автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Исследование аэродинамических сил, вызывающих автоколебания ротора, выработка рекомендации по повышению виброустойчивости без снижения экономичности турбомашин

О _ ч со О — >) '.3) о.

Тум'.'^'.я-

"осу;.»гШ;КС0СКИЛ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ.

»

ЗИССЫи'-:*

На правах рукописи

ЧИСТОВ Андрея Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ. ЬЫЗЫВАПЦИХ АВТОКОЛЕБАНИЯ РОТОРА. ВЬ'РАЕ' "^ОМЕНДАШИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ВИБРОУСТОИЧИВОСТИ БЕЗ СШШМЯ " "'ОСТИ ТУРБОМАШИН.

ешцаальность- 05.04.12. Турбомаязпи я турбоустаноиш

/

^ [

Авторэфврат диссертации на соискание ученой стопэни кандидата тэитвских наук

йосква 1993

- г -

Работа выполнена на кафедре паровых и газовых турбин Московского орлмш Ленина и ордена Октябрьской революции ^'¡арготического института.

НзучниЯ руководитель: доктор технических наук профессор Костик А.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук зав.лаб. Плоткян Е.Р. кандидат технических наук нач.лаб. Кирвхин A.B.

Ведущая организация: МПО энергетики и электрификации "Мосэнерго"

Защита состоится "" мая 1993 г. в час. 00 мин. в аудитории Б-409 на заседа1ши специализированного Совета К-053.16.05 Иоскосского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 105835 ГСП, Ыосхва, Е-250, Красноказарменная ул. д.14, Ученый Совет МЭИ.

, С диссертацией коего ознакомиться о библиотека МЭИ.

Автореферат'разослан " U " кХ./>/»/<<_ IS93 г.

/

Ученый секретарь' специализированного Совета

к.т.н., с.н.с. ■— А.И. Лебедева

- л -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность работы. Прогресс в турбостроении сопровождается возрастанием требований к обеспечении динамической надежности турбоагрегатов. Общие тенденции развития: рост единичной мощности и повышение параметров рабочего тела, с сохранением массогабаритных показателей, - Еедут к увеличению энергоннгружегаюсти ротора. При этом возможно появление автоколебаний ротора - низкочастотной вибрации (НЧВ). Имеющиеся расчетное метода позволяют проведать анализ устойчивости ротора на стадии проектирования. Однако, погрешность ощм-деления границы устойчивости сильно заьигит от достоверности сведений об уровне поперечных аэродинамических ьозбуадащих сил на венцах рабочих колес (венцовне силы - ВС) и в лабиринтных уплотнениях (АС).

АС в уплотнениях интенсивно изучаются экспериментально и теоретически. Теоретически** исследования АС характеризуются усложнением расчетной модели. Анализ имеющихся расчетных методик, с ■ «пени их согласования с экспериментальными даншми является актуальным. Непосредственное использование методик определения АС, при анализе реальных объектов, затруднительно. В этой связи представляет практический интерес упрощение существующей методики (не в ущерб достоверности результата).

Экспериментальные данные по ВС, ввиду сложности объекта исследования, недостаточны. Необходик» экспериментальное подтверждение существующих расчетных зависимостей.

Анализ устойчивости турбоагрегата предполагает проведение многовариантных расчетов. Пример системного подхода, включающий оптимизацию уплотнений проточной части по экономичности и виброустойчивости, типов подшпников и проч., представляет несомненный интерес.

Большинство мероприятий по устранению НЧВ связано о ухудшением показателей экономичности. В атой связи является актуальной разработка конструкций уплотнений, отличающихся низким уровнем аэродинамического возбуждения и приемлемой экономичностью.

Цель диссертационной работы:

1. Реконструкция экспериментального стенда "Обращенная турбина" (ОТ) для широкого исследования венцовых сил;

2. Экспериментальное исследование ВС з ступени с уплотнениями различной конструкция;

2. Сравнение экспериментальных результатов по ВС, о расчетными.

4. Реализация усовершенствованной расчетной м*годики па определению АС в уплотнениях на базе "дискретной" модели;

5. Реализация "континуального" варианта методики расчпта АС;

6. Сопоставление имешихоя методов расчета АС и экспериментальных данных;

7. Расчетное исгле домни« влияния конструктивных и аксплуатацион-кых Факторов на устойчивость и экономичность конкретной тур'^м-исикы.

Научная новизна диссертационной работы заключается ь сл^дуни^м:

1. Выполнены экспериментальные исследования ЗС от утачки через надбандагаше уплотнения.

2. Проввдрно сопоставления расчета ВС по разным методикам с полученными экспериментальными данными.

3. Разработаны программ« для ПЗВМ по определени» А". В оонону алгоритмов положены усовершенствованная "дискретная" и "континуальная" модели течения среда в уплотнениях.

4. Проведено сравнение результатов расчета АС в уплотнениях по различном методикам с имевдимися экспериментальными данными.

5. Выполнено расчетное исследование динамических свойств валоиро-вода новой турбомагаины мощностью 320 ЦЗт. На основе проведенных расчетов разработаны рекомендации по повышению виброустойчивости ротора и экономичности турбоагрегата.

Достоверность я обоснованность результатов.

Достоверность экспериментальных данных обусловлена: соблюдонием необходимых условия подобия I»дели натурному явлению; применением отлакегаюЗ и отторироваиной системы измерений; повторяемостью тарировочшх зависимостей; оценкой погрешности полученных результатов; удовлетворительным согласованием расчетных и опытных данных.

Достоверность полученных теоретических результатов обосновывается; применением расчетных моделей, учитывающих реальные физические процессы; согласованностью тестовых и сопоставительных (по другим методикам) расчетов.

Практическая ценность работы:

Г. Экспериментально подтверждена правомерность щшонения методики расчета ВС от утечки через надбаядамшо уплотнения.

2. Разработана программа расчета АС на базе усовершенствованной "дискретной" модели, которая применяется при обработке эксперюдента-льных данных и при расчетах АС в реальных турбомашинах.

• 3. Предложены соотношения для расчета АС в многогребенчатых уплотнениях на базе "континуальной" математической модели. Их использование, при анализо устойчивости валопроводов турбомашин, упрощает задачу и дает существенную экономию машинного времени. . 4. Выполнен расчетной анализ динамических сьойсть валопровода тур-агрегата мощностью Я20 МВт. Нн основании проведенных расчетов разработаны рекомендации, позьолямцие повысить вибронадежность ротора и экономичность турбины. Предложенные КОНСТРУКЦИИ ступеней и уплотнений отличиютия низким урс-^.ним аэродинамического возбуждения, при повышенной ЭКОНОМИЧНОСТИ.

Личный вклад автора в решение проблемы заключается в следу щем:

1. Проведении обзора литчрчтуры и анализ опубликованных данных.

2. Выполнение нроектно-кинотрукторских и монтакно-няладочньх работ по модернизации стенда Г,Т.

3. Проведение всех экспериментов на стенде ОТ, представленных в настоящей работе ; обработка экспериментальных данных ; р,.счеты ВС; оценка погрешности результатов измерения.

4. Разработка и отладка программ: обработки экспериментальных данных но ВС, расчете АС по "дискретной" и "континуальной" методикам.

5. Сопоставление и анализ результатов экспериментальных и расчетных исследований АС в уплотнениях.-

6. Расчетное исследование динамических свойств валопровода турбоагрегата 320 МВт.

7. Разработки (в ооаьторств*») конструкций стабилизирующих устройств.

8. Анализ результатов работы и вывода. ^

Автор защищает: разработку конструкции подвески рабочего колеса ОТ, результаты экспериментальных исследований ВС, методики обработки и оценки погрешности экспериментальных данных по ВС, результаты расчетного исследования АС, результаты расчетов турбины 320 МВт на устойчивость, разработенные конструкции стабилизирующих устройств.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Республиканской научно-технической конференции. "Математическое моделирование и вычислительный эксперимент для соь'зрпенствования энергетических и транспортных турбоустановок в процессе исследования, проектирования, диагностирования и безопасного функционирования.", Харьков, 1991 г.; на семинаре по проблемам динамики и прочности турбомаиин на кафедре паровых и газовых турбин МЭи, Москва. 1992 г.: на заседании кофэдры паровых и газовых турбян МЭИ, Москва, 19Э2 г..

- G -

Лу-тлшж;. vckoêkuç результата .■r.'i.v.-im г ргмт'лх

il:... 13).

„тсуктурз и соъеи работа. Диссертгц;?.•«.!!:.?. рчботз :qct::it ;:з введения; четырех «ras: закличенгя: спкскэ л/.т-грутуры. ?клкч'.»гем,о ïii наименования: хзлоюиэ нэ IW страниц* маак«::го текст-:. к? них Г/ с таблицами, Ы с рисунками,

fАс' :ь

.Во введении ооосясеанз актуальность гибранн:?. т-у:;.

В первой главе выполнен обзор литературных ист-:чнлк-ь, п. .-^л^н-

ЯШС ЯССЛ9ДОЕЗНКЮ ЗЭрс.ИШЗМКЧеЗКИХ сил, ьызивзмшх ^ьтокол?: ания р.- • тора. Приведена классификация аэродинамических сил: .ни лодрйзделя-ятся на:

а) АС ь лабиринтных уплотнениях. Возникают из-за неравномерного распределения давления по округлости камер уплотнения. вызываемого нарушением осесшлвтричного течения пара:

0) ВС на рабочих лопатках; обусловлены переменной но окружности фоктивностью рабочего колеса, вызываемой, в основном, динамической неравномерностью протечек пэра через уплотнения ступени.

Разработке и совершенствованию методов расчета АС посвяяеш работы Дх.Олфэрда, А.Г.Коствка, В.И.Олимпиэвз, С.Ш.Розенберга, Г.Томаса, В.Г.Орлика, К.Урлкхса, Л.Гаука, Т.Ивацубо, Г.Виссманна, Д.Чайлдсэ, Д.Шэррерэ и др. Соотношения Лг.илфораа, разЕ;!ВЭЕЩиеся впоследствии некоторыми исследователями, не получила экспериментального подтверждения, поскольку не учитывают начальную закрутку перед уплотнением я ряд других факторов. Развитие методик расчета АС отличается все -более полным учетом параметров реального процесса в уплотнениях.

Сформировалось два подхода, при опрелэленж АС. верный основал на использовании дифференциальных уравнений течения rasa в колыивйу каналах уплотнения. Он бил предложен л.Г.Костккем. Впоследствии развивался А.Г.Костяком, э.И.Ояипяейм и др.: был использован в исследованиях Г.КЕйцуоо. Г.Бкссманна, Я.Чзйлдса, Дк.шэррера, М.Бзум-гарткера н др. Второй подход использует теорию струйного течения, при моделирования нестационарного процесса в уплотнении, сн был предложен С.Ш.Розекоергоя и затем развивался в работах К.Урлкхса к Л.Гаука. а дальнейшем общепринятым, ввиду ряда преимуществ,стал считаться первый подход. Однако, недостаточная количественная согласо-

ланность с чкгиеркм1-нт1ми ньялиоь стимул.« к дчльн^йи.-му соь.-ри1чне-тьчьйнип магматической м.'д'-ли. Так, Т.Иьацуло, Г.Виссманн и, ьпео-дедстьии Л-к.Ширрер пр^длиили "дьухслоЯнуи" модель тич-ния о^дн >< нрйМою«1Шх уплотнениях, гд* к^ра уплотнения делится ил дьч контрольных объема: "струЯнп-р^гходннй" и "кямнрньй". Дня лучшего согласования с 5.кен*рим>-нг»»ми ьк.догя ряд аналитически и г-лс.ирически

017реДИ.ПЯ>-МЦ>1 ».;фЧКТ»р ТнЧ^-Н^'1 Ср^ДИ н УПЛ'ЧНР-

1П5И учитыьетоя в работах А.Г.Костика, Т.Иьацубо,. Г.Виосманнн, Л». Еэррера. Сравнительный анализ степени согласования кмещихся методик с экси-зркминтом представляет ипсмнячний интерес. А.Г.Костгком мат*-ыатичеокан модель точения в уплотнении била сформулирована & двух ьчриантах:"дискретном"(который развивался и совершенствовался ь последующие года) и "континуальном"; "континуальный* ььриант модели не разрабатывался.

Экспериментальны* исследования АС проводились О.Ш.Рс-зонбвргом, В.Г.Орликом, А.Г.Костюком, А.В.Кирюхюшм, В.И.Олимпиевнм, ".Г.Крупские, Г.Бункчргом, И.Вахт^ом, Д.РйЯточ, Р'-Вреуном, С. А ."«»рчовчм, Н.В.Кльмкным, Р.Н.Питруниннм; Б группах под руководства Т.ИвацуЯо, Д.ЧаДлдса, Г.Виссманна и др. Большинство исследований выполнено на упрощенных моделях уплотнений ь статических условиях и г ни:<к;ллт па-раме тремя средн. Исследования, где колебательный процесс моделируется з динамики и достигаются достаточно высокие часлэ Рейнольд™, били проведены в последние ¡^ди.

Венцовые силы изучались Г.Томасом, X. У р лих сом, Л.Гаукои, А.Г.Кос-тетоя, В.И.Олимпиввым. И.А.Ковалевым, Ю.В.Ржезникрвта, С.А.Прохоровы;», С.А.С-ерковым, В.В.Наумовым и др. Экспериментальные исследования венцових сил весьма ограничены. Разработанная Б !Ш методика расчета ВС требует экспериментального подтверждения.

На основания анализа опубликовании работ оХормуляровянн задачи исследования.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию ВС. Цель аспытаний - экспериментальная проверка существугщеЯ расчетной методики определения ВС. Формула А.Г.Костшо для определения жесткости ВС (1 от утечки че;яз иодбандакное уплотнение имеет вид:

В 4

Г { ^ с

Г - , е- - ,

- е -

где Щ -эксцентриситет: Рр-№нцовая сила;?,,!', - давление и удельный обмм пара пчред уплотненном; Р2~ дэы1*ние паря за ступенью; и С?и - окружные составляющие скорости пара на выходе из сопл и за ступенью; - периферийный радиус уплотнения; - коэффициент рас-расхода для щелей группы £; г^ -число гребней б группе £; г.,- число радиальных гребней; (5, -номинальный зазор дали для группы !.

Исследования проводилсь на установке, представляющей собой обращенную воздушную вакуумную турбину. Ротор установки консольного типа, съем мощности и точная регулировка частоты вращения проиььодит-ся лопастным гидротормозом. Ступень ОТ состоит из нчлравлячцих лопаток- с переменным углом установки; установленных на диске ротора сопловых лопаток и рабочих лопаток, набранных в нвЕращаыцяйся диафрагме (поз.4 на Рис. I). Диафрагма подвешена в корпусе турбины, эксцентриситет задается при помощи механиама, смещающего диафрагму 4 из' центрального положения. Схема подвески диафрагмы показана на Рис.1. Поперечные усилия, действующие на рабочее колесо, определяются по сигналам с тензодатчиков, помещенных на плоские пружины 2,3. Пружинная подвеска состоит из 4-х пер плоских прукин. Вертикальные усилия, действующие на рабочее колесо, вызывают деформацию изгиба пружин 2, горизонтальны? - пружин 3. Это дает возможность измерять радиальные усилия, действующие на рабочее колесо при расцентровках.

ВС определялась как разность меаду суммарным поперечным усилием, перпендикулярным эксцентриситету, и неконсервативной составляющей АС в надбандажном уплотнении (получаемой интегрированием распределения давления в камерах уплотнения). Относительная погрешность экспериментальных данных находится в преде пах в-16%, согласно выполненной оценке. Погрешность определения расчетного значения венца вой силы оказалась равной 14%.

Исследованные уплотнения и зазоры в них представлены на Рис.2. ВС (измеренная и расчетная) представлялись в виде функции от эксцентриситета Я рабочего колеса из центрального положения, при фиксированных режимных параметрах <У/С{, еот) для каждой конструкции уплотнения. При варьировании режимов работы ступени, в качестве функции от У/С{ принята приведенная жесткость ВС:

Л « —^— (2)

В »•^•"ст

где Яст- средний радиус ступени. Измерения проводились при (¡иксиро-

р __ -

ванных' значениях перепада т ступень ест- 2/р0 (Рс- давление полного торможения ступенью).

1 - индикатор;

2 - пружины вертикального ("консервативного") направле-

ния;

3 - пружины горизонтального ("неконсериативкого") на-

правления; 4- рабочее колесо; о - кольцо;

6 - кольцо промежуточное;

7 - направлявшие.

РисЛ. Схсет подпески рг.Оичого колоса "ОбргцонноЯ турбииьГ.

б;

У

г)

а.

аттгть

Рис,2. Исследованию уплотнения.

Некоторые результата испытаний представлены но Рис.3,4. Наилучшее согласование эксперимента с расчетом получено для уплотнений Рис.2 бив. Расчет по Формуле Г.Томаса такке хорошо согласуется с экспериментом, даваемая по ней оценка идет в аапос надежности. Результаты экспериментов с прямоточным уплотн*чмм представлены но Рис.4. Расчет по формула Томаса дчет завышенное значение ВС (так как при ее выводе не учитывалось возможное влияние уоевнх греСн>*Д). При расчете по формуле А.Г.Костюка имеется некоторая неопределенность в определении коаф1ициент8 расхода через осевой гребень . Сплошной линией показан расчет в предположении ц0 =0.5, пунктирной - в предположении ц0 «0.715. Особенности конструкции и назначения ОТ не позволяют проведения специального эксперимента по измерению ко^Д/циен-та расхода через отдельные гребня уплотнения. В целом согласование экспериментальных к расчетши данных по РС можно признать удовлетворительным.

в

А А

А л

А

Л Л Л 6 Л

% 4-Х

г;г ц'/ а? а.г <и 09

.,1 » »- з/,отел/лее "лт*./ /уч/ £,Г.*Г>.&{:

{¡///ш///7(/\--расчеты по гъпчупгг ({), (2)лр<1

' 1,1 ¿иЬ д л л д - ъкспссипенюы про

-----течём* по о^ш'упл.ч \с),&)гуп (гг-О.ЯИ

Рис.З. Результаты 1:.?оледорам!1я вшповой силы с уилотнениеч "С".

О

£

/25

цо о,г о/, о.о аз (о а га пи «г

д ада " ЗКСпсримснти при йл&л - экспериментыпги £„*0$3;

Рпсчёт по Г. Тан ¿с а;

"--ппечопы поъагнуплн (/)/?);

"—Рпсчопи по чютчллн ({), ¡3} & прсёпое.-. у«-к и и //.-О,

Рис.'К рйзультятч !*ССЯвДГ,*'',ШЧ МЧЦ'ЯГЯ V..' >1 "ПЛ-'Ч.-'Я'-Д "".".

Л

В третьей главе рассмотрены усовершенствованный "дискретный" и "континуальный" варианты математической модели течения пара в лабиринтных уплотнениях. В уравнения дискретной модели введены соотношения, учитывающие вихревой характер течения потока в камерах уплотнений. Приведено решение задачи для случая круговой прецессии ротора. Алгоритм решения представляет собой последовательность операций о матрицами. По изложенной методике автором была разработана программа для ПЭВМ.

От дискретной (обобщенной) модели мохно перейти к континуальной форме, приняв, что число гребней в лабиринтном уплотнении достаточно велико, так что шаг уплотнения а можно отождествить с малым отрезком вдоль оси вала дг. При этом все конечные разности в системе дискретных уравнений заменяются дифференциальными величинами. Система уравнений в континуальной форме имеет вид:

Л

32

О(р-Ъ) д(р-С-Ъ) ♦ - +

ОС

а

+ С.

дх

во q — + —

дх р-&

О,

дС дг

дР дх'

Я - - ц.й./-2.р.з.\§\ в1еп\Щ,

(3)

Р * р'Н-Т (Т-сопа}).

где р -плотность, Ь - высота камеры уплотнения, I - время, С - окружная скорость потока, х -координата по окружности вала, погонный расход, г - координата вала, Р - давление, и - окружная скорость поверхности вала, соотношения и *г,(и_с)2,Хг учитывают трение потока о статор и ротор, х8 и %г режимные пара»*етры при помощи которых

учитывается вихревое течение в камере уплотнения, 0 - зазор в уплот--0.5

негаш,. • (ВТ) - приведенный коэффициент расхода, Я - газовая постоянная, Г - температура,.в - шаг уплотнения (см. Рис.5 и 6.). Входящие в (3) параметры выражаются как су«мк

Р - Р, ♦ Р.

в » С,

С

+ э, ь

с, * с,

0 * я. |

(4)

Р ' Р, * Р> Я

„ , „ - Ь +0. где звездочкой помечены значения при осесимметричном течении, знаком " - малые отк. .нения этих параметров по окружности, при возмущении. После подстановки (4) в (3) и линеаризации, система (3) тгиобретаот вид:

ь

во ~ьГ

р.-К

Ог

дЬ

кс) - а0

7,

я,

я.

д(Р,-Р) Ох

д(Р,-Р)

А.

= А,

оь ~бт

5

О?

(5)

где внедри оператор :

о г

Ох

Р.-

Ог

* А

1 •

(6)

А^, А2, - Функции от 2, выражаемые через параметры невозмущенного движения.

Уравнения для осесиммвтричного течения (7) и (Я) позволяют опГ-ределить параметр» при центральном положении ротора:

Уравнение расхода :

(7)

(8)

Уравнение количества движения в окружном направлении:

' __ъ.

ей

Далее из уравнений (5), последовательно исключив^ и С, получается одно уравнение относительно функции ф - ? •Р. При этом пряд-

д .3 т _ г, 9

полагается, что операции и Ъ переставим!, ~Пг " " , т-

поскольку коэффициенты, входящие в в'фяжение (6) не зависят от х.

Система (5) сводится к одному дифференциальному уравнении третьего порядка в частных производных, содержащему одну неизвестную Функцию ф(х,г,П:

3<3

+ В-

<5эф аф-эс2

+ с-

а3ф

ат-аг

+ о-

<зс?-

+ б-

агф

а

' + эфт"" р^-^с.ф.-о о)

где А, В, С, Е - переменные по г коэффициенты, определяемые по параметрам невозмущенного движения, т и С соответственно безразмяр-ные время и координата вдоль уплотнения, ф - угловая координата, радаус вола. Задание соответствующих начальных и граничных условна замыкает задачу (Э> о теч«нии пяр% в уплотнениях.

Для многогр^бенчатнх уплотннний нет нчО'Чу.дщ^'-..- ги в т- чп ^ р-г--

)Ши (9). Достаточно ограничиться простейшим приближенным решением, отбросив члены с Л, В, С, Г/, К, на том основании, что вг* »ти ичаф-ймциенти на два порядка м^ныь« единицы. Зто значит, чго граничные условия оказывают существенное влиянии на решение только ь узкой зоне около концов уплотнения и "эЭД^кт концов" очень быо-г|о затухает. Такой подход позволяет получить простои рниение. Для 'сличая круговой прецессии:

R

Ч'1

1

•J

сг>

..■"„Л J

dt.

(TO)

где

л1= *s»

- '/,

/ ). V

С-"у г.

я. Q

консервативная и неконсервативная жесткости, I - длина угь лотно! ¡я, индекс "о" относится параметрам на входе, а "Iна выход« из уплотнения.

Таким образом, для решения задачи нужно численно принтегриро-вать уравнение (8) для определения Распределение давления

вдоль уплотнения можно найти из (V). После чего следует численно взять интегралы (10).

Сравнительные расчеты по двум вариантам методики (дискретному и континуальному) были проведены на примере диафрагменного уплотнения ступени Яг турбгош К-320-23.5. На Рис. 5 представлено сравнение результатов расчета по двум вариантам методики, варьировалось число гребней в уплотнении. Видно, что с числа гребней, большего 10, наблюдается хорошее согласование по обоим составляющим силы реакции. Аналогичное сравнение по начальной закрутке также дало хорошие результаты. На Рис.6 представлено сопоставление различных методик с экспериментальными данными. Результаты многочисленных расчетов, некоторые из котфых приведены на Рис.С>, 6 показали:

Дискретная, континуальная и "двухслойная" модели удовлетворительно согласуются между собой. По неконсервативной составля№"й АС достигнуто удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными. Теория не согласуется с рассмотренными экспериментами по консервативной составлять. Континуальная методика может быть рекомендована для определения АС в уплотнениях, где число гребней больше 10.

Н' ч

По

Ц'<

о.о

X)

О ю7 /1> — 0«^ N

/ -- А }—0

/ А

7.

'л

50

I/,

/Н

00

К ю

и

л?

АХ

со

20 зс

40

г ;

—j

50

А АЛА - ПО диСНРг/ана/ подери, О-- № Кокгл<кул>П'№и подели.

Рис.5. Составляющие жесткости ЛС в зависимости от числа гребне! р уплотнения.

10 0.0 -10

.»Г

-V ■л* -

г

V 4

н/ /г

ПО

-ол -ОА ■О/, ■О.Я -(О

-а

— о*—

___з/

/

/ С,

-(ОО о 50 100

!■£ м зй % - эксперименты Чсикдса иШэрггра; а а а а - по методикеГ.Виссманна; О О О 0 - по континуальной модели аала - /и? дискретной модели.

Рис.6. Сое тязляю";ио хзаткотги А;; в лглжт ;:ти крутки.

и»

В четвертой главе проведено расчетное исследование динамической устойчивости валопровода нового турбоагрегата К-320-23.5. Данный турбоагрегат, в отличие от машин старой конструкции, имеет два выхлопа в конденсатор (а не три) и соответственно -"облегченный" РСД (вместо "тяжелого и жесткого" РСВД). На основании опыта борьбы с КЧБ в конструкции турбоагрегата использованы решения, ум^ньшаиди* вероятность потери устойчивости: выполнены осерадиальные надбандажные уплотнения, отличающиеся низким уровнем АС; во всех опорах турбины уотаноьлны подшипники сегментного типа, не создающие неконсерватиьных сил. Исследования проводились путем вариантных расчетов с применением комплекса программ, разработанного в МЭИ. Значения АС рассчитывались по программам, разработанным автором. Расчетные характеристики базового варианта (параметры валопровода, подшипников, уплотнений и т. д.) были примяты соответствующими действительным для ниЬий конструкции турбоагрегата.

Большинство расчетов на устойчивость было проведена для пятиопорной схемы валопровода (система"РВД-РСД-РНД"), поскольку включение в расчетную схему генератора не оказывает существенного влияния на величину пороговой, мощности. Разница в значениях-порогового расхода для двух расчетных схем невелика и находится в пределах погрешности расчета.

Низшие собственные формы колебаний показаны на Рис.7. Рассчитанные значения пороговой мощности для различных вариантов уплотнений и подаипников представлены в Таблице 2. Конструктивные параметр? надбандажных уплотнений и подшипников помещены в Таблицу I. Устойчивость теряется по третьей фор^е колебаний, соответствующей преимущественным колебаниям РВД в горизонтальном направлении. В случае применения стабилизирующих устройств в диафрагменных уплотнениях ЦВД величина пороговой мощности существенно возрастает. Подобные устройства могут быть выполнены в виде спрямляющих решеток на входе в уплотнения диафрагм или в виде радиальных сверлений в первую камеру уплотнения. В результате чего снижается величина окружной скорости пера в уплотнении и, соответственно, значение АС. Для получения Солео полной информации о динамических свойствах исследуемой турбины были построены диаграммы устойчивости Рис.8. Данные диаграммы представляют собой границы устойчивой работы в координатах главных рлмшшх параметр:)1- (расхода пара и частоты вращения), при варьирования различных конструкционных параметров. На основании чего опре-цчллется запас устойчивости. В расчетах, результаты которых

ТаблицэЛ.

Конструктивные параметры вариантов опор и уплотнений К-320

» Уплотнении « Подаипники

1 I 1-5 сегментные

vx

г 2 ',? сегментные 3-5 ЗЛЛИПТИЧОСКИП

3

4 Вариант ÄT + стиЛйли-зируицин устройства в диафрагмах Щ5Д

«

Таблица.2.

Результаты расчета на устойчивость К-320-2Л.5.

Номер варианта Пороговая мощность

уплотнения ПОДШИПНИКИ

I I I.36I

I 2 1.665

2 I 1.469

2 2 1.789

3 I Г. 479

3 2 1.805

4 I 4.470

4 п Г, 5.434

- Iii

показаны hei Рис.8 .принималось, что турбина оснащена уплотнениями в Лиловом варианте (ь случае устаноьки ]«комвндунмы>; уплотнений: варианты ?, и 3 на Рис.8 - граница устойчивости по пороговой моадости смещается iib'jpÄ). Вертикально:- сплошные линии на Гио.8 ограничивает рабочий диапазон по частоте вращения, ьнш« которого машина попадает в зону "масляной" вибрации.

Из данных Рис.8 следует, что базовый вариант (все подшипники сегментные, уплотнения типа I в Таблице I) является устойчивым в рабочей точке, однако, располагаемый запас устойчивости »гике рекомендуемого ("и/'^0=1.361-1.42 вместо 1.5-1.7). Расчетный анализ влияния на границу устойчивости расцентровки второй опоры показал, что ,в случае применения в ЦВД подшипников сегментного типа, расцентровка второй опоры не оказывает существенного влияния на пороговую мощность. Для базового варианта были проведены также расчеты границ устойчивости для случая использования смазывающей жидкости GMT'/ в подшипниках турбоагрегата. Расчеты показали, что в рабочем диапазоне для двух типов смазки: ОЫТИ и масла типа "турбинное Л" - различие в пороговой мощности несущественное. Вследствие того,что базовый вариант (JS? на Рис.8 ) обладает недостаточным запасом устойчивости, была рассмотрена возможность установки в уплотнениях диафрагм стабилизирующих устройств в виде серий радиальных сверлений в .сегментах лабиринтных уплотнений со стороны входа в них пара. Результаты расчетов представлены в Таблице 3. В расчетах дополнительно учитывалось возможное влияние неконсервативных сил в передних концевых уплотнениях ЦВД и ЦОД. Из данных следует,что для получения пороговой мощности

следует установить стабилизирующие устройства в диафрагмах 3-6 ой ступеней. Применение рекомендуемых типов надбандажных уплотнений ( 2,3 в Таблице I) дает прирост мощности турбомашины от 1.064

Таблица.3.

Влияние на пороговую мощность К-320-23.5 установки стабилизирующих устройств' в диафрагмах ЦВД.

Диафрагмы ИВД.где установлены стабилизирующие устройства Пороговая мощность

- 1.244

3 1.414

3,4 1.593

3-5 1.797

3-6 1.989

3-7 2.167

3-3 2.287

isa r.idf.

- Ьортикляь ;---горизо/лмеь.

Рис^7. Низшио ообственнда формы колебаний вялопропода К-320-23.5 длд базового варианта подшипников !» уплотнений.

Варианты подшипников •

Î-Bce эл*иптичсекие tfakpwù (KtOtlt il?);

2- l2-ee¿»fínwiie ,5-5-f/mvn

muvecKuc(St\ ÍHSÚPW);

S-ûce подшипники cet/ггнлп*.*

b-ôtc псдшипниш iXKjnra -ЧсГк-UP Бе 1 ttäbPHij i Sep. xutrt Вглодише.

/%} ¿so jsû' xa wo

Рис.8. Диаграммы усто''-чиял<."*к.

до 1.53 МВт, при повышении порога устойчивости.

В заключительном параграфа автором рассмотрены имеющиеся рекомендации по повышению виброустойчиьости турбоагрегатов, а также предложены конструкции уплотнений, отличающиеся низким уровнем АС и приемлемой экономичностью.

Основные выводы:

1. Экспериментально получено, что венцовая сила вызывается, в основном, переменной 'утечкой через уплотнение. Прочие переменные по окружности параметры (степень реактивности, значения периферийней и корневой перекрыши) не оказывают существенного влияния на венцовую силу. Расче.ты по формуле А.Г.Костюка удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.

2. "Дискретная" и "континуальная" методики расчета АС удчьл-гь-'¡>и-Тельно согласуются между собой.

3."Континуальная" методика может быть рекомендована для определения АС в многогрэрончатых уплотнениях. Переход к "континуальной" модели существенно упрощает и сокращает решение,

4. В случав применения на ту{>бомашине осерадиальных надбандакных' уплотнений основным источником аэродинамического возбуждения становятся диафрогменные уплотнения.

5. Пороговая мощность турбоагрегата с низким запасом устойчивости можот быть повышена до рекомендуемого уровня путем использования стабилизирующих устройств, количество и место установки которых определяется на основании расчетного анализа.

Материалы диссертации отражена в публикациях:

1. Разработка программного комплекса для анализа статических и динамических характеристик валопроьодов на ПЭВУ IBM РС/АТ/Куменко А.И., Карев A.B., Морозова Д.С., Скворцова Г.И., Ручнов А.П., Чистов A.A., Ратуркин А.И.//Республиканская научно-техническая конференция."Математическое моделирование и вычислительный эксперимент для совершенствования энергетических и транспортных турбоустановок в процессе исследования, проектирования, диагностирования и безопасного функционирования".- Тез. докл.- Харьков, - Г9ЭТ. С.55-56.

2. A.c. 1682604 t СССР, МКИ4 F0TP 9/02. Ступень осевой турбомааикы/ Чостюк А.Г., Серков С.А., Чистов A.A., Урьев Е.В., Алексо А.И. 'СССР).-4 с.:илл.

'■. A.c. IG7T9CT AT СССР, МКЙ4 FntP 5/10, 11/02. Ступень осевой '■.■1ч\>мчшйны-'Кост1« Ä.P., Ceps'i в ".А., Чистов A.A., Урь«в Е.В., '-■v.m'O к Л. ("CPU-4 с.:иля. - __

"• - • Us__(со___т