Работа выполнена на кафедре «Газотурбинные, паротурбинныеустановки и двигатели» Казанского государственного технического университетаим. А.Н. Туполева и в ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа».
Научный руководитель — доктор технических наук, профессор ЕвгеньевСтанислав Сергеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ФафуринА.В., кандидат технических наук Сагадеев Р.Г.
Ведущая организация: ОАО «Авиамотор» (г. Казань)
Защита диссертации состоится " " июня 2006 г. в " " часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 в Казанском государственномтехническом университете им.А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственноготехнического университета им. А.Н. Туполева.
Автореферат разослан " " ____________2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Центробежные компрессорные ступенишироко используются в осецентробежных компрессорах газотурбинных двигателей (ГТД)наземного и авиационного исполнения, в бортовых турбогенераторах, агрегатах турбонаддувадвигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также в центробежных компрессорах (ЦК),применяемых в химической, нефтяной и газовой отраслях промышленности.
Опыт эксплуатации ЦК при высоких окружных скоростях вращенияи давлениях рабочей среды выявил необходимость исследования нестационарных процессовв связи с усталостными поломками рабочих колес (РК), возникающих из-за наличия значительныхпеременных аэродинамических нагрузок. Среди известных нестационарных явлений в ЦКнаиболее значительное отрицательное влияние на усталостную прочность колеса оказываетнеравномерность распределения параметров потока по окружной координате около дисковколеса, связанная со сложной структурой потока на выходе из РК, обратным влияниемвыходного устройства в случае безлопаточного диффузора (БЛД) и влиянием лопаточногодиффузора (ЛД). При вращении ротора окружная неравномерность параметров потока,стационарная по отношению к корпусу, преобразуется в нестационарное поле давленийи скоростей по отношению к вращающемуся РК. Важно отметить, что этот вид нестационарностисуществует на всех режимах работы ЦК, допускаемых при эксплуатации. Кроме того,имеется возможность возникновения резонансного режима при совпадении частоты аэродинамическойнагрузки с одной из собственных частот колебания какого-либо элемента РК, приводящегок опасным динамическим напряжениям и усталостным разрушениям.
Поэтому дальнейшее исследование закономерностей распределениядавлений и скоростей потока по окружности около РК, разработка методов определениявеличины и частоты воздействия на РК переменных аэродинамических нагрузок и соответствующихнапряжений, а также способов их снижения являются весьма актуальными.
Цель работы. На основе экспериментальных и расчетно-теоретическихисследований разработать метод определения переменных аэродинамических нагрузоки динамических напряжений, действующих на РК ЦК.
Задачи исследования. В соответствии с поставленной цельюрешались следующие задачи:
1. Разработка и экспериментальные исследования компактных ступенейконцевого типа с закрытыми и полуоткрытыми РК с цилиндрическими и пространственнымилопатками, с разными типами диффузоров и выходных устройств, для определения обычнымии безинерционными приборами внешних полей давлений, их частот и амплитуд воздействияна диски РК.
2. Разработка инженерного метода определения переменных аэродинамическихнагрузок, действующих на РК с внешней стороны дисков и со стороны потока в каналеРК.
3. Определение динамических напряжений от действия переменныхдавлений при эксплуатации, собственных частот и форм колебаний РК разных конструкцийи их резонансных режимов.
Научная новизна работы. В процессе исследования полученыновые научные результаты, которые выносятся на защиту:
1. В результате экспериментальных исследований трех характерныхдля ЦК ступеней концевого типа с коэффициентами расхода Ф0=0,025-0,07-0,09,содержащих входной аппарат, РК с цилиндрическими и пространственными лопатками,БЛД и ЛД и кольцевую камеру (КК), и анализа экспериментальных данных других авторовполучены обобщающие зависимости неравномерности давлений за РК и около дисков РКот реактивности при разных режимах работы ступеней.
2. На основе обобщенных зависимостей создана программа расчетана ПЭВМ аэродинамических нагрузок, действующих на покрывной или основной диски РКс внешней стороны, учитывающая геометрию, газодинамическую характеристику ступении направление течения газа в зазорах около дисков РК.
3. Определены давления в каналах исследованных РК по известнойметодике расчета осредненного осесимметричного потока с учетом переменности егостеснения при минимальных и максимальных давлениях на выходе из РК, принятых изэкспериментальных данных по неравномерности. Изменение расхода через канал РК засчет разного противодавления из-за неравномерности за один оборот вызывает соответствующееизменение давления в канале РК, что использовано для расчета для расчета мгновенныхзначений давлений в канале РК.
4. Рассчитаны динамические напряжения и запасы прочности от воздействиясуммарного поля давлений на диски и лопатки РК с помощью программного пакета ANSYS. Качество построения конечно-элементной (КЭ) модели РК провереносогласованием расчетов по методу конечных элементов (МКЭ) с опытными данными пособственным частотам и формам колебаний исследованных РК, полученными методом голографическойинтерферометрии.
5. В результате гармонического анализа распределения статическихдавлений на стенке за РК, измеренных пневмометрическим методом, а также скоростейи давлений за РК, измеренных анемометрическим и тензометрическим методами, определеныномера гармоник аэродинамических нагрузок, соответствующих максимальным амплитудамколебаний.
6. Выявлены резонансные режимы работы трех характерных РК, работающихс БЛД, ЛД и КК на основе построенных частотных диаграмм.
7. Проведен анализ причин реального обширного усталостного разрушениялицензионного закрытого РК типа «L» ЦК синтезгаза с помощью предлагаемых методов расчета переменных давлений, динамических напряженийи резонансных частот вращения. Результаты анализа подтвердили факт усталостногоразрушения РК типа «L», что позволяет рекомендоватьиспользованные методы при проектировании ЦК.
Практическая ценность. Разработанный метод расчета позволяетопределять напряженно-деформированное состояние (НДС) РК при воздействии на негопеременных аэродинамических нагрузок на стадии проектирования новых ЦК и заранеепринять необходимые меры для повышения надежности их работы.
Созданные современные алгоритмы расчетов переменных аэродинамическихнагрузок и динамических напряжений, действующих на РК, являются необходимыми дляконструктора и позволяют с меньшими затратами времени определять резонансные частотывращения РК и запас прочности по динамическим (усталостным) напряжениям. Указанныеметоды расчета РК позволяют сократить сроки их проектирования и доводки, повыситькачество ЦК ГТД и общепромышленных ЦК высокого давления.
Реализация работы в промышленности. Методы расчета и программывнедрены в систему автоматического проектирования (САПР) ЦК в ЗАО «НИИтурбокомпрессорим. В.Б. Шнеппа».
Апробация работы. Результаты работы докладывались на XIV-XVI Всероссийскихмежвузовских научно-технических конференциях «Электромеханические и внутрикамерныепроцессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика техническихсистем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»(г. Казань, Военный артиллеристский университет, 2002 г., 2003 г., 2004 г.), на VI и VII Международных научно-технических конференцияхмолодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовлениякомпрессорных машин» (г. Казань, ЗАО «НИИтурбокомпрессор им.В.Б. Шнеппа», 2002 г., 2004 г.), на XII Международноймолодежной научной конференции «XII Туполевские чтения» (г. Казань, Казанский государственныйтехнический университет им.А.Н. Туполева, 2004 г.), на XIII Международной научно-технической конференциипо компрессоростроению «Компрессорная техника и пневматика в XXI веке», (г. Сумы. СНПО им. Фрунзе, 2004 г.), на Международной научно-технической конференции «Рабочие процессыи технология двигателей» (г. Казань, Казанский государственный техническийуниверситет им.А.Н. Туполева, 2005 г.), на II Международной научно-технической конференции «АвиадвигателиXXI века» (г. Москва, ЦИАМ, 2005 г.).
В целом работа докладывалась на кафедре «Газотурбинные,паротурбинные установки и двигатели» (г. Казань, Казанский государственныйтехнический университет им.А.Н. Туполева, 2006 г.) и в ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», 2004-2006 г. г.
Личный вклад в работу. Автором разработаны три характерныеступени концевого типа и проведены их экспериментальные исследования, разработаныалгоритмы расчета переменных аэродинамических нагрузок закрытых и полуоткрытых РКс цилиндрическими и пространственными лопатками, проведено численное моделированиевынужденных колебаний и динамических напряжений в РК с цилиндрическими и пространственнымилопатками исследованных ступеней с помощью программного пакета ANSYS.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатныхработ из них 9 статьи и 5 тезисов докладов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения,четырех глав, списка литературы и приложения. Работа содержит страниц машинописноготекста, таблиц, рисунков. Список литературы включает 89 наименований. В приложениипредставлен акт внедрения.Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации,сформулирована цель работы и приведены основные научные результаты.
центробежный компрессор рабочее колесо
Первая глава содержит анализ современного состояния проблемыусталостной прочности РК ЦК. Отражены исследования физической картины потока в областях,непосредственно примыкающих к РК, и нестационарности потока, определяемой окружнойнеравномерностью давления около дисков РК, а также приведены методы определенияпеременных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений, действующих на РК.Отмечен значительный вклад Яновского М.И., Скубачевского Г.С., Жирицкого Г.С., БиргераИ.А., Шорра Б.Ф., Раера Г.А., Риса В.Ф., Демьянушко И.В., Образцова И.А. и др. вразвитие науки о прочности рабочих колес турбомашин. Отражены результаты проведенныхранее исследований Красильникова В.А., Алемасовой Н.А., Измайлова Р.А., СелезневаК.П., Евгеньева С.С., Ильина А.Л. и др. Все указанные работы способствовали улучшениюпрочностных и газодинамических характеристик. Однако задача получения метода определенияпеременных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений применительно к центробежнымступеням с РК закрытого и полуоткрытого типа с пространственными лопатками в широкомдиапазоне коэффициентов расхода (Ф0=0,025-0,07-0,09) в них не ставилась.В литературе недостаточно отражены результаты экспериментальных исследований переменныхаэродинамических нагрузок современных конструкций ступеней ЦК с РК закрытого и полуоткрытоготипа с пространственными лопатками, БЛД, ЛД и КК. Отсутствует инженерный метод определенияпеременных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений РК закрытого и полуоткрытоготипа с пространственными лопатками.
В результате анализа сформулированы задачи настоящего исследования.
Во второй главе дано описание проведенного экспериментальногоисследования неравномерности потока по окружности и радиусу около дисков РК. В качествеобъектов исследования приняты три характерные ступени концевого типа, каждая изкоторых включала: входной аппарат, РК, БЛД или ЛД и КК или внутреннюю улитку (ВУ).Параметры этих ступеней приведены в таблице 1.
Экспериментальные исследования проведены на стенде газодинамикиЗАО «НИИтурбокомпрессор им.В.Б. Шнеппа», аттестованном согласно ГОСТ 24555-81.Стенд оснащен всеми необходимыми системами, позволяющими безопасно эксплуатироватьего в диапазоне частот вращения ротора исследуемой ступени n=5000-25000об/мин.Система измерения дает возможность определять величины температуры одновременнов 60 точках отбора, избыточного давления в 100 точках отбора и перепада давленияна диафрагме с записью и обработкой их на ПЭВМ в процессе испытания.
В работе использованы следующие методы исследования:
пневмометрический — для измерения поля статических давлений взазорах между дисками РК и корпусом;
термоанемометрический — для выявления частот и амплитуд пульсацийскорости за РК с частотой опроса 2,5 кГц;
тензометрический — для выявления пульсаций статического давленияна передней стенке за РК с частотой опроса 5 кГц.
Таблица 1№ ступени Тип вых. устройства Тип РК
bл2
/>
z2
z3
Mu W
hпол
/> (расч)
/> (расч) №1 КК Закрытое с цилиндрическими лопатками 90° 0,017 23 0,5-0,7 0,47 0,63 0,27 0,025 №2 КК Закрытое с пространственными лопатками 45° 0,068 13 Вариант с БЛД - 0,5-0,7 0,67 0,82 0,3 0,07 Вариант с ЛД 10 0,5-0,7 0,67 0,84 0,23 0,062 №3 ВУ Полу открытое с пространственными лопатками 50° 0,059 17 19 1,1 0,65 0,81 0,34 0,09
Результаты экспериментальных исследований показали, что переменныебезразмерные давления /> в зависимости от типа ступени, режимовработы, наличия БЛД или ЛД, покрывного или основного диска могут составлять 10-30%от среднего значения давления по окружности.
На основе собственных экспериментальных данных и данных другихавторов построены обобщенные графики в виде зависимости неравномерности давления/> на /> (А — амплитуданеравномерности давления, /> - среднее давление по окружности наданном радиусе) от степени реактивности РК W(рис.1) и коэффициента затухания неравномерности давления />, где /> - на любом радиусе, от радиуса/> для ступенейс БЛД и ЛД. Полученные зависимости позволяют найти неравномерность давления /> на любом радиуседля ступеней с подобной геометрией, исследованных нами и другими авторами. Для ступенейс БЛД и пространственными РК полученные данные дополняют приведенные в литературеданные для РК с цилиндрическими лопатками. Для ступеней с ЛД полученные обобщенныезависимости в литературе отсутствовали.
По обобщенным данным для ступеней с БЛД наибольшее влияние на относительнуюнеравномерность давления /> на выходе из РК при /> оказывает реактивностьступени W. С ее уменьшением, т.е. с ростомуровня скоростей за РК, величина /> заметно растет. Этот рост более заметендля течения около покрывного диска РК и менее — около основного, что связано с меньшейвеличиной протечки через уплотнение вала.
Коэффициент КА, позволяющий определить /> на любом радиусе при известном/> на />, снижается с уменьшением/> (рис.2). Наиболеезаметно это снижение для покрывного диска проявляется при /> и малых величинах W. Для основного диска характер изменения КАс уменьшением /> сохраняется, но проявляется при />. Для ступени №1(/>, />) величина КАрезко уменьшается на участке />.
/>
По полученным обобщенным данным для ступеней с ЛД с увеличением реактивностиступени W величина /> снижается менее заметнопо сравнению с /> при использовании БЛД (рис.2).
Для основного диска величина КА заметно снижается на участке/> и не сильнозависит от режима работы ступени.
Проведен гармонический анализ распределения безразмерного статическогодавления по окружности за РК в области /> в программной среде Mathcad с использованием команды CFFT — стандартного преобразования Фурье. Выявлены гармоники,имеющие максимальные амплитуды: для ступени №1 с БЛД (/>, />, />) k=1-6, дляступени №2 с БЛД (/>, />, />) k=1-4 (рис.3).
Гармонический анализ распределения статических давлений по окружностиза РК в области />, полученных другими авторами, показалдля ступени />,/>, цилиндрическиелопатки, /> (ЗАО«НИИтурбокомпрессор») k=1-2, для ступени />, />, цилиндрическиелопатки, /> (АО«Невский завод») k=1-2. Для ступени />, />, прямые лопатки,/> (ЗАО«НИИтурбокомпрессор») k=1-5.
Таким образом, с увеличением />, т.е. с уменьшением скорости на выходеиз РК, количество гармоник, имеющих максимальные амплитуды, уменьшается.
При исследовании пульсаций скорости термоанемометрическим методомизмерительная аппаратура, включающая в себя проволочный датчик, термоанемометр DISA55M, линеаризатор, аналогово-цифровойпреобразователь (АЦП) и ПЭВМ с программным пакетом для анализа измеренных сигналов,заимствована на кафедре 22 КГТУ им.А.Н. Туполева. С помощью программы, имеющейсяв составе измерительной аппаратуры, исходный сигнал разложен в ряд Фурье и найденаэнергия сигналов пульсаций скорости Еk. На основепостроения графика зависимости Еk от кратности гармоник k выявлены k, имеющие максимальные амплитуды(рис.4). Для ступени №2 с БЛД k=1-4. Для ступени №1 с БЛДk=1. В связи с частотой опроса 2500 Гц выявить гармоникис кратностями k=z2 и2z2 и выше при Mu2=0,5(f0=182Гц) не удалось. Однако с уменьшением частотывращения эти гармоники также проявлялись.
/>
1 — /> /> /> /> -
2 — /> /> /> /> -
3 — /> /> /> /> - />
4 — /> /> /> /> -
5 — /> /> /> /> -
6 — /> /> />, /> -
7 — /> /> /> /> -
Рис. 2. Зависимость /> дляпокрывного диска РК ступеней с БЛД
1, 2, 3, 4 – данные других авторов; 5, 6, 7 – данные автора
Исследование пульсаций давлений на передней стенке за РК проведено с использованиемаппаратуры, включающей датчик тензометрического типа, изготовленный в ЗАО«НИИтурбокомпрессор», АЦП и ПЭВМ с пакетом программ, позволяющих проводитьгармонический анализ измеренных сигналов. Измерительная система имела частоту опроса5000 Гц. В процессе измерения исходный сигнал разложен в ряд Фурье и построен графикзависимости амплитуды пульсаций давления pk от кратности гармоник k (рис.5). На основеэтого графика выявлены k, имеющие максимальные амплитуды.Для ступени №2 с БЛД k=1-4, k=z2 и 2z2; для ступени№1 с БЛД k=1-2 и k=z2; для ступени №2 с ЛД k=1,k=z2 и 2z2. Измерение пульсаций статических давлений за РКс частотой опроса 5000 Гц подтверждает данные, полученные с помощью термоанемометра,и дополняет их выявленными кратностями гармоник k=z2 и 2z2 имеющихмаксимальные амплитуды.
/>
Рис. 3. Гармонический анализ зависимости /> за РК на />
а) ступень №1 с БЛД (/>,/>)
б) ступень №2 с БЛД (/>,/>)
/>
а) при />, б) при/>, в) при />
1 — датчик в центре (b3/2),2 — датчик около покрывного диска.
Рис. 4. Зависимость Еk=f(k) на /> дляступени №2 с БЛД (/>, />)
/>
Рис. 5. Зависимость pk=f(k) на /> при/>
а) Ступень №1 с БЛД (/>,/>), f0=182,4Гц; 1 — />; 2 — />; 3 — />
б) Ступень №2 с БЛД (/>,/>), f0=182,4Гц; 1 — />, 2 — />, 3 — />
Таким образом, на основе стандартного Фурье-анализа переменных аэродинамическихнагрузок, полученных экспериментально тремя разными методами дополняющими друг друга,определены кратности гармоник с наибольшими амплитудами. Частоты возмущающих переменныхаэродинамических нагрузок определены по выражению
fk=k×n,
где n — частота вращения РК (об/с), и использованыв дальнейшем для определения резонансов РК.
В третьей главе на основании обобщенных данных разработанметод расчета давлений, с учетом неравномерности по окружности, действующих с внешнейстороны на диски РК. В качестве исходных данных необходима геометрия ступени и газодинамическаяхарактеристика в безразмерном виде.
Из обобщенных данных по графику на рис.1, при известных /> и W, определяется значение /> для радиуса />. Далее находится/> используярис.2 и величины /> и далее А для каждого последующего/> по формуле
/>. (1)
и величина аэродинамической нагрузки с учетом амплитуды неравномерности/> по формуле
/>. (2)
Рассчитанная величина аэродинамической нагрузки с учетом амплитудынеравномерности /> в последующем используется для определениядинамических нагрузок на внешние поверхности дисков РК.
Определение мгновенных изменений давлений на диски и лопаткив межлопаточных каналах РК, возникающих за счет разного противодавления из-за неравномерностидавления на выходе РК за 1 оборот проводилось с помощью программного комплекса,в котором решаются задачи: расчета осесимметричного потока в меридиональном каналеРК; обтекания решеток профилей на осесимметричных поверхностях тока. Среднее давлениена выходе из РК /> при /> определялось на основе расчета потокана осесимметричных поверхностях тока при известных начальных параметрах (pн, Тн, Мu,R, k, Ф0) и заданнойгеометрии ступени; оно сравнивалось со средним давлением p2,известным из опытной газодинамической характеристики ступени. Это отличие определялоськоэффициентом коррекции КК, который меньше 1, т.к. при расчете /> не учитываютсяпотери. КК рассчитывался по формуле
/>, (3)
С использованием величины А при />, определяемой по методу, представленномувыше, вычислялось максимальное и минимальное давления p2с учетом нестационарности по формуле
/>,/>. (4)
Для определения поля давлений, действующего на диски и лопаткивнутри канала РК, с использованием расчета потока на осесимметричных поверхностяхтока, максимальное и минимальное давления на выходе из РК вычислялось по формулам
/>,/>. (5)
Заданные значения /> и /> достигали за счет подбора расчетомпотока на осесимметричных поверхностях тока двух мгновенных за 1 оборот значенийФ0и соответствующих мгновенных эпюр давлений и скоростей, в канале РК.Последние сравнивали со средними значениями, полученными для среднего за 1 оборотдавления /> поокружности за РК, соответствующего исходному Ф0. В результате находилипредполагаемое мгновенное значение давления pми относительной скорости Wм по ширине каналана данном />,которые, в последующем, использовались для расчета динамических напряжений в межлопаточныхотсеках РК. Рассчитанные распределения относительных скоростей в каналах РК сравнивалисьс экспериментальными данными Красильникова В.А., Локшина И.Л., Тарасова А.Д. Полученоудовлетворительное качественное совпадение, что позволяет использовать эту математическуюмодель.
Расчет динамических напряжений проведен с помощью МКЭ, реализованногов программном пакете ANSYS. Для моделирования напряженно-деформированногосостояния РК была построена КЭ модель сектора РК. В связи с отличием координатнойсетки поверхностной нагрузки от узловой координатной сетки поверхностей дисков илопатки КЭ модели, разработана программа включающая: упорядочивание узловой координатнойсетки поверхностей КЭ модели; определение нагрузок в виде давлений, соответствующихэтой сетке, с интерполяцией давлений по координатной сетке исходной поверхностнойнагрузки и запись списка нагрузок командами ANSYS. Поверхностнуюнагрузку в виде давлений прикладывали к дискам на радиусах />, где имеет место минимальнаяжесткость конструкции и происходят основные усталостные разрушения от динамическихнапряжений.
В четвертой главе приведено построение КЭ модели РК. Качествоее построения проверено согласованием расчетов по МКЭ (рис.6) с опытными даннымипо собственным частотам и формам колебаний исследованных РК, полученными методомголографической интерферометрии (рис.7).
/>
Рассчитанные без учета вращения с помощью МКЭ собственные частотыfр и формы колебаний РК ступени №2, представленныев таблице 2, хорошо согласуются с экспериментальными частотами fэ и формами колебаний. Сравнение экспериментальныхи расчетных частот и форм колебаний показывает хорошее совпадение, что позволяетговорить о применимости, в дальнейшем, расчетного метода для определения собственныхчастот и форм колебаний.
Таблица 2Число узловых диаметров
РК ступени №2 (/>)
fэ, Гц
fр, Гц
/> 2 1856 1842 0,7 3 3671 3643 0,7 4 5080 4815 5,2 5 6010 5615 6,5
МКЭ, реализованный в ANSYS, позволилрассчитать также собственные частоты fр' и формыколебания РК с учетом его вращения. При вращении жесткость РК увеличивается, чтоприводит к росту собственных частот.
На основе определенных в данной работе fk fр fр'=f (n) построены частотные диаграммы (диаграммыКэмпбелла) для РК трех исследованных ступеней. В точке пересечения этих кривых определенычастоты вращения РК, при которых возникнет резонанс.
Проведен анализ динамической и статической прочности РК трехисследованных ступеней, работающих в реальных компрессорах. В результате этого анализаобнаружено, что максимальная интенсивность динамических напряжений sа наблюдается на периферии РК в местестыка лопатки с покрывным диском (рис.8 РК ступени №2). Также определены запасыусталостной прочности для покрывного диска исследованных РК по формуле
/>, (6)
где /> - предельное амплитудное напряжениепри асимметричных циклах нагружения для покрывного диска РК с лопаткой из стали07Х16Н6.
/>
/> определяется из диаграммы выносливостипо рассчитанной величине статического напряжения sm. Запасы прочности по динамическим /> и статическим /> напряжениям длятрех исследованных РК приведены в таблице 3.
Таблица 3 РК ступени №1 РК ступени №2 РК ступени №3
Запасы по динамическим напряжениям na 13,8 1,9 12,4
Запасы по статическим напряжениям nm 1,54 1,67 1,36
Из таблицы 3 видно, что для РК ступени №2 запас усталостной прочностипокрывного диска />, что меньше нормированного значения[nа] =3 и прочность покрывного диска не выполняется.В связи с этим возможно разрушение покрывного диска в периферийной зоне РК. Дляувеличения усталостной прочности РК необходимо изменить его конструкцию.
Выводы
1. Экспериментально исследована неравномерность поля давленийи скоростей по окружности около дисков РК и на его периферии с помощью пневмометрическихи безынерционных измерительных приборов для трех, широко применяемых компактныхцентробежных ступеней концевого типа с БЛД и ЛД, ВУ и КК, охватывающих три характерныхдля ЦК значения коэффициента расхода Ф0(0,025-0,07-0,09), в диапазонеMu=0,5-0,7 и Mu=1,1для ступени №3 и имеющих закрытые и полуоткрытые РК с цилиндрическими и пространственнымилопатками. В результате полученных экспериментальных данных показано, что переменнаясоставляющая давления для исследованных ступеней может достигать 10-30% от среднихзначений по окружности за РК.
2. В результате анализа собственных экспериментальных данныхи данных других авторов для закрытых и полуоткрытых РК с углами bл2=90°, 60°, 50°, 45°,32° получены значения амплитуд неравномерностидавления по окружности (от влияния ВУ и ЛД) на участках от наружного радиуса РКдо радиуса уплотнения. Выявлено, что неравномерность давления является максимальнойоколо покрывного диска РК при /> и использовании БЛД.
3. В результате обобщения экспериментальных данных по неравномерностидавления разработана программа для ПЭВМ расчета переменных давлений, действующихна диски РК с внешней стороны для рассмотренных типов концевых ступеней. Для расчетапо программе необходима исходная геометрия и газодинамические характеристики ступени.
4. Давления непосредственно в каналах РК определены расчетомпо известной методике расчета осесимметричного потока с учетом переменности стесненияпотока и последующей идентификацией расчетов с опытными данными на границах РК.Предполагалось, что изменение расхода через канал РК за один оборот его за счетразного противодавления из-за неравномерности по окружности вызывает соответствующееизменение давления в канале РК. Это явление использовано для расчета мгновенныхзначений давления в канале РК.
5. Выполнен расчет по МКЭ статических и динамических напряженийи соответствующих запасов прочности на основе действия центробежных сил и поля переменныхдавлений, действующих с внешней и внутренней стороны дисков трех исследованных типовРК, работающих в составе реальных ЦК, и даны рекомендации по совершенствованию конструкций.В частности, для РК ступени №2 с БЛД запас по динамическим напряжениям составляет1,9, что требует изменения конструкции.
6. С помощью пневмометрических и безынерционных систем измеренийдавлений и скоростей в области выхода из РК и анализа спектра частот их колебанийпо ширине канала определены номера гармоник k частот воздействия f=k×n переменных давлений, соответствующихвысоким амплитудам, для исследованных типов РК на разных режимах работы. Для РК,работающих с БЛД и ВУ (или КК) они находятся в диапазоне от k=1до k=6 в зависимости от степени реактивности W и k=z2 (z2 — число лопатокРК), а работающих с ЛД составляют k=1, k=z2 и k=z3 (z3 — число лопатокЛД).
7. Методом голографической интерферометрии определены собственныечастоты и формы колебаний исследованных трех типов закрытых (bл2=90° и 45°) и полуоткрытого( (bл2=50°) РК и проведено их сравнение с результатамирасчета собственных частот и форм колебаний по МКЭ с использованием пакета ANSYS (лицензия № 24281/101217 ЗАО «НИИтурбокомпрессор им.В.Б.Шнеппа»). Совпадение опытных и расчетных данных в пределах 3-5% показало приемлемостьпостроенной КЭ-модели и она использована для расчета собственных частот и форм колебанийс учетом вращения РК.
8. В результате анализа построенных частотных диаграмм выявленырезонансные режимы работы трех исследованных типов РК с bл2=90°, 45° и 50°.Например, для ступени с закрытым РК (bл2=90°, />, цилиндрические лопатки, БЛД и КК)в диапазоне n=11000-15000об/мин определены три резонансныечастоты вращения n=13811об/мин (k=5,два узловых диаметра), n=11854об/мин (k=z2=23, 5 узловых диаметров) и n=14251об/мин(k= z2=23, 6 узловыхдиаметров). Широкое закрытое РК (bл2=45°, />, пространственные лопатки, ЛД и КК)имело только одну резонансную частоту вращения n=11240об/мин(k=z3=10, 2 узловых диаметра).В полуоткрытом РК (bл2=50°, />, ЛД, пространственные лопатки) в интервалеn=15000-25000об/мин резонансные частоты вращения проявлялисьпри n=21000об/мин (k=z2=17, зонтичные колебания) и n=15000об/мин(k=z2=17, 6 узловых диаметров;k=z3=19, 8 узловых диаметров).Для этого РК выявлены также характерные формы колебаний лопаток входного вращающегосяаппарата.
9. Проведен анализ причин реального обширного усталостного разрушениялицензионного закрытого РК типа " L" ЦК синтезгаза с помощью предлагаемых методов расчета переменных давлений, динамических напряженийи резонансных частот вращения. Результаты анализа подтвердили факт усталостногоразрушения РК типа «L», что позволяет рекомендоватьиспользованные методы для проектирования ЦК.
По теме диссертации опубликованы следующие работы
1. Футин В.А. Анализ погрешностей измеренийпри газодинамических испытаниях сменных проточных частей для ГПА. — Материалы докладовХIV Всероссийской межвузовскойнаучно-технической конференции «Внутрикамерные процессы в энергетических установках,акустика, диагностика, экология».Ч.I. Казань, 2002, с.89-92.
2. Футин В.А. Изучение нестационарныхпроцессов за рабочим колесом центробежного компрессора. — Тезисы докладов VI научно-технической конференции молодыхспециалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорныхмашин». Казань, 2002, с.18-19.
3. Футин В.А. Экспериментальное исследованиераспределения давления за рабочим колесом центробежного компрессора. — Сборник материаловXV Всероссийской межвузовскойнаучно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессыв энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроляприродной среды, веществ, материалов и изделий». Ч. II. Казань,2003, с.36-37.
4. Футин В.А. Экспериментальное определениенеравномерности распределение давления по окружности около дисков закрытых рабочихколес центробежных ступеней концевого типа. — Сборник материалов XVI всероссийской межвузовскойнаучно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессыв энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем,приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».Ч.I.Казань, 2004, с.231-232.
5. Евгеньев С.С., Футин В.А. Экспериментальноеопределение пульсаций давлений и скоростей за рабочим колесом центробежной ступениконцевого типа. — Сборник материалов XVI всероссийской межвузовской научно-технической конференции«Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках,струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природнойсреды, веществ, материалов и изделий».Ч.I. Казань, 2004, с.229-231.
6. Евгеньев С.С., Футин В.А. Экспериментальноеисследование пульсаций скоростей и статических давлений за рабочим колесом центробежногокомпрессора. — Тезисы докладов VII международнойнаучно-технической конференции молодых специалистов «Исследование, конструированиеи технология изготовления компрессорных машин» посвященная 80-летию со днярождения В.Б. Шнеппа, Казань, 2004, с.
7. . Евгеньев С.С., Футин В.А. К определениюнеравномерности распределения давления по окружности около дисков закрытых рабочихколес центробежных компрессоров. — Тезисы докладов VII международной научно-технической конференции молодых специалистов«Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин»посвященная 80-летию со дня рождения В.Б. Шнеппа, Казань, 2004, с.
8. Евгеньев С.С., Футин В.А. Исследованиенеравномерности потока за рабочим колесом центробежного компрессора. — Сборник научныхтрудов под редакцией доктора техн. наук И.Г. Хисамеева «Проектирование и исследованиекомпрессорных машин». Вып.5, Казань, 2004, с.124-139.
9. Евгеньев С.С., Футин В.А. Исследованиепульсаций давлений и скоростей за рабочим колесом ступени концевого типа центробежногокомпрессора. — Труды XIII Международнойнаучно-технической конференции по компрессоростроению «Компрессорная техникаи пневматика в XXI веке».Ч.I.,Сумы, 2004, с.83-90.
10. Евгеньев С.С., Футин В.А. Распределениедавления по окружности около дисков закрытых рабочих колес ступеней концевого типацентробежных компрессоров. — Труды XIII Международной научно-технической конференции по компрессоростроению«Компрессорная техника и пневматика в XXI веке».Ч.I., Сумы, 2004, с.125-131.
11. Евгеньев С.С., Футин В.А. Определениерезонансных режимов рабочих колес центробежных компрессоров, испытывающих воздействиепеременных давлений. — Материалы Международной молодежной научной конференции«XII Туполевскиечтения». Том I., Казань, 2004, с.221-223.
12. Евгеньев С.С., Футин В.А. Распределениедавления по окружности около дисков закрытых рабочих колес ступеней концевого типацентробежных компрессоров. // — Компрессорная техника и пневматика., № 8, 2004,с.28-30.
13. Евгеньев С.С., Футин В.А., КаримовА.Х., Макаева Р.Х., Царева А.М. Определение резонансных частот вращения закрытыхрабочих колес центробежных компрессоров. — Тезисы докладов Международной научно-техническойконференции «Рабочие процессы и технология двигателей», 23-27 мая 2005 г. КГТУ им.А.Н. Туполева, Казань. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2005, с. 198-200.
14. Евгеньев С.С., Футин В.А. Определениепеременных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений, действующих на рабочиеколеса центробежных компрессоров. — II Международная научно-техническая конференция «АвиадвигателиXXI века». Сб.тезисов, том I. — М.: ЦИАМ, 2005, с.323-325.