Аеропружні властивості робочих лопаток останнього ступеня потужної парової турбіни

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2023.01.006
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 26, № 1, 2023 (березень)
Сторінки 6–14

 

Автори

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

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

 

Анотація

Лопатки потужних парових турбін зазнають значних нестаціонарних навантажень, які, у деяких випадках, можуть призвести до появи самозбудних коливань або автоколивань. Ці коливання вкрай небезпечні та негативно впливають на ресурс лопаткового апарату. При розробці нових чи модернізації існуючих ступенів турбіни необхідно виконувати дослідження аеропружної поведінки робочих лопаток. В результаті модернізації циліндру низького тиску парової турбіни 1000 МВт довжина робочих лопаток останнього ступеня збільшилась до 1650 мм. У зв’язку з цим було проведено чисельний аналіз аеропружних характеристик робочих лопаток останнього ступеня у номінальному режимі роботи. При аналізі використовувався метод розв’язання зв’язаної задачі нестаціонарної аеродинаміки та пружних коливань лопаток, який дозволяє прогнозувати амплітудно-частотний спектр нестаціонарних навантажень і коливань лопаток в потоці в’язкого газу. У роботі представлено результати чисельного аналізу аеропружних характеристик лопаткового вінця ротора останнього ступеня як для режиму вимушених гармонійних коливань з заданою амплітудою та міжлопатковим зсувом фаз, так і для режиму зв’язаних коливань лопаток під дією нестаціонарних аеродинамічних сил.  Результати моделювання зв’язаних коливань лопаток для п’яти перших власних форм представлено у формі розподілу за часом переміщення периферійного перетину лопатки, а також сил та моментів, що діють на периферійний перетин. Наведено також відповідні амплітудно-частотні спектри переміщень та навантажень у периферійному перетині. Результати розрахунків показали позитивне демпфування коливань, відсутність флатеру та автоколивань на перших п’яти власних формах коливань лопатки у номінальному режимі роботи парової турбіни.

 

Ключові слова: аеропружність, флатер, парова турбіна, модальний метод, чисельна аеродинаміка.

 

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, 8th–11th September 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, 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. 2017. 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. 2018. 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. 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: Енергетичніта теплотехнічні процеси й устаткування. 2020. № 2 (4). С. 11–17. https://doi.org/10.20998/2078-774X.2020.02.02.
  23. Baldwin B., Lomax H. Thin layer approximation and algebraic model for separated turbulent flow. AIAA. 16th Aerospace Sciences Meeting. 1978. Paper 78–0257. P. 1−45. https://doi.org/10.2514/6.1978-257.
  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. 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 31.01.2023