Файл: Богомолов С.И. Взаимосвязанные колебания в турбомашинах и газотурбинных двигателях.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.07.2024
Просмотров: 103
Скачиваний: 0
С. И. Б О Г О М О Л О В , А. М. Ж У Р А В Л Е В А
ВЗАИМОСВЯЗАННЫЕ
КОЛЕБАНИЯ
ВТУРБОМАШИНАХ
ИГАЗОТУРБИННЫХ
ДВИГАТЕЛЯХ
И З Д А Т Е Л Ь С К О Е О Б Ъ Е Д И Н Е Н И Е » В И Щ А Ш К О Л А » И З Д А Т Е Л Ь С Т В О ПРИ Х А Р Ь К О В С К О М Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н О М
У Н И В Е Р С И Т Е Т Е
Х а р ь к о в |
1 9 7 3 |
Б74 |
э к s i'î |
У Д К 539.3 : 534.1 |
|
В книге представлены |
результаты теоретичес |
|||||||
ких расчетных |
и экспериментальных |
исследований |
||||||
колебаний отдельных |
элементов |
роторов |
турбома- |
|||||
шни и газотурбинных |
двигателей, |
взаимосвязанных |
||||||
колебаний дисков |
и лопаток, облопаченных |
дисков, |
||||||
объединенных в пакет |
оболочкой |
вращения. Рас |
||||||
смотрены колебания и критические скорости |
ротора, |
|||||||
а также таких сложных динамических |
систем, как |
|||||||
ротор — корпус, |
винт — редуктор — компрессор — |
|||||||
турбина. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Приведены результаты расчетов, которые поз |
||||||||
воляют провести |
качественнный |
анализ |
явлении, |
|||||
происходящих |
в сложных |
динамических |
системах. |
|||||
Рассчитана |
на научных работников, |
инженеров |
||||||
и аспирантов, а также на студентов, |
специализи |
|||||||
рующихся в области |
колебаний |
различных |
слож |
|||||
ных механических |
систем. |
|
|
|
|
|
3132—022 Б- М226(04) — 73 58—73
С)Издательство издательского объединения «Внща школа»
при Харьковском государственном университете, 1973.
ВВЕДЕНИЕ
Паровые, газовые турбины и авиационные газотурбин ные двигатели составляют основу современной энергетики. Обеспечение надежной работы таких установок является одной из центральных проблем науки и техники.
Тенденция к значительному увеличению мощности турбомашин при одновременном уменьшении их материало емкости приводит к резкому возрастанию напряженности,
особенно |
динамической, как |
всей системы в целом, |
так |
|
и отдельных элементов, главным образом ротора. |
Ротор — |
|||
основной, |
наиболее важный |
и напряженный |
узел |
всех |
стационарных и транспортных турбомашии. Вопросы ди намической прочности роторов занимают главное место
вповышении надежности паровых и газовых турбин, компрессоров и авиационных газотурбинных двигателей.
Уменьшение жесткостных характеристик турбомашии, усложнение их конструкции обусловливают динамическую взаимосвязанность конструктивных элементов. Поэтому динамические явления, происходящие в отдельных эле ментах, нельзя рассматривать изолированно одно от дру гого.
Изучению взаимосвязанных колебаний в турбомашинах
впоследнее время уделяется большое внимание. Значитель ный вклад в решение различных вопросов этой проблемы
внесли |
А. Ф. |
Гуров, Ф. М. |
Диментберг, |
В. П. |
Ива |
||
нов, К. |
А. Крюков, М. Л . Кэмпнер, А. |
В. |
Левин, |
||||
А. Н . |
Огуречников, |
А. П. Филиппов, |
Д . |
В. Хронин, |
|||
Б . Ф. Шорр и др. Однако ряд важных |
вопросов, |
каса |
|||||
ющихся |
совместных |
колебаний |
элементов |
турбомашии, |
|||
еще не |
решен. |
В первую очередь это |
относится |
к со |
вместным колебаниям элементов роторов турбомашии слож ных конструктивных форм.
В монографии рассматриваются колебания рабочих лопаток, дисков, системы дисков, подкрепленных оболоч ками вращения, исследуются взаимосвязанные колебания
s
этих конструктивных элементов, а также собственные колебания и критические скорости роторов турбомашин, составляющих вместе с корпусом единую динамическую систему. Особое внимание уделяется общей методике по строения расчетных схем сложных конструкций.
Решение этих задач возможно лишь при использова нии электронных цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ). Д л я всех рассмотренных задач разработаны соответству ющие алгоритмы для ЭЦВМ типа М-222.
Работа выполнена в проблемной лаборатории «Динами ческая прочность деталей машин» Харьковского поли технического института.
Г Л А В А |
I |
|
П О С Т А Н О В К А З А Д А Ч И И М А Т Р И Ч Н Ы Е |
У Р А В Н Е Н И Я |
|
К О Л Е Б А Н И Й О С Н О В Н Ы Х |
К О Н С Т Р У К Т И В Н Ы Х |
|
Э Л Е М Е Н Т О В Р О Т О Р А |
|
§ 1. ТИПИЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ РОТОРОВ СОВРЕМЕННЫХ ТУРБОМАШИН И ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ ДИНАМИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ
Одна из характерных особенностей современных турбомашнн, которая обусловлена противоречивыми по своей сущности требованиями, предъявляемыми к ним (увели чение мощности и одновременное уменьшение весогабаритных характеристик), заключается в усложнении и облегчении их конструкций, особенно конструктивных элементов роторной группы. В связи с тем что в даль нейшем рассматриваются вопросы, связанные с изучением динамических свойств роторов, а также сложные взаимо зависимые колебания отдельных элементов, укажем лишь на некоторые конструктивные особенности современных турбомашин.
Повышение мощности паровых турбин достигается путем значительного увеличения размеров рабочих колес последних ступеней, применения рабочих лопаток предель ной длины, двухвальной конструкции с пониженным числом оборотов ротора для цилиндров низкого давления и т. д.
Особенно велико разнообразие сложных конструктив ных решений в газотурбинных двигателях. Создание новых более мощных силовых установок здесь связано с при менением сложных оболочечных конструкций роторов и корпусов. Например, широко распространенная конструк ция ротора барабанно-дискового типа, схема которого представлена на рис. 1, а, представляет собой систему дисков, подкрепленных короткими цилиндрическими либо коническими оболочками вращения. Роторы такого типа обладают достаточной прочностью и имеют высокие кри тические числа оборотов [40].
5
В некоторых конструкциях роторов ГТД компрессор ные диски крепятся на консольной цилиндрической обо лочке, которая, в свою очередь, соединяется с валом с помощью конической оболочки (рис. 1, б). Цилиндриче ские или конические оболочки, несущие систему дисков,
О О О Q
О |
О |
О |
О |
0 |
|
н и |
|
|
|
О |
О |
-4 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
D O D O |
|
|
|
D |
Û |
* |
D |
D |
D D |
' |
O D |
D O D O
DO
Рис. 1. |
Конструктивные схемы |
роторов. |
|
иногда связываются с валом с помощью другого |
диска |
||
(рис. 1, б). |
|
|
|
Весьма сложен |
в конструктивном |
отношении |
ротор |
турбовинтового двигателя (рис. 1, г). Здесь при исследо вании динамических свойств приходится рассматривать взаимосвязанные колебания единой системы, состоящей
6
из винта, редуктора, компрессора и газовой турбины. При изучении общей вибрации ГТД необходимо учитывать жесткостные характеристики корпуса, который выполня ется в виде оболочки (рис. 1, д).
Д л я получения минимальных удельного веса и габа ритов силовых и энергетических установок в роторах
используют тонкостенные конструкции. Так, |
уменьшение |
||||||
оборотов ротора мощных паровых турбин до |
1500 |
об/мин |
|||||
обусловило в ряде случаев применение тонких |
дисков. |
||||||
Многие диски |
газовых турбин и компрессоров ГТД име |
||||||
ют |
толщину, |
которая составляет всего 3—4% |
наруж |
||||
ного |
диаметра. Толщина |
дисков |
и |
подкрепляющих обо |
|||
лочек некоторых осевых компрессоров |
барабанно-дискового |
||||||
типа |
составляет 5—6 мм, |
а иногда и меньше. Д л я |
турбо |
||||
вентиляторных |
газотурбинных |
двигателей |
характерно |
применение тонких дисков большого диаметра. В неко
торых |
ГТД диски |
оказываются настолько податливыми, |
||
что вибрационная |
настройка рабочих лопаток может |
быть |
||
осуществлена только лишь путем изменения |
динамичес |
|||
ких свойств самого диска. Очевидно, что для |
таких |
ра |
||
бочих |
колес вообще неправомерна постановка |
задачи о |
колебаниях отдельных рабочих лопаток. Если конструк ция диска не позволяет полностью исключить возмож ность возникновения изгибных колебаний, вибрации рабо чих лопаток зависят от изгибных колебаний диска и составляют с ним единое целое.
Экспериментальные исследования показывают, что воз мущающие силы, действующие на рабочие лопатки не которой ступени ротора барабанно-дискового типа, могут быть причиной значительных резонансных колебаний рабочих лопаток и дисков любой другой ступени. В этом случае необходима постановка задачи о сложных взаимо связанных колебаниях системы облопаченных дисков, подкрепленных оболочками вращения. Очевидно также, что изучение общих вибраций газотурбинного двигателя должно базироваться на математическом описании коле баний сложной системы ротор—корпус.
Таким образом, одна из главных тенденций |
развития |
|||||
современного энергомашиностроения — создание |
напря |
|||||
женных |
конструкций |
возможно |
меньшей |
материалоем |
||
к о с т и — приводит |
к |
разработке |
примерно |
равнопрочных |
||
узлов и |
деталей, |
в результате чего жесткостные |
характе |
ристики отдельных конструктивных элементов оказываются
7
одного |
и того |
же |
порядка. Д л я таких |
силовых и |
|
энергетических |
установок |
характерна |
взаимозависи |
||
мость |
динамических |
явлений, |
динамическая |
связанность |
отдельных конструктивных элементов. Это в некоторых случаях требует более общей постановки задач о сов
местных |
взаимосвязанных |
колебаниях конструктивных |
||
элементов. |
|
|
|
|
Успехи в решении ряда вопросов колебаний сложных |
||||
систем достигнуты на |
основе широкой разработки |
метода |
||
динамических жесткостей |
[15, 16, 18, 20, 27, 28, |
31, 36, |
||
44, 45], |
вариационных |
методов [42, 43]. Однако |
некото |
|
рые практически важные аспекты этой проблемы |
до сих |
|||
пор не |
освещены. |
|
|
|
Ввиду значительного разнообразия конструктивных форм элементов турбомашин существует большое число методов теоретического исследования их напряженного состояния. Вместе с тем широкое внедрение в инженер ную практику современных вычислительных машин поз воляет предложить единый подход к изучению прочности и динамики сложных механических систем.
Решающее значение |
в |
разработке |
единого |
подхода |
|||
к изучению колебаний |
сложных |
систем |
имеют матричные |
||||
методы, хорошо |
приспособленные |
для |
машинной |
реали |
|||
зации. Если сложную механическую систему |
расчленить |
||||||
на простые конструктивные |
элементы, для которых могут |
||||||
быть получены |
соответствующие |
уравнения |
движения в |
матричном виде, то обычные матричные операции позво ляют описать динамическое поведение исходной сложной системы. Однако д л я получения практических результа тов при таком подходе должны учитываться возможности современных вычислительных машин. Существенное зна чение приобретают также целесообразный выбор исход ных расчетных схем, разработка на их основе соответст вующих алгоритмов и работоспособных программ для ЭЦВМ .
В целях изучения взаимосвязанных колебаний, воз никающих в паровых и газовых турбинах и газотурбин ных двигателях, сложные конструкции ротора и корпуса
целесообразно |
расчленить |
на простейшие |
конструктивные |
||||
элементы: |
рабочие |
лопатки, |
представляющие |
собой ес |
|||
тественно |
закрученные стержни переменного сечения; дис |
||||||
к и — круглые |
пластины |
переменной толщины; |
участки |
||||
цилиндрических и |
конических |
оболочек, |
участки вала, |
8