Обеспечение прочности рабочих колес при проектировании унифицированных мультипликаторных центробежных компрессоров

Актуальность работы. Многовальные мультипликаторные центробежные компрессоры (МЦК) имеются, в силу устойчивости на рынке, в производственной программе ведущих зарубежных фирм, лидерами которых являются Ингерсол-Ренд (США), Демаг (Германия), Атлас-Копко (Швейцария).

В России и странах СНГ разработка и выпуск МЦК освоены только в г. Казани известными организациями по компрессоростроению ЗАО НТК и ОАО ККМ. Основные решения по МЦК защищены авторскими свидетельствами и патентами. Разработаны унифицированные ряды МЦК, обеспечивающие любые параметры в области степеней повышения давления.

3 3.

7ГК=1,6+50 и производительностей VH=0,5+13,4 м /с (30+800 м /мин) [1].

Дальнейшее развитие МЦК и расширение области применения связано, главным образом, с повышением эффективности газодинамических и прочностных характеристик рабочих колес (РК), во многом определяющих конструктивное совершенство МЦК. В связи с прогрессивной тенденцией роста окружных скоростей и усложнением форм высокорасходных РК необходимы надежные методы оценки их пространственной картины напряженно-деформированного состояния (НДС). Увеличение давления сжимаемой среды и нестационарность течения около РК являются источником переменных аэродинамических сил, приводящих к усталостным разрушением РК. В связи с этим научные работы, направленные на повышение статических и динамических прочностных характеристик РК МЦК, являются весьма актуальными.

Настоящая работа выполнена в соответствии с потребностями практики, федеральной приоритетной программой «Энергосбережение России», утвержденной Указом Правительства России 24 января 1998 г. № 80, а также в соответствии с решениями VIHXII Международных конференций по компрессоростроению. 7.

Цель работы. На основе разработанных расчетно-теоретических и экспериментальных методов оценки НДС обеспечить оптимальную геометрию и необходимую прочность РК при проектировании унифицированных МЦК.

Научная новизна. Разработан доступный для конструктора метод расчета НДС для закрытых и полуоткрытых РК унифицированных МЦК с использованием конечно-элементной модели и современных средств вычислительной техники. В результате использования метода расчета НДС выполнена оптимизация геометрических форм наиболее напряженных высокорасходных закрытых и полуоткрытых РК МЦК. Впервые разработаны метод и программа определения переменных аэродинамических нагрузок, действующих на межлопаточные отсеки закрытых РК, используемых в типовых ступенях МЦК высокого давления. Создан расчетный метод оценки усталостной прочности закрытых РК МЦК. На конструкторские разработки по данной работе получен патент № 2 062 362. Разработанные методы расчета и оптимальные формы РК позволяют обеспечивать их необходимую прочность при проектировании унифицированных МЦК.

Практическая ценность. Созданные высокоэффективные современные программы расчетов пространственной картины НДС РК являются доступными для конструктора и позволяют с меньшими затратами времени определять напряжения и деформации во всех элементных РК, рассчитывать переменные аэродинамические нагрузки на межлопаточные отсеки РК и оценивать динамические (усталостные) напряжения РК. Указанные методы расчета прочности РК введены в единую систему автоматического проектирования (САПР) МЦК и позволяют сократить сроки проектирования и доводки, повысить качество и снизить себестоимость унифицированных МЦК.

Использование унифицированных МЦК с РК, прочность которых оценивается указанными методами, на предприятиях машиностроения, химии, нефтехимии и газовой промышленности, а также в составе стартовых систем 8 ракетно-космических комплексов, в т. ч. морского базирования, показывает их высокую эффективность и надежность.

В I главе рассмотрено состояние вопроса по решению проблем статической и динамической прочности РК. Рассмотрены поле параметров унифицированных МЦК и типы РК, используемых для проектирования. Представлены теоретические основы метода конечных элементов (МКЭ), широко используемого в расчетах на прочность. Рассмотрены проблемы динамической прочности РК МЦК, работающих при высоких давлениях. На основе выполненного анализа сформулированы задачи настоящего исследования.

II глава содержит разработку программы генерации твердотельной модели сектора РК, используемой совместно с расчетным комплексом ANSYS для определения НДС РК.

В III главе приведены результаты оптимизации геометрической формы закрытых и полуоткрытых РК МЦК.

IV глава посвящена разработке методов определения переменных аэродинамических нагрузок, действующих на межлопаточные отсеки закрытых РК.

В V главе представлена разработка методов расчета усталостной прочности РК с использованием конечно-элементной модели и опытных данных.

В заключение сформулированы выводы и рекомендации по выполненной работе.

Настоящая работа выполнена в ОАО ККМ и на кафедре турбомашин КГТУ им. А. Н. Туполева. Автор работы, занимая должности зам. главного инженера по новой технике, зам. главного конструктора по направлению МЦК, в период с 1985 г. по 1998 г. принимал непосредственное участие в проектировании, разработке методов расчета, технологии изготовления закрытых и составных полуоткрытых РК и других основных элементов МЦК, решал производственные проблемы по изготовлению и испытаниям базовых представителей унифицированных МЦК. 9.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Дальнейшее развитие унифицированных МЦК, выпускаемых ОАО ККМ с отношением давлений тск=1,6-^50 и производительностью.

Л Л.

VH=0,5−13,4 м /с (30−800 м /мин), связано, главным образом, с улучшением газодинамических и прочностных характеристик РК. В связи с прогрессивной тенденцией роста окружных скоростей и расходности РК, снижающих радиальные габариты МЦК, в настоящее время широко используются закрытые и полуоткрытые РК с трехмерными лопатками. Для оценки их НДС в последнее время все шире используется более точный и универсальный метод конечных элементов (МКЭ), позволяющий, в отличие от известных приближенных, выявить концентрацию напряжений и получить всестороннюю картину НДС сложной конструкции. Дальнейший анализ НДС РК может.

161 быть выполнен, например, с помощью расчетного комплекса ANSYS, имеющего международный сертификат ISO 9001. Однако возможности его использования при проектировании РК ограничены высокой трудоемкостью подготовки исходных данных из-за отсутствия специальной программы построения объемной модели РК для считывания системой ANSYS.

В РК МЦК высокого давления, наряду со статическими напряжениями, в периферийных межлопаточных отсеках закрытых РК возникают интенсивные переменные напряжения, обусловленные переменными аэродинамическими силами из-за нестационарности потока. Они вызывают усталостные разрушения. Оценка усталостной прочности при проектировании РК МЦК высокого давления может быть проверена только при наличии надежных, согласованных методов расчета собственных частот колебаний межлопаточного отсека с учетом вращения и переменных аэродинамических сил и напряжений, действующих на него.

2. Разработан доступный для конструктора метод расчета трехмерного НДС закрытых и полуоткрытых РК МЦК с использованием конечно-элементной модели, включающей в себя специальную программу в виде алгоритмов построения трехмерных конечных элементов сектора РК, состоящих из элементов лопатки и прилегающих участков диска. На границах сектора РК обеспечивается совпадение количества узлов и координат элементов, что позволяет получить решение для РК как целостной конструкции при значительном снижении объема вычислений. Программа построения объемной модели, реализованная в виде макрокоманды ANSYS, генерирует конечно-элементную модель сектора РК. Эта модель считывается системой ANSYS для выполнения расчета трехмерного НДС, результаты которого наглядно представляются средствами постпроцессора системы. Разработанная специальная программа, входящая совместно с системой ANSYS в САПР, позволяет конструктору подготовить исходные данные для расчета НДС.

162 сложного РК с трехмерными лопатками с минимальными затратами времени, что дает возможность оперативно выполнять оптимизацию геометрии РК и сокращать сроки проектирования.

3. На основе расчетов трехмерного НДС выполнена оптимизация геометрической формы высокорасходных закрытых и полуоткрытых РК, используемых в унифицированных МЦК. Задача оптимизации заключалась в определении основных для конструктора размеров всего контура стального РК, обеспечивающих при доступной технологии изготовления, минимальной массе и выбранной окружной скорости устойчивую фиксацию РК на валу и приемлемые значения напряжений и деформаций в любой области конструкции. В результате определены все основные оптимальные геометрические размеры закрытых и полуоткрытых РК, необходимые для конструирования. В частности, для полуоткрытых РК получено отношение В/Н=2.

В — ширина выреза втулки, Н — толщина основного диска в зоне этого выреза), обеспечивающее для всех стандартных диаметров РК, применяемых в МЦК, минимальную осевую деформацию лопаток на периферии и минимальное радиальное раскрытие втулки РК в области конической посадки на валу.

4. Разработаны метод и программа расчета переменных аэродинамических нагрузок, действующих на межлопаточные отсеки закрытых РК, используемых в ступенях МЦК высокого давления. В результате расчета на данном радиусе РК последовательно по уравнению Бернулли в относительном движении определяются статические давления у передней и задней сторон лопатки, а также статические давления, действующие с наружной стороны покрывного и основного дисков с учетом величины и направления утечек через их уплотнения. При определении суммарной эпюры распределения перепада наружного и внутреннего давления по поверхности межлопаточного отсека учтено отклонение аэродинамической нагрузки от среднего значе.

163 ния на величину амплитуды неравномерности давления около дисков и за РК из-за нестационарности потока, определенной экспериментально для ступеней МЦК, имеющих РК с рл2=3 2-^-60°, BJID или JID и внутренние улитки или кольцевые камеры. Эксперименты показали, что число максимальных пиков давления, воздействующих на диски РК на участке г =0,95−4,05 за 1 оборот, даже в ступенях с BJID составляет КЗ с амплитудой неравномерности давления (0,05-Ю, 15) p2-U2. Максимальное значение амплитуды неравномерности давления имеет место для РК с малой степенью реактивности, на нерасчетных режимах и проявляется заметнее около периферии покрывного диска. В ступенях с J1D амплитуда шаговой неравномерности давления на участке г =1−4,05 имеет значение (0,05-Ю, 18) рги^ и так же зависит от степени реактивности РК. Увеличение зазора в уплотнении покрывного диска резко увеличивает амплитуду неравномерности давления в области выхода из РК.

На основе собственных исследований, а также данных Г. А. Раера, К. П. Селезнева и Р. А. Измайлова разработаны рекомендации по определению основных частот воздействия аэродинамических нагрузок на межлопаточный отсек РК для ступеней с BJID и JTD во всем диапазоне характеристики.

5. Создан метод оценки усталостной прочности (выносливости) межлопаточных отсеков закрытых РК. Он включает в себя, с одной стороны, определение собственных частот и форм колебаний РК, с учетом и без учета его предварительно напряженного состояния от действия центробежных сил, расчетным путем по специальной процедуре системы ANSYS, сравнение их с опытными данными голографической интерферометрии для определения надежности процедуры и с частотой воздействия аэродинамических нагрузок для выявления резонанса. С другой стороны, расчетом по МКЭ определяются статические напряжения от центробежных сил от и амплитудные значения напряжений аа в межлопаточном отсеке от действия введенных в МКЭ поверхностных переменных аэродинамических сил. Последние рассчи.

164 тываются по созданной программе, упомянутой выше. Из построенной диаграммы предельных амплитудных напряжений (диаграммы выносливости) для асимметрических циклов определяются предельные амплитудные напряжения Gaq в межлопаточном отсеке покрывного и основного дисков и далее запас прочности по переменным напряжением п^а^/аа^ [ па].

По рассмотренному комплексному методу оценки усталостной прочности выполнен анализ причин реального усталостного разрушения лицензионного закрытого РК типа «L», работающего при давлении р=4,6⁵, 2 МПа в составе пятой концевой ступени 1 секции ЦК синтез-газа. В результате выявлено совпадение собственных частот колебаний межлопаточного отсека с частотой возбуждения аэродинамических нагрузок и получен запас прочности па, который оказался для покрывного диска ниже нормированного значения. Это и явилось причиной разрушения периферийных участков покрывного диска этого РК. Полученные результаты подтверждают возможность использования разработанного комплексного метода оценки усталостной прочности РК в процессе проектирования.