Исследование напряженно-деформированного состояния замкового соединения рабочих лопаток
The analysis of the stress-strain state of the connection disc of 2nd degree cylinder medium-pressure steam turbine blades in the castle by the method of finite elements. The resalts are compared with experimental data Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния соединения диска 2-й ступен...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99043 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование напряженно-деформированного состояния замкового соединения рабочих лопаток / В.Л. Швецов, В.А. Литовка, И.А. Пальков, С.А. Пальков // Проблемы машиностроения. — 2012. — Т. 15, № 2. — С. 31-36. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859906147183493120 |
|---|---|
| author | Швецов, В.Л. Литовка, В.А. Пальков, И.А. Пальков, С.А. |
| author_facet | Швецов, В.Л. Литовка, В.А. Пальков, И.А. Пальков, С.А. |
| citation_txt | Исследование напряженно-деформированного состояния замкового соединения рабочих лопаток / В.Л. Швецов, В.А. Литовка, И.А. Пальков, С.А. Пальков // Проблемы машиностроения. — 2012. — Т. 15, № 2. — С. 31-36. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы машиностроения |
| description | The analysis of the stress-strain state of the connection disc of 2nd degree cylinder medium-pressure steam turbine blades in the castle by the method of finite elements. The resalts are compared with experimental data
Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния соединения диска 2-й ступени цилиндра среднего давления паровой турбины в районе замковой лопатки методом конечных элементов. Полученные результаты сравниваются с экспериментальными данными.
Проведено аналіз напружено-деформованого стану з’єднання диска 2-го ступеня циліндра середнього тиску парової турбіни в районі замкової лопатки методом скінченних елементів. Отримані результати порівнюються з експериментальними даними.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:00:02Z |
| format | Article |
| fulltext |
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 2 31
17. Шульженко Н. Г. Оценка живучести высокотемпературных элементов турбомашин с трещинами /
Н. Г. Шульженко, П. П. Гонтаровский, И. И Мележик // Вестн. НТУ «ХПИ». – 2004. – № 19. –
С. 153–160.
18. Мустафин Ч. Г. Оценка длительной прочности элементов роторов паровых турбин // Теплоэнер-
гетика. – 1998. – № 3. – С. 56–60.
Поступила в редакцию
06.03.12
УДК 621.125
В. Л. Швецов
В. А. Литовка
И. А. Пальков
С. А. Пальков
ОАО «Турбоатом»,
(г. Харьков, e-mail: palkoff@inbox.ru)
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ ЗАМКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК
Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния соединения диска 2-й сту-
пени цилиндра среднего давления паровой турбины в районе замковой лопатки методом
конечных элементов. Полученные результаты сравниваются с экспериментальными
данными.
Проведено аналіз напружено-деформованого стану з’єднання диска 2-го ступеня цилін-
дра середнього тиску парової турбіни в районі замкової лопатки методом скінченних
елементів. Отримані результати порівнюються з експериментальними даними.
Введение
Эксплуатационная надежность турбоагрегата, особенно при нестационарных режи-
мах работы, в значительной мере зависит от прочности элементов лопаточного аппарата, в
частности замковых соединений.
Для оценки несущей способности замковых соединений рабочих лопаток необходи-
мо знать действительные напряжения, возникающие при эксплуатации. Расчетное определе-
ние напряжений аналитическими методами теории упругости в соединениях подобного ти-
па, имеющих сложную пространственную форму и работающих в условиях сложного сило-
вого и теплового нагружения, может дать результаты, значительно отличающиеся от дейст-
вительных значений из-за несовершенства расчетной модели, неточного определения гра-
ничных условий и т.д. Эффективным методом исследования напряженно-деформирован-
ного состояния (НДС) элементов энергетического оборудования является натурная тензо-
метрия, позволяющая получить действительные значения напряжений [1]. Однако примени-
мость этого метода также ограничена, поскольку проведение натурных испытаний требует
достаточно больших денежных затрат и не все зоны исследуемой конструкции могут быть
доступны для установки тензодатчиков. Например, практически невозможно установить
тензодатчики на опорных поверхностях замкового соединения.
В связи с этим при исследованиях НДС сложных конструкций энергетического обо-
рудования представляется оптимальным применение современных численных методов, ос-
нованных на методе конечных элементов (МКЭ) [2]. МКЭ позволяет учесть сложную гео-
метрию объекта, произвольно изменяющиеся во времени граничные условия, неоднород-
ность материала и зависимость его свойств от температуры, односторонние взаимодействия
деталей и другие факторы.
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 2 32
Результаты натурной тензометрии
(кроме своего самостоятельного значения)
позволяют проверить надежность выбранной
расчетной методики, оценить ее точность и
скорректировать расчетную схему.
1. Постановка задачи
Задачей расчетного исследования яв-
лялось методическое обоснование модели на-
пряженно-деформированного состояния трех-
опорного грибовидного замкового соединения
рабочих лопаток 2-й ступени СД паровой тур-
бины К-500-240-1 (рис. 1).
Задача об НДС соединения решалась
по методике, базирующейся на методе конеч-
ных элементов, используемом для решения
краевой задачи теории упругости. Верификация полученных результатов производилась пу-
тем сравнения с имеющимися в литературе результатами натурного эксперимента [3]. При
расчете использовалась модель замкового соединения.
При исследовании напряженного состояния моделировалось только растяжение ло-
паток от центробежных сил. Воздействие парового потока на замковое соединение не рас-
сматривалось.
2. Исследование НДС методом тензометрических испытаний
Для проведения тензометрических испытаний, при полном геометрическом подобии
в натурную величину, из органического стекла изготавливались модели элементов замково-
го соединения.
Модель диска (рис. 1, поз. 1) выполнена с шагом трех лопаток. Участок диска взят
прямолинейным, а не по дуге окружности, для простоты изготовления модели.
Модели замковой лопатки (рис. 1, поз. 4) и двух предзамковых лопаток (рис. 1,
поз. 3) представляют собой лишь модели хвостовиков лопаток.
Испытания модели замкового соединения проводились на 30-тонной разрывной ма-
шине в ЦЗЛ ОАО «Турбоатом».
Для равномерного распределения растягивающего усилия
между замковой и двумя предзамковыми лопатками применялось
специальное нагружающее приспособление, состоящее из двух
захватов и системы рычагов и шарниров (рис. 2).
Для выявления напряжений на модели замкового соедине-
ния применялись тензометрические датчики [4]. Схема тензодат-
чиков приведена на рис. 3.
Рабочая нагрузка, приходящаяся на три лопатки замкового
соединения, подсчитывалась по формуле
дет
дет
мод
2мод ]σ[
]σ[1 РР
α
= ,
где Pмод – нагрузка на модель; Pдет = 7924 кг – рабочая нагрузка на
деталь. В нашем случае это усилие от центробежных сил, прихо-
дящееся на одну лопатку; [σмод] = 60 кг/см2 – допускаемые напря-
жения для органического стекла; [σдет] = 4400 кг/см2 – допускае-
мые напряжения для материала лопаток сталь 15Х12ВНМФ при
рабочей температуре 500 °С. α = lдет/lмод = 1 – коэффициент гео-
метрического подобия; lдет и lмод – соответственно размеры детали
и модели.
Рис. 1. Детали модели замкового соединения:
1 – диск; 2 – штифты замковые; 3 – предзам-
ковые лопатки; 4 – замковая лопатка
Рис. 2. Принципиальная
схема действия
рычагов и шарниров
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 2 33
Рис. 3. Схема наклейки датчиков
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 2 34
Напряжения в модели замкового соединения, определенные в ходе натурных испы-
таний, по нижеприведенной формуле пересчитывались в напряжения в натурной детали
,мод2дет σ
α
β
=σ
где β = Pдет/Pмод – коэффициент силового подобия; α = lдет/lмод – коэффициент геометриче-
ского подобия; σмод – напряжения в модели; Pдет – рабочая нагрузка на деталь; Pмод – нагруз-
ка на модель; lдет, lмод – соответственно размеры детали и модели.
σмод = m⋅N,
где m = 0,4 кг/см2 – тарировочный коэффициент в напряжениях; N – число делений прибора.
В ходе испытаний было сделано три измерения для каждого датчика, по которым
найдено среднее – Nср показание прибора.
3. Исследование НДС методом конечных элементов
При решении краевой задачи о НДС замкового соединения использовался МКЭ в
перемещениях в сочетании с вариационным принципом Лагранжа [5].
В соответствии с подходом Лагранжа рассчитываемая система разбивается на неко-
торое число отдельных элементов конечных размеров, неразрывно связанных между собой в
узловых точках, для которых должен быть известен характер соотношения между переме-
щениями и реакциями в узлах. Таким образом, генерируется сетка из конечных элементов
простой геометрической формы, которая с достаточной степенью точности аппроксимирует
конкретную конструкцию. В узловых точках элементов сетки на основании принципа Ла-
гранжа связи между действующими силами и перемещениями записываются выражением
вида
{F} = [K]⋅{q}r
где {F}r — матрица реакций в узлах, то есть вектор узловых сил конечного элемента; {q}r –
матрица перемещений в узлах, то есть вектор узловых перемещений; [K] – матрица жестко-
сти конечного элемента.
Эти разрешающие уравнения являются уравнениями равновесия конечных элемен-
тов и включают в себя систему неоднородных линейных алгебраических уравнений относи-
тельно вектора узловых перемещений.
Разбиение на конечные элементы осуществлялось в полуавтоматическом режиме.
Конструкция была разбита на 127 000 элементов (рис. 4). В зонах, где происходит контакт
элементов в соединении, влияющий на передачу усилий между элементами, задавалось сгу-
щение сетки.
Граничными условиями для модели явля-
лись закрепление по нижней плоскости диска и рас-
тягивающая нагрузка, моделирующая центробеж-
ную силу активной части лопатки.
В таблице приведены данные по материа-
лам, из которых изготовлены элементы замкового
соединения.
4. Анализ полученных результатов
Корректное сравнение результатов испыта-
ний с результатами расчетов является непростой
задачей. Податливости испытательных стендов, по-
грешности измерительного оборудования могут
приводить к значительным расхождениям с резуль-
татами расчетов. Рис. 4. Конечноэлементная модель
замкового соединения
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 2 35
Рис. 5. Эпюры напряжений σy:
сплошными линиями показаны напряжения, полученные МКЭ,
пунктиром – методом тензометрирования
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2012, Т. 15, № 2 36
Физические свойства сталей в замковом соединении
Физические свойства Материал Е·10–3, МПа ν ρ, кг/м3
20Х3МВФ (диск) 211 0,3 7790
15Х12ВНМФ (лопатки и штифты) 211 0,3 7850
Так как наибольшей величины в рассматриваемых моделях достигают растягиваю-
щие напряжения σy, то на рис. 5 представлены графики распределения напряжений, полу-
ченные во время натурных испытаний и в результате расчета МКЭ.
Из сравнения величин напряжений видно, что:
− распределение напряжений по конструкции замкового соединения имеет сложный про-
странственный характер;
− различие результатов, полученных по МКЭ и в ходе эксперимента, составляет не более
10%;
− наибольшие напряжения в верхних сечениях призамковых лопаток, а также в сечениях
штифтов свидетельствуют о большей нагруженности данных площадок по сравнению с
другими.
Выводы
Разработана трехмерная конечноэлементная модель замкового соединения рабочих
лопаток 2-й ступени РВД турбины К-500-240, которая позволяет качественно и количест-
венно оценить напряжения, возникающие в нем.
Характер распределения напряжений при расчетах МКЭ и натурных испытаниях в
большинстве случаев совпадает, хотя и имеется ряд отличий, вызванных присутствием аб-
солютных и относительных погрешностей.
Настоящая работа показывает допустимость рассмотрения МКЭ для анализа напря-
женного состояния замковых соединений подобного типа как альтернативу к дорогостоя-
щему натурному эксперименту.
Литература
1. Махутов Н. А. Прочность конструкций при малоцикловом нагружении / Н. А. Махутов. – М.: Нау-
ка, 1983. – 272 с.
2. Зенкевич О. К. Метод конечных элементов в технике / О. К. Зенкевич. – М.: Мир, 1975. – 541 с.
3. О тензометрических испытания моделей замкового соединения рабочих лопаток 2-3 ступени
ЦСД турбины К-500-240: отчет о НИР/ОАО «Турбоатом».: Руководитель Меллерович Г. М.; Инв.
№ Д-1561. – Харьков, 1962. – 156 с.
4. Бандин О. Л. Тензорезисторный метод в испытаниях инженерных конструкций / О. Л. Бандин. –
М.: МГУ, 2010. – 326 с.
5. Иванов В. Н. Вариационные принципы и методы решения задач теории упругости: Учеб. пособие /
В. Н. Иванов. − М.: Изд-во Рос. ун-та дружбы народов, 2004. − 176 с.
Поступила в редакцию
14.04.12
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99043 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0131-2928 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:00:02Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Швецов, В.Л. Литовка, В.А. Пальков, И.А. Пальков, С.А. 2016-04-22T13:38:13Z 2016-04-22T13:38:13Z 2012 Исследование напряженно-деформированного состояния замкового соединения рабочих лопаток / В.Л. Швецов, В.А. Литовка, И.А. Пальков, С.А. Пальков // Проблемы машиностроения. — 2012. — Т. 15, № 2. — С. 31-36. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99043 621.125 The analysis of the stress-strain state of the connection disc of 2nd degree cylinder medium-pressure steam turbine blades in the castle by the method of finite elements. The resalts are compared with experimental data Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния соединения диска 2-й ступени цилиндра среднего давления паровой турбины в районе замковой лопатки методом конечных элементов. Полученные результаты сравниваются с экспериментальными данными. Проведено аналіз напружено-деформованого стану з’єднання диска 2-го ступеня циліндра середнього тиску парової турбіни в районі замкової лопатки методом скінченних елементів. Отримані результати порівнюються з експериментальними даними. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Динамика и прочность машин Исследование напряженно-деформированного состояния замкового соединения рабочих лопаток The research of the stressstrain state of the losk joint of the operating blades Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование напряженно-деформированного состояния замкового соединения рабочих лопаток Швецов, В.Л. Литовка, В.А. Пальков, И.А. Пальков, С.А. Динамика и прочность машин |
| title | Исследование напряженно-деформированного состояния замкового соединения рабочих лопаток |
| title_alt | The research of the stressstrain state of the losk joint of the operating blades |
| title_full | Исследование напряженно-деформированного состояния замкового соединения рабочих лопаток |
| title_fullStr | Исследование напряженно-деформированного состояния замкового соединения рабочих лопаток |
| title_full_unstemmed | Исследование напряженно-деформированного состояния замкового соединения рабочих лопаток |
| title_short | Исследование напряженно-деформированного состояния замкового соединения рабочих лопаток |
| title_sort | исследование напряженно-деформированного состояния замкового соединения рабочих лопаток |
| topic | Динамика и прочность машин |
| topic_facet | Динамика и прочность машин |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99043 |
| work_keys_str_mv | AT švecovvl issledovanienaprâžennodeformirovannogosostoâniâzamkovogosoedineniârabočihlopatok AT litovkava issledovanienaprâžennodeformirovannogosostoâniâzamkovogosoedineniârabočihlopatok AT palʹkovia issledovanienaprâžennodeformirovannogosostoâniâzamkovogosoedineniârabočihlopatok AT palʹkovsa issledovanienaprâžennodeformirovannogosostoâniâzamkovogosoedineniârabočihlopatok AT švecovvl theresearchofthestressstrainstateoftheloskjointoftheoperatingblades AT litovkava theresearchofthestressstrainstateoftheloskjointoftheoperatingblades AT palʹkovia theresearchofthestressstrainstateoftheloskjointoftheoperatingblades AT palʹkovsa theresearchofthestressstrainstateoftheloskjointoftheoperatingblades |