ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН
Методические указания к лабораторным работам № 1, 2, 3
по дисциплине "Динамика и прочность турбомашин"
для студентов всех форм обучения специальности
140503 – Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели
и для слушателей системы переподготовки и повышения квалификации специалистов газокомпрессорных станций
Екатеринбург
УДК 621.165621.438
Составители: И.Д. Ларионов, П.Н. Плотников
Научный редактор: доц., канд. техн. наук В.И. Брезгин
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН: метод. указания к лаб. работам № 1, 2, 3 по дис-
циплине "Динамика и прочность турбомашин" / сост. И.Д. Ларионов, П.Н. Плотников. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. 29 с.
В методических указаниях излагается методика проведения лабораторных работ по определению собственных частот и форм лопаток турбомашин.
Работа предназначена для студентов специальности 140503 – Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели и для слушателей системы переподготовки и повышения квалификации специалистов газокомпрессорных станций.
Библиогр.: 7 назв. Рис. 11. Прил.
Подготовлено кафедрой "Турбины и двигатели"
ã ГОУ ВПО "Уральский государственный
технический университет-УПИ", 2007
ВВЕДЕНИЕ
При работе ПТУ и ГТУ направляющие и рабочие лопатки турбин и
компрессоров испытывают вибрации, то есть совершают механические колебания, которые считаются одной из главных причин поломки лопаток. Динамические напряжения при колебаниях создают близкий к симметричному знакопеременному цикл нагружения. Достаточно высокие частоты вибраций лопаток ведут к быстрому накоплению числа циклов нагружения и поломкам, в особенности при наличии факторов, способствующих снижению усталостной прочности: коррозионных и эрозионных повреждений, забоин, дефектов материала, конструкционных концентраторов напряжений, остаточных напряжений в поверхностных слоях после механической обработки и др.
По природе факторов, вызывающих вибрации лопаток, различают: вынужденные колебания, срывные колебания и автоколебания.
Вынужденные колебания лопаток связаны с воздействием на них переменных во времени периодических сил, главным образом, газодинамических, а также крутильных колебаний ротора. В этом случае лопатки совершают колебания с частотой, равной частоте изменения вынуждающей силы. Амплитуда колебаний лопатки и динамические напряжения в ней определены здесь амплитудой вынуждающей силы, степенью близости частоты ее колебаний к частоте собственных колебаний лопатки, интенсивностью отвода энергии от колеблющейся лопатки, т. е. демпфированием. При совпадении указанных частот и слабом демпфировании развивается резонанс с резким увеличением амплитуды колебаний и динамических напряжений.
Срывные колебания лопаток связаны с возможными непериоди-ческими срывами потока при режимах, удаленных от расчетных (для компрессоров - предпомпажные состояния). Частота таких колебаний равна первой собственной частоте колебаний лопатки.
Автоколебания лопаток относят к классу явлений аэроупругости, они аналогичны по своей природе так называемому изгибно-крутильному
флаттеру. Автоколебания возникают при отсутствии неравномерностей, пульсаций, срывов потока. Случайные или вынужденные отклонения пера лопатки изменяют характер его обтекания, углы атаки и
силу, приложенную к перу, т. е. колебания лопатки сами генерируют периодическую силу. В зависимости от характера связи этой силы с углом атаки и соотношения упругих и аэродинамических сил колебания могут затухать или нарастать. В первом случае возникает явление аэродемпфирования, во втором – самовозбуждающиеся колебания, т. е. автоколебания.
Прямые измерения динамических напряжений в лопатках на работающей турбомашине (например тензометрированием) позволяют получить достоверные данные, однако такие работы достаточно сложны и трудоемки. Поэтому необходим прогноз вероятных резонансных
состояний лопаток. Отсюда вытекают две задачи: а) выявить причины появления возбуждающих сил; б) определить собственные частоты колебаний лопаток. Последняя задача обычно решается в лабораторных условиях.
В данном руководстве описаны основные методы, применяемые
при лабораторных исследованиях вибрационных характеристик лопаток турбомашин.
Лабораторная работа № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ
