Общая характеристика работы

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), возникающих из-за наличия значительных переменных аэродинамических нагрузок. Среди известных нестационарных явлений в ЦК наиболее значительное отрицательное влияние на усталостную прочность колеса оказывает неравномерность распределения параметров потока по окружной координате около дисков колеса, связанная со сложной структурой потока на выходе из РК, обратным влиянием выходного устройства в случае безлопаточного диффузора (БЛД) и влиянием лопаточного диффузора (ЛД). 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. Кроме того, имеется возможность возникновения резонансного режима при совпадении частоты аэродинамической нагрузки с одной из собственных частот колебания какого-либо элемента РК, приводящего к опасным динамическим напряжениям и усталостным разрушениям.

Поэтому 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.

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

Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Разработка и экспериментальные исследования компактных ступеней концевого типа с закрытыми и полуоткрытыми РК с цилиндрическими и пространственными лопатками, с разными типами диффузоров и выходных устройств, для определения обычными и безинерционными приборами внешних полей давлений, их частот и амплитуд воздействия на диски РК.

2. Разработка инженерного метода определения переменных аэродинамических нагрузок, действующих на РК с внешней стороны дисков и со стороны потока в канале РК.

3. Определение динамических напряжений от действия переменных давлений при эксплуатации, собственных частот и форм колебаний РК разных конструкций и их резонансных режимов.

Научная новизна работы. В процессе исследования получены новые научные результаты, которые выносятся на защиту:

1. В результате экспериментальных исследований трех характерных для ЦК ступеней концевого типа с коэффициентами расхода Ф₀=0,025-0,07-0,09, содержащих входной аппарат, РК с цилиндрическими и пространственными лопатками, БЛД и ЛД и кольцевую камеру (КК), и анализа экспериментальных данных других авторов получены обобщающие зависимости неравномерности давлений за РК и около дисков РК от реактивности 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 течения газа в зазорах около дисков РК.

3. Определены давления в каналах исследованных РК по известной методике 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 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 анемометрическим и тензометрическим методами, определены номера гармоник аэродинамических нагрузок, соответствующих максимальным амплитудам колебаний.

6. Выявлены резонансные режимы работы трех характерных РК, работающих с БЛД, ЛД и КК на основе построенных частотных диаграмм.

7. Проведен анализ причин реального обширного усталостного разрушения лицензионного закрытого РК типа "L" ЦК синтез газа с помощью предлагаемых методов расчета переменных давлений, динамических напряжений и резонансных частот вращения. Результаты анализа подтвердили факт усталостного разрушения РК типа "L", что позволяет рекомендовать использованные методы при проектировании ЦК.

Практическая ценность. Разработанный метод расчета позволяет 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. Указанные методы расчета РК позволяют сократить сроки их проектирования и доводки, повысить качество ЦК ГТД и общепромышленных ЦК высокого давления.

Реализация работы в промышленности. Методы расчета и программы внедрены в систему автоматического проектирования (САПР) ЦК в ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа".

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XIV-XVI Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий" (г. Казань, Военный артиллеристский университет, 2002 г., 2003 г., 2004 г.), на VI и VII Международных научно-технических конференциях молодых специалистов "Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин" (г. Казань, ЗАО "НИИтурбокомпрессор им.В.Б. Шнеппа", 2002 г., 2004 г.), на XII Международной молодежной научной конференции "XII Туполевские чтения" (г. Казань, Казанский государственный технический университет им.А.Н. Туполева, 2004 г.), на XIII Международной научно-технической конференции по компрессоростроению "Компрессорная техника и пневматика в XXI веке", (г. Сумы. СНПО им. Фрунзе, 2004 г.), на Международной научно-технической конференции "Рабочие процессы и технология двигателей" (г. Казань, Казанский государственный технический университет им.А.Н. Туполева, 2005 г.), на II Международной научно-технической конференции "Авиадвигатели XXI века" (г. Москва, ЦИАМ, 2005 г.).

В целом работа докладывалась на кафедре "Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели" (г. Казань, Казанский государственный технический университет им.А.Н. Туполева, 2006 г.) и в ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа", 2004-2006 г. г.

Личный вклад в работу. Автором разработаны три характерные ступени концевого типа и проведены их экспериментальные исследования, разработаны алгоритмы расчета переменных аэродинамических нагрузок закрытых и полуоткрытых РК с цилиндрическими и пространственными лопатками, проведено численное моделирование вынужденных колебаний и динамических напряжений в РК с цилиндрическими и пространственными лопатками исследованных ступеней с помощью программного пакета ANSYS.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ из них 9 статьи и 5 тезисов докладов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Работа содержит страниц машинописного текста, таблиц, рисунков. Список литературы включает 89 наименований. В приложении представлен акт внедрения.