Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет–УПИ"

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

2007

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"

 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

И ФОРМ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН

МЕТОДОМ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ

1. Цель работы

Цель лабораторной работы № 1 - ознакомление с простейшим видом исследования вибрационных характеристик рабочих лопаток паровых и газовых турбин и компрессоров – с определением собственных частот колебаний лопаток методом свободных колебаний.

Результатом работы являются значения собственных частот колебаний по первой форме, полученных для ряда лопаток. На основании этих данных, а также замеров основных размеров лопаток необходимо сделать вывод о влиянии размеров лопаток на их собственные частоты и построить резонансные диаграммы лопаток.