5. Вибрация рабочих лопаток.

5.1. Причины колебания рабочих лопаток.

а) неуравновешенность ротора может вызвать колебания рабочих лопаток с частотой f=n [1/с] (оборотная частота). (Вибрация ротора может возникнуть при аварийном режиме короткого замыкания, когда валопровод совершает интенсивные крутильные колебания. На практике встречается редко.)

б) в регулируемой ступени, между сопловыми сегментами имеются перегородки

f=nz_сегм. [1/с]

в) при неравномерной пригонке половинок диафрагмы в стыках могут возникнуть значительные изменения расхода и давления пара, следовательно и парового усилия на рабочих лопатках, частоте возмущающихся импульсов.

f=2n [1/с].

г) вследствие неточности изготовления (на заводе - технологические отклонения допустимы) проходные сечения отдельных сопел и рабочих лопаток могут быть различны, а следовательно различен расход пара, реактивность и паровое усилие действующие на окружности.

f=in [1/с]

I – любое целое число.

д) наличие силовых стоек в корпусе турбины, патрубков отбора пара и т.д.

е) в последних ступенях конденсационных турбин при существенном уменьшении объемного пропуска пара и увеличении противодавления, при этом в концевых зонах ступени возникают возвратно - вихревые токи, вызывающие вибрацию рабочих лопаток.

ж) неизбежным источником возмущающих сил является т.н. кромочные следы, образующиеся за выходными кромками сопловых лопаток.

f=n z₁[1/с]

С₀

С₁

у а а у

а С₁ а

Как правило, переменные возмущения силы невелики по сравнению с постоянным паровым усилием, но при совпадении частоты возмущающих импульсов с частотой свободных колебаний лопатки (или пакета лопаток) возникает явление резонанса, сопровождающееся резким возрастанием амплитуды колебаний.

Рабочие лопатки могут колебаться как относительно минимальной оси инерции (т.е. приблизительно в плоскости диска) – тангенциальные колебания, так и относительно максимальной оси инерции – аксиальные. Кроме изгибных возможны крутильные колебания лопаток, особенно длинных последних ступеней.

5.2. Вибрационные характеристики рабочих лопаток.

Если рабочую лопатку, зажатую в корне, изогнуть, а затем отпустить, то она будет совершать свободные колебания в общем случае сложного характера (негармонические). Но существуют некоторые начальные формы изгиба, которые обеспечивают строго гармонические колебания с определенной частотой и формой изгиба. Такие формы изгиба называют главными, а соответствующие им частоты – собственными частотами.

Совокупность главной формы и собственной частоты лопатки называется ее тоном колебаний.

Собственные частоты и главные формы колебаний рабочих лопаток (или пакетов) являются их вибрационными характеристиками и не зависят от того, колеблется система под действием возмущающих сил или нет.

(На практике для определения собственных частот рабочих лопаток используют т.н. резонансный метод.)

Любая рабочая лопатка имеет бесконечное множество тонов колебаний, но практический интерес представляют только те, которые могут вызвать поломки (разрушение). Обычно это три первых тона колебаний.

Н аименьшая частота собственных колебаний лопаток называется частотой первого тона колебаний (рис. а)

а б в

Рис. Первые три главные формы тангенциальных колебаний единичной рабочей лопатки (относительно короткой, незакрученной). (Аксиальные колебания для таких лопаток считают не опасными, т.к. частота их очень велика.)

б – колебания 2-го тона;

в - колебания 3-го тона;

С увеличением длинны рабочей лопатки и податливости ее в осевом направлении аксиальные тона колебаний становятся значительными и их необходимо учитывать.

Знание собственных частот колебаний лопаток необходимо в первую очередь для отстройки лопаток от резонанса (от совпадения с f возмущающих сил); для расчета переменных напряжений при действии возмущающих сил.