Определение переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений, действующих на рабочее колесо центробежного компрессора

Актуальность работы. Центробежные компрессорные ступени широко используются в осецентробежных компрессорах газотурбинных двигателей (ГТД) наземного и авиационного исполнения, в бортовых турбогенераторах, агрегатах турбонаддува двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также в центробежных компрессорах (ЦК), применяемых в химической, нефтяной и газовой отраслях промышленности.

Опыт эксплуатации ЦК при высоких окружных скоростях вращения и давлениях рабочей среды выявил необходимость исследования нестационарных процессов в связи с усталостными поломками рабочих колес (РК) из-за наличия значительных переменных аэродинамических нагрузок. В частности, измерения деформаций на вращающихся колесах, осевых и радиальных усилий, действующих на ротор, давлений в каналах РК показали, что на установившемся режиме работы ЦК наиболее значительное отрицательное влияние на усталостную прочность колеса оказывает неравномерность распределения параметров потока по окружной координате около дисков колеса. Эта неравномерность наиболее заметна по шагу каналов РК, диффузоров, направляющих аппаратов, а также по окружности выходных устройств. При вращении ротора окружная неравномерность параметров потока, стационарная по отношению к корпусу, преобразуется в нестационарное поле давлений и скоростей по отношению к вращающемуся РК. Важно отметить, что этот вид нестационарности существует на всех режимах работы ЦК, допускаемых при эксплуатации.

При совпадении частоты возмущающей аэродинамической силы, вызванной упомянутой неравномерностью, с одной из собственных частот колебания какого-либо элемента РК (например, диска межлопаточного отсека РК) возникает резонансный режим. Последний приводит к увеличению амплитуды колебаний элементов конструкции РК и, соответственно, к опасным динамическим напряжениям и усталостным разрушениям. С повышением давления рабочей среды динамические нагрузки возрастают.

В связи с отмеченными факторами дальнейшее исследование закономерностей распределения давлений и скоростей потока по окружности около РК, разработка методов определения величины и частоты воздействия на РК переменных аэродинамических нагрузок и соответствующих напряжений, а также способов их снижения являются весьма актуальными.

Настоящая работа выполнена в соответствии с потребностями практики, планом научно-исследовательских работ ЗАО НТК, утвержденным научно-техническим советом 5 марта 2002 г., а также в соответствии с решениями У1-ХШ международных научно-технических конференций по компрессоростроению.

Цель работы. На основе экспериментальных и расчетно-теоретических исследований разработать метод определения переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений, действующих на РК ЦК.

Научная новизна. В процессе исследования получены новые научные результаты:

1. В результате экспериментальных исследований трех характерных для ЦК ступеней концевого типа с коэффициентами расхода Фо=0,03−0,07−0,09, содержащих входной аппарат, РК с цилиндрическими и пространственными лопатками, безлопаточный диффузор (БЛД) и лопаточный диффузор (ЛД) и кольцевую камеру (КК), и анализа экспериментальных данных других авторов получены обобщающие зависимости неравномерности давлений за РК и около его дисков от реактивности РК при разных режимах работы ступеней.

2. На основе обобщенных зависимостей создана программа расчета на ПЭВМ аэродинамических нагрузок, действующих на покрывной или основной диски РК с внешней стороны, учитывающая геометрию, газодинамическую характеристику ступени и направление расходного течения газа в зазорах около дисков РК.

3. Давления в каналах исследованных РК определены в результате расчета осредненного осесимметричного потока с учетом переменности его стеснения при минимальных и максимальных давлениях на выходе из РК, принятых из экспериментальных данных по неравномерности. Изменение расхода через канал РК за счет разного противодавления из-за неравномерности за один оборот вызывает соответствующее изменение давления в канале РК, что использовано для расчета мгновенных значений давлений в канале РК. •.

4. Рассчитаны динамические напряжения и запасы прочности от воздействия суммарного поля давлений на диски и лопатки РК с помощью программного пакета ANSYS. Качество построения конечно-элементной (КЭ) модели РК проверено согласованием расчетов по методу конечных элементов (МКЭ) с опытными данными по собственным частотам и формам колебаний исследованных РК, полученными методом голографической интерферометрии.

5. В результате гармонического анализа распределения статических давлений на стенке за РК, измеренных пневмометрическим методом, а также скоростей и давлений за РК, измеренных анемометриче-ским и тензометрическим методами, определены номера гармоник аэродинамических нагрузок, соответствующих максимальным амплитудам колебаний, выявлены резонансные режимы работы трех характерных РК на основе построенных частотных диаграмм.

6. Эффективность предлагаемых методов расчета переменных давлений, динамических напряжений и резонансных частот вращения подтверждена анализом усталостного разрушения реального РК.

Практическая ценность. Разработанные рекомендации расчета на ПЭВМ позволяют определять напряженно-деформированное состояние (НДС) РК при воздействии на него переменных аэродинамических нагрузок на стадии проектирования новых ЦК и заранее принять необходимые меры для повышения надежности их работы.

Созданные современные алгоритмы расчетов переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений, действующих на РК, являются необходимыми для конструктора и позволяют с меньшими затратами времени определять резонансные частоты вращения РК и запас прочности по динамическим (усталостным) напряжениям. Это позволяет сократить сроки проектирования и доводки РК, повысить качество ЦК ГТД и общепромышленных ЦК высокого давления.

В I главе представлено современное состояние вопроса по решению проблем динамической прочности РК. Рассмотрены физическая картина потока в областях, непосредственно примыкающих к РК, и нестационарность потока, определяемая окружной неравномерностью давления около дисков РК, существующие методы определения переменных аэродинамических нагрузок и динамических напряжений, действующих на РК. На основе выполненного анализа сформулированы задачи настоящего исследования.

II глава посвящена экспериментальному исследованию неравномерности потока по окружности и радиусу около дисков РК в ступенях концевого типа, имеющих безлопаточный диффузор (БЛД), лопаточный диффузор (ЛД) и кольцевую камеру (КК).

В III главе представлена разработка рекомендаций по определению переменных аэродинамических нагрузок, действующих на РК.

В IV главе рассмотрено численное моделирование вынужденных колебаний и динамических напряжений в РК в процессе проектирования с помощью программного пакета АЫЗУБ.

В заключение сформулированы выводы и рекомендации по выполненной работе.

Настоящая работа выполнена в ЗАО НТК и на кафедрах «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели» и технической физики КГТУ им. А. Н. Туполева. Автор работы занимал должности инженера-конструктора, инженера по наладке и испытаниям ступеней ЦК в период с 2001 г. по 2005 г. Лично разрабатывал объекты исследования, проводил экспериментальные исследования, занимался совершенствованием метода определения переменных аэродинамических нагрузок, действующих на РК, и численным моделированием вынужденных колебаний и динамических напряжений.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Экспериментально исследована неравномерность поля давлений и скоростей по окружности около дисков РК и на его периферии с помощью пневмометрических и малоинерционных измерительных приборов для трех, широко применяемых компактных центробежных ступеней концевого типа с БЛД и ЛД, ВУ и КК, охватывающих три характерных для ЦК значения коэффициента расхода Ф0 (0,03−0,07−0,09), в диапазоне Ми=0,5−1,1 и имеющих закрытые и полуоткрытые РК с цилиндрическими и пространственными лопатками. Показано, что переменная составляющая давления для исследованных ступеней может достигать 10−30% от средних значений по окружности за РК.

2. В результате анализа собственных экспериментальных данных и данных других авторов для закрытых и полуоткрытых РК с углами Рл2=90°, 60°, 50°, 45°, 32° получены значения неравномерности давления по окружности на участках от наружного радиуса РК до радиуса уплотнения. Выявлено, что неравномерность давления является максимальной около покрывного диска РК при г = 0,95−1,02 и использовании БЛД. Использование ЛД (гз =1,15−1,2) заметно снижает неравномерность давления в области г = 1,0. Получена обобщенная зависимость (А/рб)г = Г (0) для г = 0,7−1,0, показывающая влияние степени реактивности О на неравномерность давления, и разработана программа на ПЭВМ расчета переменных давлений, действующих на диски РК с внешней стороны для рассмотренных типов концевых ступеней.

3. Давления непосредственно в каналах РК определены расчетом осесимметричного потока с учетом переменности стеснения и последующей идентификацией расчетов с опытными данными на границах РК. Предполагалось, что изменение расхода через канал РК за один оборот его за счет разного противодавления из-за неравномерности по окружности вызывает соответствующее изменение давления в канале РК.

Это явление использовано для расчета мгновенных значений давления в канале РК.

4. С помощью пневмометрических и малоинерционных систем измерений давлений и скоростей в области выхода из РК и анализа спектра частот их колебаний по ширине канала определены номера гармоник 1с частот воздействия Мс-п переменных давлений, соответствующих высоким амплитудам, для исследованных типов РК на разных режимах работы.

5. Методом голографииеской интерферометрии определены собственные частоты и формы колебаний исследованных трех типов закрытых (Зла^О0 и 45°) и полуоткрытого ((3Л2=50°) РК и проведено их сравнение с результатами расчета собственных частот и форм колебаний по МКЭ с использованием пакета АЫвУв (лицензия № 24 281/101217 ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа»). Совпадение опытных и расчетных данных в пределах 3−5% показало приемлемость построенной КЭ-модели и она использована для расчета собственных частот и форм колебаний с учетом вращения рассмотренных РК.

6. В результате анализа построенных частотных диаграмм выявлены резонансные частоты вращения трех исследованных типов РК с Рл2~90°, 45° и 50° и проведено их сравнение с рабочей частотой вращения РК при использовании в реальных ЦК.

7. Выполнен расчет по МКЭ статических и динамических напряжений и соответствующих запасов прочности на основе действия центробежных сил и поля переменных давлений, действующих с внешней и внутренней стороны дисков трех исследованных типов РК, работающих в составе реальных ЦК. В частности, для РК ступени № 2 с БЛД при и2=224 м/с запас по динамическим напряжениям составил 1,9, что ниже нормы, равной 3.

8. Анализ причин реального усталостного разрушения лицензионного закрытого РК типа «Ь», выполненный с помощью предлагаемых методов расчета переменных давлений, динамических напряжений и резонансных частот вращения, подтвердил факт усталостного разрушения.

PK типа «L», что позволяет рекомендовать использованные методы для проектирования ЦК.