; therefore, the accuracy of determining the correction is very high and the obtained correction values Δf can be extended to the entire population of manufactured blades of the same design.
Пример конкретного выполненияConcrete example
Выборка частот собственных колебаний (ЧСК) по 20 рабочим лопаткам турбины с перфорационными охлаждающими отверстиями имела следующие значения:The sample of natural vibration frequencies (CSC) for 20 turbine blades with perforated cooling holes had the following values:
σпер = 22 Гц - среднеквадратическое отклонение.σ per = 22 Hz - standard deviation.
До изготовления охлаждающих отверстий эти же лопатки имели следующие значения:Before the manufacture of cooling holes, these same blades had the following meanings:
σбез пер = 14 Гц - среднеквадратическое отклонение.σ without per = 14 Hz is the standard deviation.
Тогда, согласно (4), величина поправки будет равна:Then, according to (4), the magnitude of the correction will be equal to:
Δf=11+3·8=35 Гц.Δf = 11 + 3 · 8 = 35 Hz.
Таким образом, чтобы получить действительное значение ЧСК окончательно изготовленной перфорированной лопатки и записать его в дело двигателя, к каждому полученному значению ЧСК лопатки без перфорации необходимо прибавлять 35 Гц.Thus, in order to obtain the actual HSC value of the final manufactured perforated blade and record it in the engine case, 35 Hz must be added to each obtained HSC value of the blade without perforation.
Технико-экономическая или иная эффективностьFeasibility or other efficiency
Использование предлагаемого способа позволяет исключить отбраковку лопаток с перфорацией после определения их форм колебаний и частот собственных колебаний, проводить испытания на имеющемся на предприятиях оборудовании, что тем самым приводит к экономии материальных затрат.Using the proposed method allows to exclude the rejection of blades with perforation after determining their waveforms and frequencies of natural vibrations, to test on the equipment available at the enterprises, which thereby leads to savings in material costs.
Claims (1)
Δf=Δfсред+3·Δσ,
где
Δfcред - разница между средними значениями частот выборки лопаток после и до изготовления перфораций,
Δσ - разница между среднеквадратическими отклонениями частот выборки лопаток после и до изготовления перфораций,
которую прибавляют к частоте собственных колебаний каждой лопатки, (поставляемой на двигатель), полученной до изготовления перфораций на поверхности лопатки, и записывают суммарную величину частоты в дело двигателя. The method for determining the forms and frequencies of natural vibrations (CSC) of the working blades of gas turbine engines, which consists in the fact that each final manufactured blade (supplied to the engine) is fixed in the clamp by the shank in a horizontal position, sand is applied to its surface with a thin layer and the vibrations of the blades are disturbed by the force applied to the free end of the blade, until resonance oscillations occur, when the sand is discharged from all vibrating places, except for fixed lines-nodes, which indicates ovpadenii excitation frequencies with the natural frequency of the blade vibrations (f WHO = f GSS) at an appropriate shape of the blade oscillations recorded by mean hourglass shapes whose value (f GSS) and recorded in the case of the engine, characterized by the fact that for blades having on its surface perforated cooling holes, determine experimentally the shape and frequency of natural vibrations of 15-20 blades before and after the manufacture of perforation holes (representative sample), determine the average and mean squares for these samples of sul frequency deviation and calculate a correction Δf,
Δf = Δf media + 3
Where
Δf medium - the difference between the average values of the sampling frequencies of the blades after and before the manufacture of perforations,
Δσ is the difference between the standard deviations of the sampling frequencies of the blades after and before the manufacture of perforations,
which is added to the frequency of natural vibrations of each blade (supplied to the engine) obtained prior to the manufacture of perforations on the surface of the blade, and the total frequency value is written into the engine case.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013111283/28A RU2531203C1 (en) | 2013-03-14 | 2013-03-14 | Method of determining forms and frequencies of natural oscillation of rotor blades of gas turbine engines |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013111283/28A RU2531203C1 (en) | 2013-03-14 | 2013-03-14 | Method of determining forms and frequencies of natural oscillation of rotor blades of gas turbine engines |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013111283A RU2013111283A (en) | 2014-09-20 |
RU2531203C1 true RU2531203C1 (en) | 2014-10-20 |
Family
ID=51583524
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013111283/28A RU2531203C1 (en) | 2013-03-14 | 2013-03-14 | Method of determining forms and frequencies of natural oscillation of rotor blades of gas turbine engines |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2531203C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4422333A (en) * | 1982-04-29 | 1983-12-27 | The Franklin Institute | Method and apparatus for detecting and identifying excessively vibrating blades of a turbomachine |
RU2240526C1 (en) * | 2003-04-22 | 2004-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторострения им. П.И. Баранова" | Method of exciting and determining parameters of vibration of turbine machine blades |
RU2402751C1 (en) * | 2009-06-11 | 2010-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method for diagnostics of kind of aero-elastic vibrations of working blades of axial turbo-machine |
RU108607U1 (en) * | 2011-02-14 | 2011-09-20 | Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" | INSTALLATION FOR DETERMINING FREQUENCIES OF OWN OSCILLATIONS OF TURBINE SHOVELS |
-
2013
- 2013-03-14 RU RU2013111283/28A patent/RU2531203C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4422333A (en) * | 1982-04-29 | 1983-12-27 | The Franklin Institute | Method and apparatus for detecting and identifying excessively vibrating blades of a turbomachine |
RU2240526C1 (en) * | 2003-04-22 | 2004-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторострения им. П.И. Баранова" | Method of exciting and determining parameters of vibration of turbine machine blades |
RU2402751C1 (en) * | 2009-06-11 | 2010-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method for diagnostics of kind of aero-elastic vibrations of working blades of axial turbo-machine |
RU108607U1 (en) * | 2011-02-14 | 2011-09-20 | Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" | INSTALLATION FOR DETERMINING FREQUENCIES OF OWN OSCILLATIONS OF TURBINE SHOVELS |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Г.С. Жирицкий, В.А. Стрункин, Конструкция и расчет на прочность деталей, паровых и газовых турбин, М., Машиностроение, 1968, стр. 111-113. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013111283A (en) | 2014-09-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Šalinić et al. | Free vibration analysis of axially functionally graded tapered, stepped, and continuously segmented rods and beams | |
ES2566528T3 (en) | Procedure and characterization system of turbine blades | |
US20100286934A1 (en) | Method for determining blade mistuning on integrally manufactured rotor wheels | |
Pan et al. | Observation and analysis of the quality factor variation behavior in a monolithic fused silica cylindrical resonator | |
CN108548646A (en) | The quantitative measuring method of damage development overall process in a kind of vibration fatigue test | |
CN113686489A (en) | A detection device and method for the quality imbalance defect of a hemispherical harmonic oscillator | |
Wilde et al. | Ultrasound monitoring for evaluation of damage in reinforced concrete | |
EP2090886A2 (en) | Method for optimising the voltage distribution in acoustic thermography applications | |
RU2531203C1 (en) | Method of determining forms and frequencies of natural oscillation of rotor blades of gas turbine engines | |
CN115112148B (en) | A device and method for identifying a quality defect error of a resonator | |
Ireneusz et al. | Preliminary signal filtering in Self-Excited Acoustical System for stress change measurement | |
CN106769561B (en) | A non-destructive testing method for mechanical parameters of hollow drive shaft under temperature load | |
Di Maio et al. | A study of mechanical impedance in mechanical test rigs performing endurance testing using electromagnetic shakers | |
Gillich et al. | Assessing corrosion damage from the natural frequency changes | |
JP2002188955A (en) | Strength deterioration detection method of structure by using ambiguous external force | |
Gillaugh et al. | Strain gage ramifications on mistuning in as-manufactured models and experimental testing | |
RU2308687C2 (en) | Method of measuring natural vibration of flexible structure | |
RU2714535C1 (en) | Method of vibration testing of large-size parts of a turbomachine | |
SU1048344A1 (en) | Method of investigatng aerodynamic compendency of flat grating blade oscillation in aerodynamic flow | |
Witos | Modal Analysis as a High Sensitive NDT Method of Compressor Blades | |
Ratolikar et al. | Crack Detection for Various Loading Conditions in Beam Using Hilbert–Huang Transform | |
SU1758490A1 (en) | Method of determining material fatigue characteristic | |
RU2303774C1 (en) | Method of detecting defects in flexible structure | |
Bednarz et al. | Operational Modal Analysis method in the study of a bridge dynamics | |
Patil et al. | Experimental Investigation and Analysis of Circular Tile Cutter Using FEA and FFT |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210315 |