Анализ методов снижения потерь мощности в компрессорной крыльчатке при балансировке ротора турбогенератора на рабочей частоте вращения

Рассмотрены проблемы проведения натурных испытаний, в том числе балансировки ротора газотурбинного двигателя совместно с корпусными деталями. Так как при проведении балансировки необходимо максимально отдалить собственную частоту колебательной системы от частоты дисбаланса испытаний, балансировать рекомендуется на рабочих частотах ротора без статорных деталей, формирующих проточную часть компрессорных и турбинных ступеней. Следовательно, при проведении испытаний или балансировки потребуются большие мощности, расходуемые на совершение работы вентилирования воздуха, а также работы против сил вязкого трения. Одной из основных проблем является необходимость обеспечения газодинамического или балансировочного стенда значительной приводной мощностью, что накладывает строгие требования и усложняет его конструкцию. Предложены методы снижения мощности для проведения балансировки ротора газотурбинного двигателя в сборе с корпусными деталями. Один из таких методов, а именно балансировка в кожухе рассмотрен более подробно. Разработаны и исследованы несколько вариантов таких кожухов, для каждого из которых получены значения требуемых приводных мощностей. Исследования выполнены методом математического моделирования процессов течения газа в расчетной области, образованной рабочим колесом и внутренней поверхностью каждого варианта кожуха. На основании анализа расчетных данных разработаны рекомендации, позволяющие значительно ускорить балансировку ротора газотурбинного двигателя и снизить ее стоимость.

Литература

[1] Hughes M. Challenges for gas turbine engine components in power generation. Procedia structural integrity, 2017, no. 7, pp. 33–35, doi:10.1016/J.PROSTR.2017.11.057

[2] Косой А.С., Попель О.С., Бесчастных В.Н., Зейгарник Ю.А., Синкевич М.В. Газотурбинные установки малой мощности в энергетике: пути повышения эффективности и масштабов внедрения. Теплоэнергетика, 2017, № 10, c. 25–32, doi: 10.1134/S004036361710006X

[3] Косой А.С., Монин С.В., Синкевич М.В. Современные подходы к исследовательским работам при создании микротурбинных энергетических комплексов. Вестник Концерна ВКО Алмаз-Антей, 2018, № 1, c. 72–79.

[4] Batenin V.M., Alekseev V.B., Zalkind V.I., Zeigarnik Y.A., Kosoi A.S., Nizovskii V.L. Power increasing reserves in gas-turbine unit-based independent power units. Doklady Physics, 2015, vol. 60, no. 4, pp. 164–166, doi: 10.1134/S1028335815040084

[5] Левит М.Е., Рыженков В.М. Балансировка деталей и узлов. Москва, Машиностроение, 1986. 248 с.

[6] Foiles W.C., Allaire P.E., Gunter E.J. Rotor balancing. Shock and Vibration, 1998, vol. 5 (5–6), pp. 325–336.

[7] DellaCorte C., Lukaszewicz V., Valco M. J., Radil K.C., Heshmat H. Performance and durability of high temperature foil air bearings for oil-free turbomachinery. Tribology transactions, 2000, vol. 43(4), pp. 774–780, doi: 10.1080/10402000008982407

[8] Frechette L.G., Jacobson S.A., Breuer K.S., Ehrich F.F., Ghodssi R., Khanna R., Epstein A.H. Demonstration of a microfabricated high-speed turbine supported on gas bearings. Proc. of Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, 2000, pp. 43–47.

[9] Boyce M.P. Gas turbine engineering handbook. Elsevier, Butterworth-Heinemann, 2011. 1000 p.

[10] Smith R., Mobley R.K. Industrial machinery repair: best maintenance practices pocket guide. Butterworth-Heinemann, 2003. 560 p.

[11] Kalashnikov D.A., Pugachuk A.S., Chudotvorova E.O., Chernyshev A.V. Determination of power loss in compressor stage of turbogenerator in dynamic experiments. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering, 2018, vol. 2, no. 3, pp. 21–25, doi: 10.25206/2588-0373-2018-2-3-21-25

[12] Galerkin Y., Popov Y. Optimal primary design of industrial axial compressor flow path. Institution of mechanical engineers — International Conference on Compressors and their Systems, London, 07–09 September 2009, London City University, 2009, pp. 64–68.

[13] Hagelstein D.H.K.V., Hillewaert K., Van den Braembussche R.A., Engeda A., Keiper R., Rautenberg M. Experimental and numerical investigation of the flow in a centrifugal compressor volute. Journal of turbomachinery, 2000, vol. 122(1), pp. 22–31, doi: 10.1115/1.555423

[14] Moore J., Moore J.G., Timmis P.H. Performance evaluation of centrifugal compressor impellers using three-dimensional viscous flow calculations. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1984, vol. 106(2), pp. 475–481.

[15] Косой А.А., Калашников Д.А., Синкевич Е.М., Романенко А.А. Способ испытаний малоразмерных турбин и испытательный стенд для его реализации. Патент РФ № RU2686234С1, 2019, бюл. № 12.

[16] Шаблий Л.С. Метод и средства газодинамического проектирования и доводки выходных устройств центростремительных микротурбинных приводов. Дис. … д-ра техн. наук. Самара, Самарский ун-т, 2012.

[17] Матвеев В.Н., Шаблий Л.С., Кривцов А.В. Опыт применения стереолитографических моделей при газодинамических исследованиях. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, 2015, № 14, с. 296–304, doi: 10.18287/2412-7329-2015-14-3-296-304

[18] Michaud M., Milan Jr P., Vo H.D. Low-cost rotating experimentation in compressor aerodynamics using rapid prototyping. International Journal of Rotating Machinery, 2016, vol. 2016, ID 8518904, doi: https://doi.org/10.1155/2016/8518904

[19] Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений. Санкт-Петербург, Балт. гос. техн. ун-т, 2001. 108 с.

[20] Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений. Санкт-Петербург, Из-во Политехнического университета, 2012. 88 c.