автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.01, диссертация на тему:Метод снижения аэродинамических сил, возбуждающих колебания лопаток турбин

Проблема обеспечения вибрационной надежности лопаток и повышения экономичности ступени турбин является весьма сложной задачей. Она может быть решена после детального исследования сложных нестационарных процессов (потерь энергии от нестационарности, аэровозбуждения и аэродемпфирования), происходящих в проточной части турбин.

На кафедре Паровых и газовых турбин под руководством профессора Г.С.Самойловича уже много лет ведутся научно-исследовательские работы в этом направлении. В настоящей работе решалась частная задача из всего широкого комплекса исследований, проводимых на кафедре.

Автор благодарен руководству кафедры и руководству отдела иностранной аспирантуры МЭИ за представленную ему возможность выполнить данную работу.

Автор принтою глубокую благодарнь профору Г.С.Са-мойловичу за подневное внимание и руковово. Автор благодарен к.т.н., доц.В.В.Нитву и к.т.н.,.н И.Н.Пмину за большую помощь в работе и ценные замечания,еланные им при чтении рукоп. Автор благодарит ирантов К.Романова и И.В. Седова за большую помощь при организации и проведении эериментов.

Автор выражает глубокую признательность всему коллективу кафедры за приобретенные знания и сотрудничество.

СОДЕШАНИЕ

Введение

I. Обзор литературы и задачи исследования.Ю

1.1. Краткий обзор теоретических работ

1.2. Экспериментальные исследования нестационарных сил и процессов в турбомашинах . Н

1.2.1. Методы измерения аэродинамической возбуждающей силы./

1.2.2. Способы экспериментального исследования аэродинамической возбуждающей силы . 17 1.2.3. Обзор литературы по исследованию нестационарных сил и процессов в турбомашинах . . 20 1.3. Способы снижения амплитуды возбуждающей силы

1.4. Задачи исследования.

П. Экспериментальная турбина и измерительная лопатка . . . 34 2.Х. Краткое описание конструкции экспериментальной турбины.

2.2. Экспериментальная ступень

2.3. Схема измерений режимных параметров

2.4. Конструкция и принцип действия взвешиваемой лопатки

2.5. Тарировка взвешиваемой лопатки

2.6. Схема тензометрических измерений

Ш. Методика проведения экспериментов

3.1. Оценка скорости прохождения через резонанс

3.2. Определение механического демпфирования

3.2.1. Общие замечания.

-43.2.2. Определение механического демпфирования взвешиваемой лопатки методом свободно-затухающих колебаний на вращающемся рабочем колесе.

3.2.3. Определение механического демпфирования взвешиваемой лопатки методом резонансной кривой.

3.3. Порядок проведения экспериментов. Режимы испытания

3.4. Методика обработки экспериментальных данных по определению аэродинамической возбюждающей силы

3.5. Оценка погрешности измерения аэродинамической возбуждающей силы.

IV.Расчет возмущений, передаваемых через потенциальный поток. Качественная картина интерференции трех решеток

4.1. Методика расчета возмущений, передаваемых аэродинамической решеткой через потенциальный поток. Результаты расчета.

4.2. Качественная картина взаимодействия трех взаимодвижущихся решеток в плоском потоке.

4.3. Возможность снижения аэродинамической возбуждающей силы при интерференции трех решеток.М

V. Исследования аэродинамической возбуждающей силы при переменном режиме работы ступени . 1Н

5.1. Методика расчета переменного режима работы ступени турбины. Сравнение экспериментальных результатов с расчетными.

5.1.1. Методика расчета переменного режима работы ступени турбины . Ш

5.1.2. Сравнение экспериментальных результатов с расчетными.

5.1.3. Оценка погрешности измерений

5.2. План экспериментальных исследований аэродинамической возбуждающей силы

5.3. Возбуждающая сила при взаимодействии сопловой и рабочей решеток в ступени турбины . 12В

5.4. Определение аэродинамической возбуждающей силы от сопловой решетки, стоящей за рабочим колесом . 130 5.5. Определение аэродинамической возбуждающей силы в зависимости от взаимного положения сопловых решеток, расположенных перед и за рабочим колесом .13В

Выводы.

С увеличением единичной мощности паровых и газовых турбин повысились требования к эксплуатационной надежности для турбоагрегата в целом и, в частности, к надежности для наиболее напряженных его элементов - рабочих лопаток.

На рабочие лопатки помимо постоянных сил парового потока, совершающих полезную работу, действуют нестационарные аэродинамические силы, которые не совершают полезную рабоау, но с точки зрения надежности рабочих лопаток являются самыми опасными.

Нестационарные аэродинамические силы, вызывающие колебания рабочих лопаток, в зависимости от источника возмущения можно разделить на две группы. К первой группе относятся силы, имеющие относительно низкие частоты, кратные частоте вращения ротора. Эти силы обусловливаются окружной неравномерностью потока, которая в данном случае связана с отклонением размеров и формы проходных сечений каналов сопловой решетки, наличием парциального подвода и промежуточных отборов рабочего тела и т.п.

Ко второй группе относятся аэродинамические силы, вызванные наличием сопловых лопаток, которые создают неравномерность потока по шагу. Основная частота этих сил, равна произведению ТП2 ( П -число сопловых лопаток, £ - частота вращения ротора).

Рабочие лопатки ступеней высокого и среднего давления вследствие небольшой длины, как правило, являются относительно жесткими. Во избежание попадания в резонанс с частотой возбуждающей силы типа П2 и, одновременно для увеличения конструкционного демпфирования и снижения амплитуды динамических напряжений, обычно эти лопатки соединяют между собой в пакетах с помощью бандажной ленты. Однако, в этом случае отстройка этих лопаток затрудняется поскольку спектр собственных частот пакета более густой и трудно вццержать нужные запасы резонансных частот. Здесь возможные разные виды внутрипакетных колебаний.

Кроме того, из-за технологических неточностей, разных жест-костей крепления хвостовиков и бандажа, а также из-за вероятного характера эррозионного износа лопаток при эксплуатации турбин собственные частоты пакета изменяются. В силу этого, можно сказать, что отстройка лопаток малой и средней длины иногда практически невозможна. Это относится также к рабочим лопаткам турбин средней мощности (транспортные и приводные турбины), работающих при переменной частоте вращения.

Рабочие лопатки последних ступеней мощных паровых турбин из-за большой длины имеют пониженную жесткость. Они как правило отстраиваются с 4 по 8 кратности частоты вращения ротора. Для уменьшения амплитуды динамических напряжений эти лопатки соединяются в пакеты или в замкнутые на круг связи:.

Известно, что изменение расхода пара через турбину наибольшее влияние оказывает на работу последней ступени. Результаты исследования, приведенные в /29, 69/ показывают, что в режимах частных нагрузок (или при ухудшенном вакууме) можно ожидать возникновение повышенных динамических напряжений в рабочих лопатках последних ступеней даже в том случае, когда они отстроены от резонанса по частотам, кратным частоте вращения ротора.

Задача обеспечения надежности рабочих лопаток обычно решается в двух этапах. На первом этапе рабочие лопатки достаточно надежно рассчитываются на прочность от статических нагрузок и центробежных сил на расчетном и частных режимах /18, 35, 48/. Однако, эта задача существенно усложняется при работе лопаток в условиях высоких температур и, особенно, при частых пусках и остановках турбоагрегата.

Второй этап заключается в расчете лопаток на вибрационную прочность. В настоящее время расчетным путем достаточно точно могут быть определены собственные частоты и формы колебания лопаток /18, 28, 35, 48/.

В принципе возможен и расчет вынужденных колебаний лопаток /35, 56, 58/, однако на практике встречаются значительные трудности. Во-первых, для расчета необходимо знать истинное значение возбуждающей силы и распределение ее по высоте лопатки. Распределение нестационарных нагрузок по высоте лопатки в отдельных случаях можно приближенно учитывать на основе гипотезы плоских сечений /56/. Во-вторых, необходимо знать величины механического и аэродинамического демпфирования для конкретной конструкции, которые как правило отсутствуют. Величина механического демпфирования определяется в основном конструктивными особенностями лопатки (форма хвостового соединения, форма тела лопатки, бандажные связи). Эти обстоятельства вынуждают при расчете сделать существенные допущения, поэтому полученные результаты невсегда являются достаточно обоснованными, следовательно нуждаются в экспериментальной проверке .

По этим причинам с целью обеспечения вибрационной прочности рабочих лопаток, иногда, допускаемые напряжения принимаются намного ниже чем прочностная характеристика материала. Это мероприятие приводит к увеличению металлоемкости и к перерасходу дорогостоящих материалов, применяемых в турбостроении, при этом не устраняется опасность поломок рабочих лопаток во время эксплуатации турбин.

По данным литературы /20/,' поломка рабочих лопаток в большинстве случаев носит усталостный характер. Это свидетельствует о необходимости проведения более детальных расчетов на стадии проектирования и правильной оценки допустимых частных режимов при эксплуатации турбин во избежании вибрационных поломок рабочих лопаток. Этим можно снизить экономический ущерб вследствие аварийных остановок.

С точки зрения практики большой интерес представляет вопрос снижения амплитуды динамических напряжений в лопатках турбомашин (см.параграф 1.3).

Исходя из изложенного все теоретические и экспериментальные работы, посвященных этой проблеме являются безусловно актуальными.

I. ОБЗОР ЛИТЕРА1УРЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. в данных экспериментальных условиях доказана возможность снижения аэродинамической возбуждающей силы и, следовательно, ди намических напряжений в рабочих лопатках на 70-ь80^ от сопловой решетки, стоящей перед рабочим колесом.2. В натурных турбинных ступенях величина разгрузки, которая может быть получена, прежде всего зависит от осевого зазора за рабочими лопатками и толщины входных кромок сопловых лопаток следующей ступени. Даже, если эта разгрузка будет составлять, нап ример, 25^, то неудачное расположение диафрагм приведет к перег рузке на 2Ъ%, 3 этом случае наибольшая динамическая нагрузка бу дет отличаться от наименьшей на 67^.3. Установлено, что при относительном смещении сопловых ре шеток существует большой диапазон режимов работы турбины, в ко тором возбуадающая сила не превыщает 50^ от максимальной.4. Снижение динамических напряжений достигается наиболее простым из возможных конструктивных приемов, не требующим изме нения технологии изготовления и конструкции диафрагм,

5. Получены практические важные данные о зависимости величи ны возбуждающих сил от осевых зазоров перед и за рабочей решеткой.6. Экспериментально найдено значение коэффициента потерь при входе в рабочую решетку, в полуэмпирической формуле (5,2) Кбл=: I, при Еотором достигается хорошее согласие расчетной величины КПД ступени с экспериментом в широком диапазоне изменения режима ра боты.7. Экспериментальные исследования проведены в условиях, мак симально приближенных к реальным: • на ступени типичной конструкции,

- при изменении режимных параметров в пределах отношения скоростей и/Сф =0,540,9; отношение давлений Рг/рь = 0,72-Ю,88; число Маха Hit^ 0,7; число Рейнольдса 9.е= С, 6, /\) = (2,54-5,0). 10^,' число Струхаля Sh = 2V f St /Wi = 74-19; число Струхаля, определяемого по скорости звука Sha= 1,7, Это позволяет переносить полученные результаты на ступени реальной конструкции.

1. Афонин М.В., Детрунин Б.Н; Экспериментальная установка для исследования аэроупругих процессов в турбомашинах,- Тр./МЭИ, 1972, вып.99„ с.162-168.

2. Афонин М.В., Самойлович Г.С;, Травин В;В; Экспериментальная установка для исследования нестационарных аэродинамических сил, действующих на вращающиеся решетки.- В кн.: Аэроупругость лопаток турбомашин.- Тр./ЦИАМ, 1981, В 953, с.124-133.

3. Афонин М.В. Разработка метода исследования нестационарных аэродинамических сил, возбуждающих колебания лопаток турбин; Авто-реф.дис.на соиск.учен,степени канд.техн;наук. М., МЭИ, 1981.

4. Бауман H.H., Яковлев М.И., Свечков И.Н. Технология производства паровых и газовых турбин, М.: Машиностроение, 1973, 464 с;

5. Горелов Д.Н., Курзин В.Б., Сарен В.Э. Атлас нестационарных аэродинамических характеристик решеток профилей.- Новосибирск: Наука, 1974, 151 с.

6. Горелов Д.Н. О гидродинамическом взаимодействии решеток пластин при их относительном движении.- ПМТФ, 1974, № I, с, 49-54.

7. Давиденков H.H. О рассеянии энергии при вибрациях.- 1ТФ, т.8, 1938№6, с. 483-499.

8. Дейч М.Е. Техническая газовая динамика.- М.:. Энергия, 1974, 592 с.1.., Дейч М.Е., Филлипов Г.А., Лазарев Л.Я. Атлас профилей решеток осевых турбин.- М.: Машиностроение„ 1965, 96 с.

9. Дейч М.Е., Трояновский,Б.М. Исследование и расчеты ступеней осевых турбин.- М.: Машиностроение, 1964, 628 с;\

10. Дейч М.Е., Лазарев Л,Я., Ницкевич В.Н; О кромочных потерях в сопловых решетках турбин.- Изв. Вузов, Авиационная техника, 1971, » 4, с* 67-72.

11. Дейч М.Е», Самойлович Г.С. Основы аэродинамики осевых турбо-машин.- М.: Машгиз, 1959, 428 с.

12. Дейч P.C. Вибрация турбинных лопаток турбокомпрессоров.- Энергомашиностроение, 1964, № 4, с. 25-27.

13. Дринг Р., Джонслин Г., Хардин Л., Вагнер Дж. Взаимодействие рабочих и направляющих лопаток турбин;- Энергетические машины и установки, 1982, № 4, с. 7-22.

14. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке; Методы обработки данных.- М.:Мир, 1980, 610 с. (пер.с англ.).

15. Жирицкий Г.С., Стрункин В.А. Конструкции и расчет на прочность деталей паровых и газовых турбин.- М.: Машиностроение, 1968, 520 с.

16. Жуковский М.И. Расчет обтекания решеток профилей турбомашин.-Л.: Мащгиз, i960, 260 с.

17. Зайдельман Р.Л. Надежность лопаточного аппарата паровых турбин.» М.:. Энергия, 1978, 224 с.

18. Кац A.K. Вынужденные колебания при прохождении через резонанс. М.: Ин-т механики АН СССР, Инженерный сборник, том Ш, вып.2, 1947, с. 100-124.

19. Капелович Б.Э. Исследование возмущающих и демпфирующих сил в ступенях турбомашин'. Автореф.дис. на соиск;учен.степени канд. техн.наук. М, МЭИ, 1966.

20. Кемп М., Сире У. Аэродинамическая интерференция между движущимися рядами профилей.- Механика, 1954, № 4, с. 67-87. (пер.' с англ.).

21. Кириллов И.И., Ласкин А.С; Исследование переменных аэродинамических сил в турбинной решетке, обтекаемых нестационарным потоком.» Энергомашиностроение, 1966, № 12, с. 29-32.

22. Кириллов И.И., Ласкин A.C., Саливон Н.О. Переменные аэродинамические силы в осевых турбинных ступенях.- Теплоэнергетика, 1973, № Зг с. 8-II.

23. Кочин Н.Е. Гидродинамическая теория решеток.- М.-Л.: Гостех-издат, 1949, 103 с.

24. Копелев С.З., Зикеев В.В. Аэродинамические потери в лопаточных решетках рабочих колес турбин при нестационарном обтекании.-Теплоэнергетика,, 1980, № 8, с.40-44.

25. Костюк А.Г. Динамика и прочность турбомашин.- М;: Машиностроение, 1982, 264 с.

26. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. Изд.второе.-М.: Гостехтеориздат, 1954, 795 с.

27. Лапшин К.Л., Садовничий В.Н. Экспериментальное определение окружного сноса кромочных следов направляющих лопаток в турбинной ступени.- Изв. Вузов, Энергетика, 1980, № II, с. I09-III.

28. Магин И.Я., Ефименко Э.Н. „ Евсеев Я.И. Зависимости резонансных, колебаний лопаток от скорости прохождения через резонанс.Опыт создания турбин и дизелей.- Свердловск, 1977, выл.4, с.32-36.

29. Неруда И. Исследование возбуждения и демпфирования колебаний лопаток турбомашин. Автореф.дисс.на соис.учен.степени канд. техн.наук.- М., МЭИ, 1964.

30. Нитусов В.В;, Самойлович Г.С. Расчет обтекания решетки произвольных профилей, вибрирующей с произвольным сдвигом фаз и с учетом смещения профилей.- Изв. АН СССР, MST, 1970,№ 3,c;I70-I73,

31. Писаренко Г.С. Рассеяние энергии при механических колебаниях.-Изд. АН УССР, Киев, 1962, 436 с.

32. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Вибрационные свойства конструкционных материалов. Справочник.- Киев, Наукова думка„ 1971, 375 с,

33. Полупроводниковые тензодатчики./Под ред.Дина, пер. с англ.-М.-Л.: Энергия, 1965, 216 с.

34. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем.-М.: Физматлит, i960, 193 с;

35. Правила 28-64 измерения расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами.- М.: Изд;стандартов,1964, 152 с;

36. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы.- М.: Энергия, 1978, 704 с.

37. Прокофьев К.А;, Епанечников М.М., Меерсон И. Л; Демпфирующие свойства лопатки с индивидуальным хвостом елочного типа. В кн.: Рассеяние энергии при колебаниях упругих систем;- Киев, Науко-ва думка, 1966, с. 243-248.

38. Прочность паровых турбин./Под ред. акад. Л.А.Шубенко-Шубина.-М.: Машиностроение, 1973, 456 с.

39. Рабинович С.Г. Погрешности измерения.- Л.: Энергия, 1978,262 с.

40. Романов К. Определение переменных аэродинамических сил, возбуждающих колебания лопаток турбин. Диссертация на соис.учен. степени канд.техн.наук.- М., МЭИ, 1983, 185 с.

41. Рубен Ф.К. определению динамических напряжений в рабочих лопатках ступеней паровых турбин. Автореф.дис-. на соиск:;учен. степени канд.техн.наук.- М., МЭИ, 1969.

42. Самойлович Г.С. Расчет гидродинамических решеток.- ПММ, 1950, № 2, с. 121-138.

43. Самойлович Г.С. Нестационарное обтекание и аэроупругие колебания решеток турбомашин.- М.: Наука, 1969, 444 с.

44. Самойлович Г.С.,. Письмин И.Н., Яблоков А.Д; Исследование возмущающих сил и распределение нестационарных давлений по профилю в турбинных ступеных,- Теплоэнергетика, 1970, Н,с. 79-82.

45. Самойлович Г,С. Расчет направляющих аппаратов переменного шага, применяемых для снижения динамических напряжений в рабочих лопатках. В кн.: турбомашины;- М.: Тр./МЭИ, 1972, вып.127, с. 6373.

46. Самойлович Г.С. Возбуждение колебаний лопаток турбомашин;- М.: Машиностроение, 1975, 288 с;

47. Самойлович Г.С., Нитусов В;В. Интерференция движущихся решеток в потенциальном потоке.- Проблемы прочности, 1977, № 6, с. 99102.

48. Самойлович Г.С., Антипин A.B. Оценка резонансных напряжений в пакетах при изгибных колебаниях кратности п? .- Теплоэнергетика, 1980, Л 9, с. 27-30.

49. Самойлович Г.С., Трояновский Б.М. Переменные и переходные режимы в паровых турбинах.- М.: Энергоиздат, 1982, 496 с.

50. Сарен В.Э. О гидродинамическом взаимодействии решеток профилей в потенциальном потоке.- Изв. АН СССР, МВТ, 1971, $ 4гс. 73-84.

51. Смит Л. Рассеяние спутных следов в турбомашинах.- Теоретические основы инженерных расчетов, 1966, Л 3, с. I69-I7I.(пер. с англ.).

52. Степанов Г.Ю. Гидродинамика решеток турбомашин.- М.: Физмат-изд., 1962, 512 с;

53. Топунов A.M., Шекун. Т.Д. Изменение динамических напряжений в рабочих лопатках турбин путем воздействия на вторичные течения при различных осевых зазорах.- Теплоэнергетика, 1978, № 5,с. 13-16.

54. Харкевич A.A. Спектры и анализ. Издание 4-е.- М,:. Госиздат ФМЛ, 1962, 236 с;.

55. Шесташенко И.Я; Методика измерения переменных усилий, действующих на лопатки вращающихся турбомашин, пьезоэлектрическим^-датчиками»- Изв.Вузов, энергетика, 1967, № 9, с; 1020-1026;

56. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя.- М.: Наука, 1969, 742 с.

57. Шнеэ Я.И., Пономарев В.Н.,, Слабченко О.Н., Зайцев М.В., Федоров М.Ф. Влияние режимных факторов на величину динамических напряжений в рабочих лопатках турбинной ступени.- Теплоэнергетика,. 1971, lh I, с. 49-52.

58. Щегляев A.B. Паровые турбины. Изд. 5-ое.- М.: Энергия, 1976, 368 с.

59. Юдин В.А. Влияние формы профилей на уровень гидродинамического взаимодействия решеток в потенциальном потоке. В кн.: Аэроуп-рутость лопаток турбомашин.- Тр./ЦИАМ, № 953, 1981, с;40-52.

60. Юдин ВД. Гидродинамическое взаимодействие решеток профилей с учетом закромочных следов. В кн.: Аэроупрутость лопаток турбомашин.- Тр./ЦИАМ, № 953, 1981, с. 52-66.

61. Юрков Э.В; Влияние неравномерности потока в турбинах на силы, возбуждающие колебания лопаток. Автореф.дис; на соиск. учен, степени канд.техн.наук.- М., МЭИ, 1971.

62. Л!¿Recht, Beitxafi zu*. Fna^e Schwingungsstc/ieRheit in Resonans schwinßendeR de я Schaufel axiaLen sbömungsmaschinen. DResWen, fa* -fun Masch¿nenufesen cteR TH, 196S, 114s.