Вплив матеріалу лопаток ротора парової турбіни на аеропружні характеристики

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2024.03.006
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 27, № 3, 2024 (вересень)
Сторінки 6–15

 

Автори

Ю. А. Биков, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: bykow@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0001-7089-8993

Л. В. Колодяжна, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: gnesin@ukr.net, ORCID: 0000-0001-5469-4325

 

Анотація

Елементи потужних парових турбін, зокрема, лопатки ротора останніх ступенів, зазнають значних нестаціонарних навантажень, які в деяких випадках можуть викликати вкрай небезпечні самозбудні коливання, що негативно впливають на ефективність і ресурс лопаткового апарату. З огляду на це при розробці нових чи модернізації існуючих ступенів парових турбін рекомендовано досліджувати аеропружні характеристики робочих лопаток. На умови виникнення самозбудних коливань впливають як геометричні характеристики, так і сплав, з якого виготовлено лопатку. Для визначення впливу матеріалу лопаток на аеропружну поведінку було проведено числовий аналіз аеропружних характеристик робочих лопаток останнього ступеня, виготовлених із сталевого й титанового сплаву. Для аналізу використано метод одночасного моделювання нестаціонарної течії газу через лопаткові вінці й пружних коливань лопаток (зв’язана задача), який дозволяє отримати амплітудно-частотний спектр взаємодії нестаціонарних навантажень і коливань лопаток. У роботі представлено результати числового аналізу для гармонійних коливань із заданими амплітудою й міжлопатковим фазовим кутом, а також для режиму зв’язаних коливань лопаток під дією нестаціонарних аеродинамічних сил.  Наведено залежності коефіцієнта аеродемпфування від міжлопаткового фазового кута і розподіл коефіцієнта вздовж лопатки. Результати моделювання зв’язаних коливань лопаток для шести перших власних форм представлено у вигляді зміни за часом переміщення периферійного перетину лопатки, а також сил і моментів, що діють на периферійний перетин. Наведено відповідні амплітудно-частотні спектри переміщень і навантажень у периферійному перетині. Аналіз результатів показав несуттєву відмінність характеристик від запропонованих матеріалів лопатки. Для першої власної форми коливань лопатки виявлена можливість виникнення самозбудних коливань, для другої форми є умови для появи стійких автоколивань.

 

Ключові слова: аеропружність, флатер, парова турбіна, модальний метод, числова аеродинаміка, взаємодія рідини зі структурою.

 

Повний текст: завантажити PDF

 

Література

  1. Rzadkowski R., Surwilo J., Kubitz L., Szymaniak M. Unsteady forces in LP last stage 380 MW steam turbine rotating and non-vibrating rotor blades with exhaust hood. Journal of Vibration Engineering & Technologies. 2018. Vol. 6. No. 5. P. 357–368. https://doi.org/10.1007/s42417-018-0055-y.
  2. Petrie-Repar P., Fuhrer C., Grübel M., Vogt D. Two-dimensional steam turbine flutter test case. ISUAAAT2014. The 14th International Symposium on Unsteady Aerodynamics, Aeroacoustics and Aeroelasticity of Turbomachines, September 8–11, 2015, Stockholm, Sweden. New York: Curran Associates, Inc. 2015. P. 33–43.
  3. Drewczyński M., Rzadkowski R., Maurin A., Marszałek P. Free vibration of a mistuned steam turbine last stage bladed disc. Proceedings of ASME TURBO EXPO 2015, June 15–19, 2015, Montreal, Canada. New York: ASME. 2015. Article no. GT 2015-26011. https://doi.org/10.1115/GT2015-42080.
  4. Sun T., Petrie-Repar P., Vogt D. M., Hou A. Detached-eddy simulation applied to aeroelastic stability analysis in a last-stage steam turbine blade. ASME. Journal of Turbomachinery. 2019. Vol. 141. Iss. 9. Article no. 091002. https://doi.org/10.1115/1.4043407.
  5. Sabale A. K., Gopal N. K. V. Nonlinear aeroelastic analysis of large wind turbines under turbulent wind conditions. AIAA Journal. 2019. Vol. 57. No. 10. P. 4416−4432. https://doi.org/10.2514/1.J057404.
  6. Vahdati M., Simpson G., Imregun M. Mechanisms for wide−chord fan blade flutter. ASME. Journal of Turbomachinery. 2011. Vol. 133. Iss. 4. Article no. 041029. https://doi.org/10.1115/1.4001233.
  7. Romera D., Corral R. Nonlinear stability analysis of a generic fan with distorted inflow using passage-spectral method. ASME. Journal of Turbomachinery. 2021. Vol. 143. Iss. 6. Article no. 061001. https://doi.org/10.1115/1.4050144.
  8. Stapelfeldt S., Vahdati M. Improving the flutter margin of an unstable fan blade. ASME. Journal of Turbomachinery. 2019. Vol. 141. Iss. 7. Article no. 071006. https://doi.org/10.1115/1.4042645.
  9. Dong X., Zhang Y., Zhang Z., Lu X. Effect of tip clearance on the aeroelastic stability of a wide-chord fan rotor. ASME. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2020. Vol. 142. Iss. 9. Article no. 091010. https://doi.org/10.1115/1.4048020.
  10. Vahdati M., Cumpsty N. Aeroelastic instability in transonic fans. ASME. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2018. Vol. 138. Iss. 2. Article no. 022604. https://doi.org/10.1115/1.4031225.
  11. Hanschke B., Kühhorn A., Schrape S., Giersch T. Consequences of borescope blending repairs on modern high-pressure compressor blisk aeroelasticity. ASME. Journal of Turbomachinery. 2019. Vol. 141. Iss. 2. Article no. 021002. https://doi.org/10.1115/1.4041672.
  12. Besem F. M., Kielb R. E. Influence of the tip clearance on a compressor blade aerodynamic damping. Journal of Propulsion and Power. 2017. Vol. 33. No. 1. P. 227–233. https://doi.org/10.2514/1.B36121.
  13. Gan J., Im H., Zha G. Stall flutter simulation of a transonic axial compressor stage using a fully coupled fluid-structure interaction. 55th AIAA Aerospace Sciences Meeting, January 9–13, 2017, Grapevine, Texas, USA. Article no. AIAA 2017-0783. https://doi.org/10.2514/6.2017-0783.
  14. Vallon A., Herran M., Ficat-Andrieu V., Detandt Y. Numerical investigations of flutter phenomenon in compressor stages of helicopter engines. 2018 AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, June 25–29, 2018, Atlanta, Georgia, USA. Article no. AIAA 2018-4091. https://doi.org/10.2514/6.2018-4091.
  15. Corral R., Greco M., Vega A. Tip-shroud labyrinth seal effect on the flutter stability of turbine rotor blades. ASME. Journal of Turbomachinery. 2019. Vol. 141. Iss. 10. Article no. 101006. https://doi.org/10.1115/1.4043962.
  16. Huang H., Liu W., Petrie-Repar P., Wang D. An efficient aeroelastic eigenvalue method for analyzing coupled-mode flutter in turbomachinery. ASME. Journal of Turbomachinery. 2021. Vol. 143. Iss. 2. Article no. 021010. https://doi.org/10.1115/1.4048294.
  17. Ojha V., Fidkowski K. J., Cesnik C. E. S. Adaptive high-order fluid-structure interaction simulations with reduced mesh-motion errors. AIAA Journal. 2021. Vol. 59. No. 6. P. 2084–2101. https://doi.org/10.2514/1.J059730.
  18. Rzadkowski R., Gnesin V., Kolodyazhnaya L., Szczepanik R. Unsteady rotor blade forces of 3D transonic flow through steam turbine last stage and exhaust hood with vibrating blades. In: Mathew J., Lim C., Ma L., Sands D., Cholette M., Borghesani P. (eds) Asset Intelligence through Integration and Interoperability and Contemporary Vibration Engineering Technologies. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Cham: Springer, 2019. P. 523−531. https://doi.org/10.1007/978-3-319-95711-1_52.
  19. Rzadkowski R., Gnesin V., Kolodyazhnaya L. Aeroelasticity analysis of unsteady rotor blade forces and displacements in LP last stage steam turbine with various pressure distributions the stage exit. Journal of Vibration Engineering & Technologies. 2018. Vol. 6. No. 5. P. 333−337. https://doi.org/10.1007/s42417-018-0049-9.
  20. Rzadkowski R., Gnesin V., Kolodyazhnaya L., Kubitz L. Aeroelastic behaviour of a 3.5 stage aircraft compressor rotor blades following a bird strike. Journal of Vibration Engineering & Technologies. 2018. Vol. 6. P. 281−287. https://doi.org/10.1007/s42417-018-0044-1.
  21. Rzadkowski R., Kubitz L., Gnesin V., Kolodyazhnaya L. Flutter of long blades in a steam turbine. Journal of Vibration Engineering & Technologies. 2018. Vol. 6. Iss. 4. P. 289−296. https://doi.org/10.1007/s42417-018-0040-5.
  22. Донченко В. В., Гнесін В. І., Колодяжна Л. В., Кравченко І. Ф., Петров О. В. Прогнозування флатера лопаткового вінця вентилятора авіаційного двигуна. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування. 2020. № 2 (4). С. 11–17. https://doi.org/10.20998/2078-774X.2020.02.02.
  23. ANSYS Fluent Theory Guide. Canonsburg, PA: ANSYS, Inc., 2019. 988 p.
  24. Rusanov A. V., Shvetsov V. L., Alyokhina S.V., Pashchenko N. V., Rusanov R. A., Ishchenko M. H., Slaston L. O., Sherfedinov R. B. The efficiency increase of the steam turbine low pressure cylinder last stage by the blades spatial profiling. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2020. Vol. 23. No. 1. P. 6−14. https://doi.org/10.15407/pmach2020.01.006.
  25. Kolodiazhna L. V., Bykov Yu. A. Aeroelastic characteristics of rotor blades of last stage of a powerful steam turbine. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2023. Vol. 26. No. 1. P. 6−14. https://doi.org/10.15407/pmach2023.01.006.
  26. Gnesin V. I., Kolodiazhnaya L. V., Rzadkowski R. Aeroelastic behaviour of turbine blade row in 3D viscous flow. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2018. Vol. 21. No. 1. P. 19−30. https://doi.org/10.15407/pmach2018.01.019.

 

Надійшла до редакції 16.07.2024