Динамические напряжения в лопатках

Написал admin Суббота, 07 март 2009 12:35
  Причины, виды и формы колебаний лопаток турбин: При работе ГТУ направляющие и рабочие лопатки турбин и компрессоров испытывают вибрации, т. е. совершают механические колебания, которые считают одной из главных причин их поломок. Динамические напряжения при колебаниях создают близкие к симметричному знакопеременному циклу напряжения. Достаточно высокие частоты вибрации лопаток ведут к быстрому накоплению числа циклов нагружения и поломкам при наличии факторов, способствующих снижению усталостной прочности: коррозионных и эрозионных повреждений, забоин, дефектов материала, конструкционных концентраторов напряжений, остаточных напряжений в поверхностных слоях после механической обработки и др.
  По природе факторов, вызывающих вибрации лопаток, различают колебания: вынужденные, срывные и автоколебания.
  Вынужденные колебания связаны с воздействием переменных во времени, периодических сил, главным образом, газодинамическими и крутильными колебаниями ротора. Лопатки совершают колебания в этом случае с частотой, равной частоте изменения вынуждающей силы. Амплитуда колебаний и динамические напряжения определены здесь амплитудой вынуждающей силы, степенью близости частоты её изменения и частот собственных колебаний лопатки, интенсивностью отвода энергии от колеблющейся лопатки, т. е. демпфированием. При совпадении указанных частот и слабом демпфировании развивается резонанс с резким увеличением амплитуды колебаний и динамических напряжений.

  Срывные колебания связаны с возможными не периодическими срывами потока при режимах, удаленных от расчетных (для компрессоров - предпомпажные состояния). Частота таких колебаний равна первой собственной частоте колебаний лопатки.
  Автоколебания относят к классу явлений аэроупругости; они аналогичны по своей природе так называемому изгибно-крутильному флаттеру. Автоколебания возникают при отсутствии неравномерностей, пульсаций, срыва потока. Случайные или вынужденные отклонения пера лопатки изменяют характер его обтекания, углы атаки и силу, приложенную к перу, т.е. колебания лопатки сами генерируют периодическую силу. В зависимости от характера связи этой силы с углом атаки и соотношения упругих и аэродинамических сил колебания могут затухать или нарастать. В первом случае возникает явление аэродемфирования, во втором - самовозбуждающиеся, т. е. автоколебания.
  Прямые измерения динамических напряжений в лопатках на работающей турбомашине (например, тензометрированием) позволяют получить достоверные данные, однако, такие работы достаточно сложны и трудоемки. Поэтому необходим прогноз вероятных резонансных состояний лопаток. Отсюда вытекают две задачи: выявить причины появления возбуждающих сил; определить собственные частоты колебаний лопаток.
  Неравномерности потока, выражаемые в переменности по окружности скоростей, температур, давлений, ведут к неравномерности газодинамических сил, приложенных к лопаткам. Указанные неравномерности возникают вследствие: размещения в потоке рабочего тела различных тел ( сопловых и направляющих лопаток, стоек), которые создают за собой аэродинамические следы: наличия тепловых следов при конечном числе горелочных устройств по окружности секционных и секционно-кольцевых камер сгорания; различия размеров сопловых каналов и плохой стыковки горизонтальных разъёмов обойм и направляющих аппаратов из- за технологических погрешностей изготовления и сборки; ограниченности дуги подвода рабочего тела в парциальных ступенях; наличия окон подвода или отбора рабочего тела.
  Вследствие конечности числа перечисленных факторов по окружности турбомашин они создают соответствующее число неравномерностей потока и газодинамических сил.
  В зависимости от характера взаимного движения частей и изменения геометрической формы лопаток. Происходящих во время колебаний, различают следующие виды колебаний: изгибные, когда происходит изменение формы оси пера лопатки; крутильные, когда происходят повороты поперечных сечений пера вокруг его оси; изгибно-крутильные, имеющие место для лопаток с закрученной профильной частью. Изгибные колебания классифицируют по направлению движений лопатки: тангенциальные - в окружном направлении и аксиальные - в осевом. При количественном описании изгибные колебания характеризуют значениями отклонений точек лопатки от среднего положения, которые зависят от радиальной координаты точки, отсчитываемой от корня пера, и времени, а крутильные - углами поворота сечений. Формы различают по числу узлов, т. е. неподвижных точек на оси (неподвижных линий на поверхности) пера лопатки; первая форма (один узел), вторая форма (два узла) и т. д. Каждой форме соответствует своя собственная частота колебаний, чем больше номер формы, тем выше частота. Наинизшую собственную частоту с одним узлом называют основным тоном колебаний.




 

Динамические напряжения в лопатках  


Рис. 1 Формы колебаний лопаток: а - изгибные; б - крутильные; 1 - первая форма; 2 - вторая форма; 3 - третья форма. 

  При колебаниях тонких гибких лопаток на высоких частотах обнаруживают особые, пластиночные формы.
  Наиболее надежно формы колебаний и соответствующие им частоты можно определить лишь экспериментально при искусственном возбуждении лопаток с помощью электродинамических вибраторов с регулируемой частотой возбуждения. Картину узлов при таких исследованиях можно выявить либо с помощью пьезощупов, перемещаемых по поверхности лопатки, либо с помощью тензодатчиков, наклеиваемых на лопатку, либо путём освещения стробоскопическими лампами.
  В последние годы появились новые голографические методы, достоинство которых в возможности наблюдения мгновенной картины узлов в реальном масштабе времени и фиксации процесса с помощью скоростной съёмки.
  Некоторое влияние на изгибные СЧК вращающихся лопаток оказывают центробежные силы, приложенные к рабочей части лопатки. При колебаниях центры масс поперечных сечений пера отклоняются от радиальной оси лопатки, а центробежные силы создают моменты, возвращающие перо лопатки в исходное положение, уменьшая отклонения и, увеличивая эффектную жесткость, что повышает СЧК. Это явление аналогично известному факту повышения тона звучания струны при е натяжении.



 Напряжения в колеблющейся лопатке и методы их уменьшения.

 

  Изгибающий момент максимален в тех случаях, где линия прогибов лопатки имеет наибольшую кривизну.
   Эпюры изгибающих моментов для разных форм колебаний и способы закрепления концов показаны на рис. 2.


 
Динамические напряжения в лопатках
 
Рис.2 Эпюры изгибающих моментов при колебаниях лопатки с защемлением в корне: а — перефирия свободна; б — перефирия шарнирно опёрта; 1 — первая форма; 2 — вторая форма; 3 — третья форма.
  
  Увеличение жесткости сечений рабочих лопаток наименее целесообразная мера, так как при этом возрастают массы и центробежные силы лопаток, увеличивающие нагрузку на диск, и к тому же, происходит изменение изгибных и крутильных СЧК, т.е. нарушается частотная настройка лопаток.
   Ослабление возбуждающих сил может быть достигнуто: уменьшением тепловых и газодинамических неравномерностей по окружности потока за счет настройки секций камер сгорания, утонения выходных кромок направляющих лопаток и стоек, увеличение осевых зазоров; введением тангенциального навала и разношаговости сопловых лопаток (последние два мероприятия де синхронизируют возбуждающие силы в разных сечениях по высоте лопаток и по окружности ступени).
Введение бандажной полочной связи (переход от свободной вершине к опертой) уменьшает напряжения в четыре раза. Однако ведение связей и чистое демпфирование в большинстве случаев трудно чётко разграничить. Поэтому целесообразно говорить о различных видах демпфирования: материала, конструкционного и аэродемфирования, реализующих различные формы трения (внутреннее, между конструктивными элементами и на границе рабочее тело - лопатка).
  Поглощение энергии колебаний в материале происходит за счёт пластических деформаций микрообъёмов, а выделяющаяся при этом теплота рассеивается теплопроводностью. В ферромагнитных материалах возникает кроме этого взаимодействие доменов за счёт их смещений при механических деформациях, также поглощающее часть энергии колебаний. Демпфирование материала характеризуют декрементом колебаний, который зависит от вида материала, его структуры, определяемой термообработкой (закалка понижает декремент).
  Аэродемпфирование возникает вследствие ряда явлений: изменения угла атаки профиля при колебаниях; излучения энергии в форме акустических волн и трения в нестационарном пограничном слое.
   Наиболее важную роль играет конструкционное демпфирование, т. е. трение между элементами конструкции лопаток и дисков и специально введёнными связями. При этом в большинстве случаев происходит изменение СЧКлопаток.
  В лопатках без связей конструкционное демпфирование обусловлено трением в хвостовых соединениях. Более выгодные с этой точки зрения хвостовики, обладающие подвижностью (при отсутствии движения работа сил трения равна нулю) и большим числом контактных элементов: шарнирные, ёлочные. Положительные качества последних проявляют себя не всегда вследствие неравномерной нагрузки зубьев из-за технологических погрешностей и несогласованности термических расширений диска и хвостовика лопатки. Для обеспечения подвижности соединения при действии центробежных сил рекомендуют вводить в них твёрдые смазки (например, дисульфид молибдена).
   Известно большое число примеров конструкционного демпфирования в форме бандажных связей. Их можно разделить на ряд групп: полочные бандажи, изготовляемые заодно с пером лопатки (периферийные, срединные); проволочные (стержневые, составные - из двух половин, трубчатые) ; бандажи со вставками (проволочными, трапециевидными).
   Полочные бандажи различают по форме стыка полок соседних лопаток: фигурные z -образные и косые предпочтительнее прямых, поскольку площадь контакта и работа трения в них больше.
   Полочные периферийные бандажи улучшают экономичность ступеней за счёт уменьшения протечек рабочего тела через радиальный зазор, а проволочные ухудшают.
   Для облегчения сборки полочные бандажи выполняют с зазорами на стыках полок соседних лопаток, которые исчезают при вращении ротора вследствие раскрутки пера под действием центробежных сил.
    Все виды бандажей увеличивают статическую нагрузку на перо лопатки, хвостовое соединение и диск за счёт увеличения вращающейся массы.
   Несмотря на перечисленные меры, динамические напряжения могут оставаться достаточно большими. Их опасность оценивают по запасу прочности, где в качестве допускаемого напряжения принимают предел выносливости при симметричном цикле напряжения.
  Для предотвращения разрушающего действия динамических напряжений применяют мероприятия, повышающие усталостную прочность лопаток: устранение конструкционных и технологических концентраторов напряжений; введение мер по улучшению состояния поверхностного слоя лопаток; шлифование, пневмо и гидродробеструйное упрочнение, ультразвуковая обработка микрошариками. На участки трения контактирующих деталей из материалов, склонных к фреттингкоррозии (например, титановых сплавов), наносят пластичные покрытия (меднение, серебрение).
   Окончательное суждение о динамической прочности лопаток и эффективности мероприятий по снижению динамических напряжений можно сделать лишь по результатам виброусталостных испытаний лопаток на стендах и испытаний на натурной ГТУ.

 
Динамические напряжения в лопатках

 
Динамические напряжения в лопатках  
 

Из рефората студента Горбача Ю.Б.  УГТУ-УПИ 1998

 


Нашли ошибку, выделите её , нажмите ENTER+CTRL и предупредите администратора.
Рейтинг статьи
(1 Голосов)

Похожие новости

  • #1 Воскресенье, 19 февраль 2017 21:39 написал Jek

    После измерения динамических напряжений,и предела выносливости рассчитаются запасы динамической прочности. Которые регламентируются Нормами прочности.

    Цитата  

Оставь комментарий

Обязательно заполните поля с пометкой (*).

  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent

Подпишись

Ваш кабинет

Спонсоры

» » » Динамические напряжения в лопатках

Подпишись на новости

Хотите быть в курсе событий на сайте.
Подпишитесь на новости.

Подписка на новости от www.turbinist.ru

Статистика

Анализ веб сайтов

Рейтинг@Mail.ru