Численное моделирование аэроупругих колебаний лопаток ротора газовой турбины (2010 г.)

В течение многих лет использование газовых турбин представляет большой интерес в сфере производства электроэнергии. Современные тенденции роста энергопотребления накладывают на изделия все большие требования к производительности, что ведет к разработкам все более новых вариантов исполнения элементов установки газовых турбин. Особая роль отводится решению вопросов обеспечения надежности, безопасности и увеличения рабочего ресурса оборудования. Одним из основных элементов турбины является рабочее колесо, включающее в себя несколько десятков лопаток, подверженных воздействию внешней переменной нагрузки в виде газодинамического давления.

Одной из возможных проблем, возникающей в лопатках ротора, является возникновение высоких вибронапряжений вследствие возникновения автоколебаний с постоянной или возрастающей амплитудой, частота которых, как правило, близка к одной из собственных частот колебаний лопатки. Лопатки ротора постоянно находятся под действием переменного давления, вызванного неравномерностью потока и, как следствие, совершают вынужденные колебания. Сочетание двух типов колебаний в целом может давать сложную динамическую картину вибраций, натурное или экспериментальное исследование которых представляет существенную сложность.

В 2010 году сотрудниками Лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab^®) для ОАО "Ленинградский Металлический завод" (ЛМЗ) - филиала ОАО "Силовые машины" были проведены численное исследование вибраций лопатки ротора четвертой ступени газовой турбины при действии внешнего переменного газодинамического давления и оценка возможности возникновения автоколебаний или разрушающего флаттера.

Для решения задачи разработана конечно-элементная расчетная модель, сочетающая в себе возможность одновременного моделирования газодинамических процессов и механических колебаний. Для реализации такой возможности использована технология связанного расчета FSI (Fluid - Structure Interaction) на базе программных систем численного моделирования ANSYS/Mechanical и ANSYS/CFX.

 

При помощи разработанных моделей получены поля скоростей и давлений рабочего газа, а также перемещения лопатки и ее напряженно-деформированное состояние.

В результате выполнения проекта построены серии конечно-элементных расчетных моделей четвертой ступени газовой турбины. Выполнен нестационарный расчет аэроупругих колебаний лопатки. Определены характерные колебательные режимы лопатки в зависимости от газодинамического напора.

Результаты проекта представлены на XVI Международном конгрессе двигателестроителей.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab^® на основе работы, выполненной в 2010 г.