Причины колебания турбинных лопаток

ПРИЧИНЫ КОЛЕБАНИЯ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК [c.109]

Теория колебаний. Как мы видели, эта теория позволяет найти спектр собственных частот свободных колебаний упругой системы. Если частота возмущающей силы совпадает с одной пз собственных частот свободных колебаний, наступает резонанс. Для линейно-упругого тела в постановке линейной теории упругости амплитуды вынужденных колебаний становятся бесконечно большими. На самом деле так не бывает. Во всех материалах существует внутреннее трение. Теория упругих колебаний с затуханием, пропорциональным скорости, рассматривается в курсах теоретической механики, основной качественный результат состоит в том, что резонансная амплитуда конечна. В реальных материалах внутреннее трение подчинено более сложным законам, даже если его можно считать линейным (см. гл. 17), но качественный результат остается тем же. Поэтому резонансы на высоких гармониках, как правило, не страшны. Для турбинных лопаток, например, гармоники выше пятой-шестой во внимание не принимаются. Но резонанс на основном тоне или на первых гармониках может считаться причиной неминуемого разрушения. Отмеченные два аспекта мы зафиксировали, но далее развивать не будем. [c.652]

Современное машиностроение часто ставит проблемы, приводящие к исследованию напряжений, причиной которых являются динамические факторы. Такие проблемы практического значения, как крутильные колебания валов, вибрации турбинных лопаток и дисков, критические скорости вращающихся валов, колебания железнодорожных рельсов и мостов под катящимися нагрузками, колебания фундаментов, могут быть вполне поняты лишь в свете общей теории колебаний. Только такая теория способна указать нам те оптимальные соотношения размеров для частей машины, при которых рабочий режим ее будет, насколько это возможно, гарантирован от перехода в критические условия резонанса (когда могут иметь место опасные колебания). [c.500]

Как уже отмечалось, вибрации сопутствуют работе всех машин и часто оказываются причиной, сдерживающей дальнейший прогресс в той или иной области техники. Так, например, дальнейшее увеличение быстроходности высокоскоростных роторных машин ограничено вибростойкостью ротора и подшипниковых опор, повышение мощности паровых и газовых турбин — вибрациями лопаток последних ступеней, создание мощных вертолетов — колебаниями рабочих лопастей, повышение точности металлорежущих станков — вибрациями режущего инструмента и станины, создание высокоточных и надежных систем автоматического управления — вибрациями ее отдельных элементов. [c.15]

Развитие усталостных трещин в лопатках компрессоров и турбин в пределах существующего ресурса двигателя явление частое, наблюдаемое по различным причинам. Появление трещин, например, может быть связано с различными повреждениями лопаток в результате попадания постороннего предмета и возникновением в результате этого вмятин, надрывов и изгибов пера лопатки. У поврежденной лопатки могут изменяться или оставаться теми же резонансные колебания. Она попадает на короткий период времени в условия резонансных колебаний по одной из частот, которые типичны для проходных режимов работы двигателя, что приводит к накоплению в лопатке усталостных повреждений. При наличии высокой концентрации напряжений в результате появления повреждения происходит резкое снижение периода зарождения трещины и в лопатке возникает и развивается усталостная трещина. Такая ситуация может быть реализована на разных стадиях эксплуатации двигателя. [c.566]

Более опасной для лопаток турбин является коррозионная усталость, которая представляет собой снижение напряжений, вызывающих разрушение при заданном числе циклов колебаний под воздействием коррозионно-активных веществ. Как показывают исследования, для стали с 13%-ным содержанием хрома (рис. 8.10,6) при коррозионной усталости кривые усталости распо-. лагаются ниже нормальной кривой, полученной на воздухе. Особенно резко снижаются напряжения при исследованиях в кислой среде. При этом чем меньше pH среды, тем это влияние сильнее. Важно отметить, что повреждения от коррозионной усталости внешне ничем не отличаются от обычного усталостного разрушения, и только очень тщательные исследования микроструктуры могут выявить истинную причину. [c.284]

Вибрация лопаток являлась до последнего времени причиной многочисленных аварий турбин и компрессоров. Лишь тщательные расчеты колебаний лопаток и опытная проверка их вибрационных характеристик позволили успешно бороться с этими авариями. Детальный расчет лопаток на вибрацию с последующей экспериментальной проверкой совершенно необходим для каждого вновь спроектированного облопачивания. [c.109]

Для лопаток средних и последних ступеней принимаются необходимые меры по их отстройке от резонансов. Однако никогда не может быть полной уверенности в том, что во время эксплуатации турбины частота собственных колебаний лопаток не изменится. Это изменение может произойти по ряду причин из-за большого 12 [c.12]

Известны случаи самовозбуждения лопаток, отстроенных от резонанса, при которых наблюдались интенсивные колебания (Л. 35] и даже усталостные поломки [Л. 19]. В статье Л. 34] описано испытание судовой турбины, во время которого на одном из режимов были обнаружены большие амплитуды колебаний лопаток, хотя их частота находилась между шестой и седьмой кратностями по отношению к числу оборотов турбины. Анализ причин этого явления привел авторов к заключению, что на режиме, при котором имел место отрыв вихрей, возникли автоколебания лопаток. Такие явления особенно часто наблюдаются на лопатках осевых компрессоров газотурбинных установок. На основании Опы-7 2717 97 [c.97]

Пример 17.9. В практике эксплуатации французских турбин мощностью 125 МВт было более 20 случаев (на 18 турбинах) появления трещин в узком сечении щеки обода диска (рис. 17.19). Причинами появления трещин явились постепенное ослабление крепления лопатки в пазе диска, снижение частоты собственных колебаний, усиление вибрации лопаток и появление знакопеременных напряжений в ободе диска. Одновременно с трещинами в ободе возникли трещины и в узком сечении хвостовиков лопаток. [c.490]

Разрушение лопаток по проточной части. Причиной разрушения лопаток турбины по проточной части служит возникновение в них высоких напряжений из-за повышенного уровня остаточных деформаций в поверхностном слое материала лопаток в результате нарушения технологии их обработки, несовпадения фактического распределения центров тяжести по радиусу лопаток от их расчетного значения при отклонениях в геометрических размерах лопатки и паза диска и увеличения амплитуды колебания лопаток. [c.100]

Тяжелой аварией является разрушение дисков турбины, причины которого, как и при разрушении лопаток и роторов, — резонансные колебания, появление коррозионных трещин, большие температурные напряжения при пусках, превышение допустимой частоты вращения. [c.187]

До недавнего времени все лопатки компрессоров и турбин ГТД проектировали по принципу безопасного ресурса. Лопатки отстраивали по основному тону их колебаний таким образом, чтобы резонансные колебания либо вообще не возникали, либо их появление имело кратковременный характер на переходных режимах работы двигателя. Однако реальная эксплуатация двигателей показывает, что разрушение лопаток происходит при различной наработке двигателя и является частым событием по различным причинам [3, 4]. Возможна высокая концентрация напряжений по зонам галтельного перехода у основания лопаток, проявление фреттиига по контактирующим поверхностям основания лопатки и межпазового выступа диска, а также весьма распространены ситуации повреждения пера лопатки из-за попадания постороннего предмета в газовоздушный тракт ГТД или возникновения коррозионных язв. Следствием этого является фактическая эксплуатация лопаток с развивающимися в них усталостными трещинами. [c.567]

Во время работы ГТД его элементы совершают сильные колебания. Эти колебания — вибрации, с одной стороны, сами по себе могут привести к поломке отдельных частей двигателя ротора, лопаток, подшипников, трубопроводов, камер сгорания и пр., с другой стороны — они как бы сигнализируют о появлении у двигателя скрытых дефектов, являющихся причиной возникновения самой вибрации, например, повышенная вибрация создается ростом дисбаланса ротора, который, в свою очередь, может быть обусловлен вытяжкой лопаток, изменением веса лопаток и положения их центров тяжести из-за возникновения таких дефектов как изгиб забоины, эрозии и коррозии пера, изменения посадок обойм подшипников, изменение осевого люфта лопаток ротора турбины и др. Нарушения балансировки ротора часто создаются неисправностями соединительных муфт и особенно нарушениями взаимной центровки частей ротора. Таким образом, отмечая у двигателей быстрый рост вибрации, можно, в частности, обнаружить у него появление некоторых предпосылок к возникновению одного из опасных дефектов ГТД — обрыву лопатки турбины. Кроме отмеченных выше поломок деталей ГТД, вибрация вызывает и целый ряд других вредных последствий наклеп в соединениях (особенно подвижных), разбалансирование ротора, изменение зазоров в подшипниках и пр. Вибрация вредна и для сооружения, на котором установлен двигатель, так как оказывает вредное влияние на работу приборов, оборудования и обслуживающего персонала. [c.213]

По вопросу о влиянип напряжения на демпфирующую способность материалов существуют различные точки зрения. Одни исследователи считают, что напряжение влияет на демпфирующую способность, другие исследователи придерживаются противоположных взглядов. Такое положение объясняется тем, что согласно вышеизложенному рассеяние энергии колебаний в материале зависит от причин, проявляющихся по-разному в зависимости от различных условий. При сравнительно высоких напряжениях (как, например, у лопаток турбин), возникает местная пластическая деформация, протекающая в отдельных зернах. Наряду с этим для ферромагнитных материалов на их де.мпфирующую способность влияет ферромагнитное состояние материала, в особенности магнитомеханический гистерезис (смещение границ самопроизвольно намагничивающихся ферромагнетиков— доменов ). Рассеяние энергии колебаний, обусловленное двумя указанными факторами, почти не зависит от частоты и увеличивается с ростом амплитуды напряжения. При малых же напряжениях влияние локальной пластической деформации и ферромагнитных свойств слабо проявляется. Здесь имеют решающее значение диффузионный п термоунругий эффекты. Рассеяние энергии колебаний, обусловленное этими процессами, зависит от частоты и почти не зависит от амплитуды колебаний. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что внутреннее тренне при сравнительно больших напряжениях зависит от амплитуды. [c.104]

Угол естественной закрутки лопаток турбин — Понятие 230 Установки силовые при ограниченном возбуждении — Нестационарные процессы 372—380 Устойчивость пружин динамических — Причина возникновения параметрических колебаний 50 Устойчивость роторных систем — Влияние гироскопического эффекта 156, 157 — Влияние циркуляционных сил 54—156 Устройства упругодемпферные 168, 169 [c.543]

Жесткая связь лопаток центростремительных турбин с дисками и большие градиенты температур (до 125° С) на коротких участках перехода лопаток в диск играют большую роль. В отличие от осевых, в центростремительных турбинах напряженное состояние лопаток тесно связано с напряженным состоянием диска [9]. Необходимо отметить, что наличие асимметрии диска с лопатками. устанавливаемыми только на одной его стороне, приводит к увеличению доли изгибающих усилий в балансе нагрузок на рабочее колесо центростремительной турбины, а значит и на ее лопатки. Расчеты, проведенные на предприятиях Средне-Уральского совнархоза [9], показали, что пренебрежение учетом влияния изгиба приводит к существенному уменьшению расчетных максимальных напряжений и, следовательно, к ослаблению конструкции (в частности, расчеты турбокомпрессора ТКР-23 показали, что если не учитывать изгиб, то уменьшаются радиальные и тангенциальные напряжения диска около втулки примерно в 1,5 раза). Однако роль изгиба нельзя и преувеличивать. Несомненно, более важным является то, что вследствие многообразия форм и частот собственных колебаний лопаток центростремительных турбин очень трудно в рабочем диапазоне турбокомпрессора исключить приближение частоты возмущающей силы к частоте какой-либо из форм собственных колебаний. При совпадении этих частот возникает, как известно, резонанс. Если при этом переменные напряжения превысят допустимый уровень, то разрушения лопаток неизбежны. Они имели место, например, при испытаниях турбокомпрессора ТКР-23, а также опытной центростремительной турбины турбокомпрессора Моссовнархоза, у которой усталостные трещины появились на входных кромках радиальных лопаток у галтели (3—4 мм от места перехода лопатки в диск). Тензометрированием в рабочих условиях было установлено, что причиной появления трещин являются переменные напряжения от вибрации, которые достигали а =< 20 кПмм и превысили допустимые в 3—4 раза. Резонанс наступал при совпадении частоты собственных колебаний лопаток турбины с частотой возмущающих сил (кратность колебаний совпадала с количеством сопловых лопаток). Создать условия, при которых напряжения от вибраций в рабочем диапазоне не превышали бы уровень, допустимый для выбранного материала, оказалось весьма трудным. По-видимому, эти трудности сдерживают широкое [c.103]

Как показала практика эксплуатации турбинных установок, надежность работы облопачивания зависит не только от механических напряжений, а и от вибрационной прочности. Дело в том, что отдельные лопатки или пакет лопаток представляют собой упругую систему, способную совершать колебания с определенной собственной частотой /,,, зависящей в основном от размеров лопаток и характера их крепления. Под воздействием парового потока из сопел лопатки могут совершать вынужденные колебания как в плоскости вращения (тангенци-.альные колебания), так и в плоскости, перпендикулярной вращению (осевые или аксиальные колебания). Аксиальные колебания лопаток практически встречаются весьма редко и связаны в основном с вибрацией рабочих дисков и легко устраняются соответствующей настройкой дисков путем их механической обработки. Тангенциальные колебания вызываются неравномерностью парового потока, проходящего через рабочую решетку. Причины неравномерности парового потока следующие [c.160]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...