Original title:
Optimalizace modálního tlumení lopatek vysokotlakých stupňů parních turbín
Translated title:
Optimization of Modal Damping of Blades in High Pressure Stages of Steam Turbine
Authors:
Lošák, Petr ; Malenovský, Eduard (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2011
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[cze][eng]
Rotor parní turbíny je velice složitá soustava, která se většinou skládá z několika rotorových řad. Vzhledem ke konstrukčním možnostem a neustále se zvyšujícím nárokům na účinnost parních turbín je prakticky téměř nemožné vyhnout se všem rezonančním stavům. Může například docházet k přejezdu některého rezonančního stavu při náběhu a doběhu turbíny. V horším případě může nastat situace, kdy provozní stav je blízko některému rezonančnímu stavu dané rotorové řady. V takovém případě dochází k výraznému kmitání, což může vést až k vysokocyklové únavě lopatek, nebo jejich závěsů. Tyto části jsou velmi namáhané komponenty zejména vlivem odstředivé síly a jakékoliv trhliny jsou nepřípustné. Je tedy naprosto nezbytné vibrace tlumit, například použitím pasivních tlumících členů. Tato práce se zabývá přídavným tlumícím prvkem, který je realizován pomocí pásku, mající průřez rovnoramenného lichoběžníku. Tento pásek je umístěn v bandáži olopatkovaného kola v obvodové rybinové drážce. Vlivem vibrací vzniká mezi jednotlivými částmi bandáže relativní pohyb a díky tření dochází k maření energie, což má za následek tlumení vibrací. Cílem je navrhnout optimální rozměry příčného průřezu tohoto pásku tak, aby docházelo k maximálnímu tlumení vibrací při daném provozním stavu. Analyzovaný disk má 54 lopatek svázaných bandáží, jejichž jednotlivé segmenty vzájemně spojují konce vždy tří sousedních lopatek. Vzniká tak 18 struktur. Jak již bylo naznačeno výše tlumení je realizováno pomocí pasivního frikčního členu, v tomto případě pásku, který je umístěn v bandáži v obvodové rybinové drážce. Takovéto konstrukční řešení má tlumit hlavně axiální tvary kmitání s uzlovými průměry. Míra tlumení souvisí s velikostí relativního pohybu mezi stěnami pásku a drážky, které jsou v kontaktu. Předpokládá se, že velikost relativního pohybu je ovlivněna geometrickými parametry tlumícího pásku. Vhodným stanovením těchto rozměrů lze ovlivnit modální vlastnosti celého olopatkovaného kola takovým způsobem, aby došlo k minimalizaci nežádoucích vibrací v daném provozním stavu. Průřez pásku má tvar rovnoramenného lichoběžníku. V rámci optimalizace jsou hledány nejlepší možné rozměry střední šířky, výšky a úhlu sklonu ramen lichoběžníku. Změnou těchto parametrů lze ovlivnit hmotnost, velikost kontaktní plochy a také ohybovou tuhost tlumícího pásku. Díky tomuto lze ovlivnit velikost kontaktního tlaku a tím i velikost relativního pohybu, a jak již bylo zmíněno výše velikost tlumení je ovlivněna právě relativním pohybem mezi páskem a drážkou. Výpočtová simulace je, zejména u systému obsahujících nelinearity, časově velice náročná. Aby bylo možno ověřit některé vlastnosti výpočtového modelu, který obsahuje pasivní frikční člen a jeho chování při numerické simulaci, je nejprve v prostředí programu ANSYS vytvořen zjednodušený model. Hlavním požadavkem kladeným na tento model je mít co nejmenší počet stupňů volnosti, čímž se doba potřebná k provedení simulace zkrátí na minimum. Z tohoto důvodu má zjednodušený model tvar přímého prutu obdélníkového průřezu s rybinovou drážkou. Kromě optimalizace rozměrů tlumícího pásku je zde zkoumán i vliv jednotlivých optimalizačních parametrů na modální vlastnosti modelu. Výsledky jsou ověřeny experimentálně. Experiment ukazuje i další zajímavé výsledky, které potvrzují vliv tvaru tlumícího pásku na modální vlastnosti modelu. Získané poznatky jsou využity při optimalizaci rozměrů tlumícího pásku v modelu celého olopatkovaného kola.
Steam turbine rotor is a very complicated assembly, typically consists of several rotor rows. Due to design limitations and increasing demands on the efficiency of the steam turbines, it is practically impossible to avoid all of the resonant states. The significant vibrations can occur, for example, due to passing resonance state during turbine start up or run out. In the worst case the turbine operates state is close to the resonance state of the rotor row. This leads to the significant oscillation of the bladed disk, and may results in the blade (or blade to disk joints) high cycle fatigue. These parts are highly loaded components and any cracks are unacceptable. Therefore it is absolutely necessary to damp vibration by using, for example, passive damping elements. The damping element analyzed in this thesis is a strap with an isosceles trapezoidal cross section, which is placed in the circumferential dovetail groove in the blade segmental shrouding. The sliding between the contact surfaces leads to the dissipation of energy which causes decreasing of undesirable vibrations. The main aim is to design the optimal dimensions of the strap cross-section with a view to the most effective damping of vibration for a particular turbine operating state. Considered bladed disk has 54 blades which are coupled in 18 packets by segmental shrouding. The damping element is paced in circumferential dovetail groove created in the shrouding. This type of damping element is suitable especially for damping vibrations in the axial direction and only with the mode shape with the nodal diameters. The modal properties of the bladed disk are influenced by the sliding distance. Since the friction force depends on centrifugal force acting on the damping element and on the angle of the side walls of the strap and groove, the sliding distance can be influenced by the damping element dimensions. During the optimization process the best possible size of middle width, height and angle of damping element cross-section is searched. The strap weight, contact area size and flexural stiffness of damping element can be influenced by these parameters. Their change has also impact on the size of the contact pressure and thus on the size of relative motion as well. As stated previously, the damping efficiency is influenced by the relative motion between the damping element and shrouding. Numerical simulation in time domain is very time-consuming, especially for systems containing nonlinearities. In order to verify dynamic behavior of the computational model with the passive friction element in numerical simulations, the simplified model is created. The model is created in the ANSYS environment. The main requirement imposed on this model is to have as small number of degrees of freedom as possible, so the time needed to perform the simulation is reduced to a minimum. To satisfy this requirement the simplified model is a cantilever beam with rectangular cross section. The dovetail groove is created in this model in longitudinal direction. In this groove is damping element. In addition to damping element dimensions optimization, the influence of each design variable on model dynamic behavior is studied. The results are verified experimentally. Experiment also shows other interesting results that confirm the damping element influence on the modal characteristics. The gained knowledge is used to optimize the dimensions of the damping element in the model of the bladed disk.
Keywords:
Bladed disk vibrations; computational simulation; critical speed; friction.; optimization; vibration damping; Kmitání olopatkovaných disků; kritické otáčky disku; optimalizace; tlumení vibrací; tření.; výpočtová simulace
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/4094
guest ::
