Усовершенствованная методика расчетов напряженно-деформированного состояния и частотных характеристик рабочих лопаток паровых турбин

• Автор: Гаврилов, Сергей Николаевич
• Шифр специальности: 05.04.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 137 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
1. Традиционные подходы к расчету рабочих лопаток
1.1. Условия работы лопаточного аппарата паровых
турбин
1.2. Основные методы расчета лопаток
1.2.1. Классическая теория стержней Кирхгофа-
Клебша
1.2.2. Техническая теория закрученных стержней
1.2.3. Постановка граничных условий
1.2.4. Области применимости моделей лопаток
1.3. Метод конечных элементов
1.4. Необходимость изменения методики расчета
рабочих лопаток .
2. Определение частотных характеристик отдельных
лопаток по усовершенствованной методике
2.1. Основные шаги методики
2.1.1. Создание конечно-элементной модели
2.1.2. Методика постановки граничных условий
2.1.3. Расчет напряженно-деформированного состояния и частотных характеристик
рабочих лопаток
2.1.4. Вибрационная настройка рабочих лопаток
2.2. Т-образное хвостовое соединение
2.2.1. Напряженно-деформированное состояние Т-образного хвостового соединения
2.2.1.1. Аналитическое решение
2.2.1.2. Численное решение
2.2.2. Постановка граничных условий
2.2.3. Анализ частотных характеристик
2.3. Елочное хвостовое соединение
2.3.1. Постановка граничных условий
2.3.2. Анализ частотных характеристик
2.4. Вильчатое хвостовое соединение
2.4.1. Постановка граничных условий
2.4.2. Анализ частотных характеристик
3. Особенности применения усовершенствованной методики для расчета «замкнутых на круг» лопаток
3.1. Колебания рабочих лопаток, «замкнутых на круг»
3.2. Алгоритм проведения расчетов
3.3. Частотный анализ колебаний лопаток,
«замкнутых на круг»
4. Расчеты рабочих лопаток в нелинейной постановке
4.1. Расчет напряженно-деформированного состояния
с учетом нелинейных свойств материала
4.2. Расчет частотных характеристик рабочих лопаток
с учетом геометрической нелинейности
Заключение
Литература Приложение
Введение
Паротурбинные энергетические установки, работающие на органическом или ядерном топливе, являются основой современной энергетики. В настоящее время в эксплуатации на электростанциях находятся паровые турбины различной мощности от 25 МВт до 1200 МВт, спроектированные на параметры пара от низких (давление 4-6 МПа, температура 250-300°С) до сверхкритических параметров (давление 24-30 МПа, температура 560-650°С). Широкое применение паровые турбины находят в судовых паротурбинных установках, используются в качестве приводов и т.д.
Одним из основных элементов конструкции турбины является лопаточный аппарат. Конструкция лопаток в значительной мере влияет на экономичность работы турбоустановки и ее мощность. Особенно это относится к рабочим лопаткам последних ступеней ЦНД, работающим в условиях предельных нагрузок. Например, центробежная сила лопатки длиной 1200 миллиметров, изготовленной из титанового сплава, составляет около 200 тонн, а линейная скорость на периферии достигает 660м/с. Помимо высоких статических нагрузок, большое значение имеют динамические напряжения, которые могут быть очень опасны в случае возникновения резонанса. Поэтому вибрационная отстройка лопаток является одним из необходимых условий их надежной работы.
По статистике, около трети всех отказов в турбомашинах возникают из-за поломок рабочих лопаток, а изменение на 5-10% собственных частот колебаний рабочих лопаток полностью меняет вибрационное состояние облопаченного диска и может привести к разрушению ступени.
Традиционными подходами, используемыми при расчете лопаток, являются методики, основанные на соотношениях теории стержней. К
1.4. Необходимость изменения методики расчета рабочих лопаток
Как уже было замечено ранее, в настоящее время существует несколько методик расчета рабочих лопаток турбомашин, основанных на стержневой теории. У каждой из этих теорий есть свои области применимости, свои принятые допущения и соответствующие погрешности вычислений.
Наиболее часто рабочие лопатки турбомашин схематизируются в виде тонкостенных естественно-закрученных стержней, совершающих изгибно-крутильно-продольные или изгибно-крутильные колебания [39]. В тех случаях, когда необходимо определить «пластинчатые» формы колебаний или учесть «косую» заделку лопатки, последнюю рассматривают в виде тонкой пластины или оболочки. При представлении лопаток в виде тонкостенных закрученных стержней, вводят следующие предположения:
-форма и размеры поперечных сечений медленно и непрерывно изменяются вдоль оси лопатки, считаем, что в каждом сечении существует центр изгиба, совпадающий с центром изгиба для цилиндрической балки с тем же поперечным сечением, причем линия, соединяющая центры изгиба различных поперечных сечений лопатки, мало отклоняется от радиальной прямой.
-размеры поперечных сечений лопатки малы по сравнению с ее длиной, а максимальная толщина сечения мала по сравнению с хордой.
- в соответствии с теорией тонких стержней, поперечным сжатием волокон, а также сдвигами в плоскости сечений лопатки можно пренебречь
- линия, соединяющая центры тяжести различных поперечных сечений, так же как и линия, соединяющая центры изгиба, мало отклоняется от радиальной прямой.