ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ РЕАЛИЗАЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

6.1. Разработка УДО ротора ТНА двигателя

ракетоносителя «ЭНЕРГИЯ»

В начале 80-х гг. в Самарском государственном аэрокосмическом университете (СГАУ) по просьбе представителей КБ «Химавтоматика» была проведена научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа по созданию унругодемпфирующих опор для снижения уровня виброактивности ТНА 2-й ступени ЖРД «Энергия». К этому времени СГАУ уже имел опыт проектирования подобных опор для газотурбин­ных двигателей семейства НК. Опоры представляют собой кольцевые многослойные гофрированные пакеты лепт (рис. 6.1), устанавливаемые в коаксиальное пространство между наружными кольцами подшипни­ков ротора и внутренними поверхностями корпусов машин.

Основными требованиями, предъявляе­мыми к унругодемнферным устройствам, были малые габариты и вес, высокая надеж­ность и автономность в работе, удобство включения в силовую схему, высокая на­дежность гашения вибрации при работе в условиях обтекания трущихся частей уст­ройства рабочими средами ТНА — жидким водородом и жидким кислородом.

Некоторые опасения но возможности эк­сплуатации упругодемпферных устройств сухого трения в условиях обтекания пар тре­ния жидким кислородом были сняты после предварительного расчета термодинамичес­кого баланса энергий, вносимых в опоры при трении пакетов пластин и уносимых из опор омываемым компонентом.

Уверенность в эффективности опор, их надежность и работоспособность были нод-

тверждены также созданием опор с уменьшенными габаритными раз­мерами для модельного ротора, подвергнутого всестороннему испы­танию па динамическом стенде «Шенк», производства ФРГ, позво­ляющему выполнять всесторонние исследования УФК опоры при оборотах до 45 тыс. об/мин в вакууме.

Для обеспечения высоких диссипативных свойств демпфера и стабильности его характеристик необходимо полное совпадение гоф­рированных поверхностей всех лент пакета.

С этой целью все пластины одновременно гофрируются в специаль­ном штампе между цилиндрическими, концентрично расположенными поверхностями, которые имеют волнистую форму, соответствующую профилю гофров. После профилирования пакет подвергается специаль­ной термообработке, фиксирующей форму гофров. По мнению авторов работы [78J, наиболее технологичной является форма гофра, образо­

где i? H — радиус окружности, описанной около профиля гофров;

aj — высота гофра в свободном состоянии, у — половина углового шага гофров.

Зная число лепт п, их толщину h и, следовательно, толщшіу всего накега

Н — nh, (6.2)

можно панти радиусы кривизны последнего на его наружной и внутренней поверхностях. Эти параметры необходимы при проек­тировании приспособления для гофрирования и термофиксации многослойных пакетов.

Для определенности примем, что радиус окружности, описанной вокруг внешних вершин гофров (Ruна рис. 6.1), совпадает с радиу­сом корпуса опоры, в которую будет устанавливаться гофрирован­ный многослойный демпфер.

Таким образом, при профилировании пакета задаваемыми парамет­рами являются величины Rw rH, Н, у, а определяемыми: г1н, г, г1вн и Rm (см. рис. 6.1). Параметр г1н определяется по формуле

(6.1) , а остальные — по формулам:

Практика расчета гофрированных пакетов на прочность показала, что минимальные напряжения в пакете будут в том случае, когда величины Rw Гн, г1н близки между собой но величине. Поэтому рекомендуется задавать г1н ненамного меньше величины R.

Практика подбора геометрии гофров с помощью приведенной фор­мулы (6.1) показала, что для RH = 150…250 мм формула дает пра­вильные результаты. Для і? н<150 мм подсчитанные значения радиуса Rlu не дают в некоторых случаях плавного сопряжения или не обес­печивают заданных значений выгиба гофра а^.

В связи с этим задача профилирования гофрированной ленты была рассмотрена более глубоко с учетом стыковки производных линии гофра в местах сопряжения радиусов кривизны. Оказалось, радиусы гн и г1н можно найти только из совместного решения двух трансцендентных уравнений:

2

Rl — 2/?н гн + 2н————— х

гн + Пн

2rH rlHRn IX» + 2(ЯН — а)] — 2гн Пн [2/?н + 2(/?н — )] +

+ rn [RH ~ (RH ~ а) ] Пі (*нПн — 2^н ) — *н *

x(RH — ai)[tfH(/?H — a])-2rH(RH

+ 4/і2(«„ — гн)2 (Ди+’ін)2 $іп2у_0;

(Гн +Г1н)

(*„ — а )2 + + 2(ЛН — «і )Пн — 2/?нг„ —

2/н/іл — 2[(/?и — ) + /jH ](/?н — rjj)cosy —0,

где y, RH и выбираются из конструктивных соображений (зада­ются). Уравнения (6.6) и (6.7) несложно решить па ЭВМ. К сожа­лению, существует диапазон параметров, когда система уравнений (6.6) и (6.7) не имеет решений. В этом случае при заданных пара­

метрах 1<н, ги и г1н не удается вы­держать размер Для этого слу­чая профилирование лепты можно осуществить в виде, показанном на рис. 6.3 — проводят окружность радиуса R* = RH — с центром в точке О|, а места сопряжения скругляют радиусом г.

В качестве радиуса г можно взять величину г1н, подсчитанную но формуле (6.1).

В настоящей работе (см. также 18|) выполнен полный анализ фун­кции ;-]н =/(гн), что дало возмож­ность создания точной рабочей ме­тодики определения геометрии гофров с помощью номограмм.

Исследования зависимости rjH = f(rH) значительно упрощается, если привести эту зависимость к безразмерному виду:

(6.8)

Для фиксированного значения параметра а = 22,5 (половина уг­лового шага гофров) с помощью компьютера были построены зави­симости rjH = /(гн) для различных значений параметра RB.

При этом диапазон изменения параметра R в исследовании нере-

птоты и точка пересечения с осью правой ветви. Рабочая часть находится между указанными точками справа от асимптоты.

В этой связи расчетная методика определения параметров сопря­гаемых гофров должна включать два этапа:

— определение значения параметра гн для асимптоты функции и

нулевого значения функции и нахождение по полученным значениям области определения функции;

— расчет параметров но формуле (6.1) в найденной области опре­деления функции. Значение параметра гн а (абсцисса асимптоты функ­ции) можно определить, приравняв знаменатель формулы (6.8) к нулю:

гна = -—J—- (йв — cos а).

1-cosa

Нулевая точка функции соответствует условию, когда числитель формулы (6.8) обращается в ноль. Отсюда находим значение пара­метра гно (абсцисса пулевой точки функции):

— _1 l + /?B-2tfBcosa

Лн0 — т ‘ „ ’

2 l-/?Bcosoe

Расчетные работы можно значительно сократить, составив номог­раммы для нахождения области определения функции Пн =/(гн)

С этой целью на компьютере были выполнены расчеты для значе­ний параметра а, реализуемых на практике: a = 30° — шестинролетпый демпфер; a = 22,5° — восьмииролетный демпфер; a = 18° — десятинролетный демпфер; a = 15° — двепадцатипролетный демпфер; a = 11,25° — шестпадцатипролетиый демпфер; a = 10° — восемнадцатинролетиый демпфер.

В качестве примера на рис. 6.5 рабочая зона (область определения функции) для параметра a = 22,5 показана заштрихованной.

Как уже указывалось выше, из прочностных соображений следует стремиться задавать значение параметра, близким по величине к зна­чению параметра R}VВ этой связи рекомендуемая рабочая зона опре­делена на рис. 6.5 двойной штриховкой.

Порядок пользования номограммой следующий.

^

1. Находим действительное значение параметра RB: Rm — ——.

RH

Рис. 6.5. Зависимости г- /(/?в) для различных значений параметра п: 1 — п=6; 2 — /2=8; 3 — 72=10; 4 — 72=12; 5 — 72=16; 6 — 72=18

2. Для заданного значения параметра а (половина углового шага гофров) находим — на рис. 6.5 правую и левую ветви номограммы.

3. Через точку Явд проводим прямую, параллельную оси ординат.

4. Выбираем на этой прямой любую точку между правой и левой ветвями номограммы.

5. Определяем соответствующее значение параметра гид и находим

*н — йщ^н ■

6. Подсчитываем по формуле (6.1) значение сопрягаемого радиуса /|Н.

Обобщая полученные результаты, можно сделать следующие выводы.

1. Приведение функции Г]п = /(‘н) к безразмерному виду предоп­ределило возможность полного анализа ее поведения в исследуемой зоне.

2. Анализ функции позволил построить простую и однозначную методику определения радиусов сопряжения гофров.

3. Предложенная методика выявляет оптимальный (с точки проч­ности лепт) профиль сопрягаемых радиусов гофров, что приводит к снижению уровня напряжений в лентах пакета и увеличению в этой связи ресурса демпфера.

Исходя из заданных габаритных размеров опор, было проработано несколько вариантов демпфирующих пакетов для опор модельного и натурного роторов ТНА.

Геометрические размеры проработанных вариантов с учетом обо­значений рис. 6.1 сведены в табл. 6.1 и 6.2.

Таблица 6.1 Геометрические размеры гофрированного пакета демпфера модельного ротора № ва­рианта расчета R В II > ММ Вн, мм Г Ц 1! > ММ ^11 У ММ Г 1 В II * ММ ПіІ» м м і 24,8 3 1,5 24 30 35,61 29,6 1 2 24,8 31,5 24,5 30,5 36,13 30,13

Таблица 6.2 Геометрические размеры гофрированного пакета демпфера натурного ротора № ва­рианта расчета R В II 9 ММ я„, мм Г В И 5 ММ г,,, мм ^ I В 11 У ММ Г | ,м ММ і 45,5 54 10 1 8 65,14 57,74 2 45,5 54 20 28 71,05 63,05 3 45,5 54 30 38 108,36 100,36

В расчетах принято, что угловой шаг гофров а=45°, число проле­тов п (число полных волн гофров) равно 8, высота гофров в свобод­ном состоянии = 1 мм, суммарная толщина пакета для модельного ротора Н = 6 мм, а для натурного ротора Н = 8 мм.

Прежде чем выбрать по одному оптимальному варианту демпфирующих пакетов для модельного и натурного роторов, необходимо было рассчи­тать пакеты лепт па прочность. Точной методики расчета па прочность лент гофрированного пакета в настоящее время не существует. Однако есть приближенная методика, которая используется па ряде предпри­ятий. Эта методика не учитывает трение между слоями пакета при расчете их па прочность. С учетом такого допущения напряжения в лептах определялись соотношениями между их кривизной в свобод­ном и деформированном состоянии. При этом за предельное деформированное состояние пакета берется такое, когда пакет полно­стью выпрямлен вибратором и его кривизна совпадает с кривизной рабочих поверхностей корпуса демпфера.

Расчетными точками для наружной ленты являются точки и а для внутренней — С и D пакета, показанного на рис. 6.6.

При изгибе балки форму ее упругой линии можно определить при помощи выражения

— = — , (6.9)

Р EJ. X

где М — изгибающий момент в данном сечении; Е — модуль упругости мате­риала; J — момент инерции попереч­ного сечения одной лепты относительно нейтральной оси, перпендикулярной к

Рис. 6.6. К расчету гоф — плоскости изгибающего момента; — — рированного демпфера на р

прочность изменение радиуса кривизны.

Максимальное напряжение при изги­бе возникает в точках, наиболее удаленных от нейтральной оси ленты:

М

Выразив і из соотношения (6.9) и подставив его в (6.10), получим:

J х

(ели

по формулам:	Eh О А = —— . 2р л ’	(6.12)
	Eh Or — 2Р в ’	(6.13)
	Eh ос =———- • 2рс ’	(6.14)
	Eh о D =——— 2pD’	(6.15)
1111 где Рл Р вР Pd	— изменение радиусов кривизны в	соответ-
ствующих точках при	изгибе лепты.

О

шах

На основании (6.11) напряжения в точках, D определятся

Рассматривая самый неблагоприятный случай, когда зазор полно­стью выбран, в точках А, В, С, D радиусы кривизны соответственно будут равны Ru, RBH + //, RH — //, RBH. Окончательно выражения для определения изменений кривизны будут иметь вид:

1	1	1
Р А	>н	;	(6.16)
1	1	1
Р В	>1н	Явн + Н ’	(6.17)
1	1	1
Р С	^1вв	«вн ’	(6.18)
1	1	1
Pd	^вн	Ru-H•	(6.19)

В качестве материала гофрированных лепт была использована сталь СН-2. При твердости HR15N 78,5—81 она имеет предел проч­ности gd = 1900 МПа и предел текучести а02 = 1760 МПа. При коэффициенте запаса прочности п = 1,5 допускаемое напряжения для этой стали равно [о] = 1173 МПа. Проведя расчеты напряжений в указанных точках многослойных пакетов с использованием допус­каемого напряжения для используемой стали, были выбраны опти­мальные варианты профилирования для модельного и натурного демпферов. Так, например, для натурного демпфера был выбран вариант № 3 (см. табл. 6.2). При этом пакет состоял из 20 лепт толщиной h = 0,4 мм. В опорах ТНА демпфер дополнительно комп­лектовался тремя гладкими лептами со стороны подшипника.

Для теоретических расчетов унрушдемпфирующих характеристик в работе использовалась созданная в СГАУ методика расчета, приведенная в [107, 131]. С ее помощью было проведено исследование влияния радиаль­ного зазора 5 на средпециклическую жесткость С и коэффициент рассеи — ваїшя |/, равный отношению рассеянной циклической энергии демпфера к величине потенциальной энергии деформации [131]. Результаты исследо­ваний показаны па рис. 6.7, 6.8. Исходные данные к рис. 6.7, 6.8: 6 = 41 мм; £ср = 39 мм; = 1 мм; h = 0,4 мм; п = 20; = 8; / = 0,1; у = 22°30′;

Е = 2-Ю4 кгс/мм. Было предложено регулировать демпфирующие и жесткостпые характери ста ки в процессе доводки машины путем измене­ния количества гладких лепт без изменения размеров опоры.

Рнс. 6.8. Зависимость коэф­фициента рассеивания демпфе­ра с гофрированным пакетом от амплитуды смещения виб­ратора и радиального зазора: 1 — 8=0,4 мм; 2 — 8=0,5 мм; 3 — 8=0,6 мм; 4 — 8=0,7 мм;

5 — 8=0,8 мм

Проведен также большой цикл экспериментальных исследований созданных опор с многослойными пакетами лепт. Для этого был со-

здан комплекс установок, позволяющий испы­тывать демпфирующие устройства с различной циклической нагрузкой, радиальными зазорами и условиями нагружения [44, 47, 56, 99J.

На рис. 6.9 показано ноле петель гистерези­са опоры с многослойным гофрированным дем­пфером, полученное для разных амплитуд цик­лически изменяющейся силы Р.

На рис. 6.10 и 6.11 показаны зависимости средпециклической жесткости и коэффициен­та рассеивания опоры с многослойным гофриро­ванным демпфером от амплитуды цикличес­кой силы. Здесь же для сравнения приведены соответствующие кривые, полученные экспери­ментально для опоры с упругим кольцом с вы­ступами (кольцо Аллисона), которое планиро­валось использовать при проектировании ТНА. Как видно из рис. 6.11, демпфирующие свой­ства опор с многослойными пакетами значи-

тельно превышают аналогичные характеристики известных упруго­демпферных опор с кольцами Аллисона.

Для повышения качества унругодемпфериых опор гофрированно­го тина была проведена работа но исследованию влияния допусков па изготовление деталей демпфирующего устройства на повторяе­мость характеристик в условиях серийного производства.

Выявлены параметры, которые существенно влияют па уровень разброса свойств. Для них были указаны оптимальные допуски па изготовление [109J. К таким параметрам отнесены радиальный зазор сI и первоначальная высота гофров а^.

Испытания ТНА с унругодемнферпыми опорами гофрированного типа па динамическом стенде в КБ «Химавтоматика», а также огневые испытания и последующие летные испытания показали высокую эффек­тивность созданных средств виброзащиты. По высказыванию бывшего руководителя КБ «Химавтоматика» академика РАН А. Д. Конопатова,

коллективу удалось получить самый «спокойный» ТНА из всех изде­лий, созданных предприятием.

На рис. 6.12—6.14 приведены фото результатов внедрения в про­мышленное производство разработок унругодемифериых опор, выпол­ненных при непосредственном участии автора.

В связи с изложенным можно сделать следующие выводы.

1. В ходе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в СГАУ были созданы конструкции высокоэффективных упругодемпферных опор с многослойными пакетами гофрированных

лент, которые обеспечили низкую виброактивность водородного тур — бопасосного агрегата.

2. На базе созданных методик проведено профилирование геомет­рии многослойных пакетов лент демпферов, выполнен цикл прочност­ных расчетов и исследование упругодемпфирующих характеристик опор. Расчеты показали, что демпфирующие свойства значительно (в 2,5—3 раза) превосходят аналогичные характеристики известных уп — ругодемнферных опор с кольцами Аллисона.

3. Выяснено, что упругие характеристики опор с многослойными гофрированными демпферами являются нелинейными «жесткого» типа. Степень жесткости опор зависит от радиального зазора и высоты гофров в исходном состоянии.

4. Создан комплекс экспериментальных стендов, позволяющий с вы­сокой точностью определять упругие и демпфирующие характеристики кольцевых опор роторов турбомашин. Стенды внедрены на предприя­тиях авиакосмической техники и в исследовательских учреждениях.

5. Опыт внедрения и промышленного применения дает возмож­ность сделать заключение о высокой эффективности разработок и рекомендовать многослойные гофрированные упругодемнферные опоры к широкому применению на железнодорожном транспорте.