Kmitání lopatek a olopatkování disků s třecími členy

Jan BRŮHA

Master's thesis

Vibration of Blades and Blade Rings with Friction Elements

Abstract:

Tato práce je zaměřena na modelování kmitání turbínových lopatek. Na základě poskytnutých parametrů experimentálního zařízení testovaného v Ústavu termomechaniky Akademie věd České republiky je navržen výpočtový model dvojice lopatek vetknutých do tuhého rotujícího disku, mezi jejichž nástavce je vložen třecí člen. Každá z lopatek je diskretizována metodou konečných prvků. Uvažovány jsou ohybové kmity lopatky v rovině definované podélnou osou lopatky a osou rotace kombinované s torzními kmity okolo podélné osy. Následně byl sestaven model dvojice rotujících lopatek se třecím členem a za předpokladu pulsního buzení nerotujícím elektromagnetem zkoumány vlivy vybraného parametru třecí charakteristiky a přítomnosti třecího členu na ohybové kmitání lopatek. Tento model je dále linearizován metodou ekvivalentní linearizace a využit k optimalizacím vybraných parametrů třecího členu a součinitele smykového tření v kontaktních plochách z hlediska potlačení ohybového kmitání lopatek a potlačení dynamické napjatosti v ohybu. V závěru práce je stručně odvozen matematický model kompletního olopatkování rotujícího disku, které se skládá z 60 lopatek, mezi jejichž nástavce jsou vloženy třecí členy, a provedeno řešení harmonicky buzených kmitů lopatek.

Abstract:

Presented work deals with a modeling of a vibration of turbine blades. In accordance with the experimental arrangement tested in IT AS CR, the computational model of a couple of clamped blades into a rotating rigid disk with a friction element is designed. Either of the blades is discretized by the finite element method. We assume a bending vibration of the blade in its one plane of symmetry combined with a torsional vibration along the longitudinal axis. In this work, the friction element is considered a mass point elastically placed in a wedge gap between the blade shrouds. The friction in central contact points between the blade shrouds and the friction element is approximated by a continuous function depending on slip velocities of the shrouds relative to the friction element. Considered friction characteristic respects the micro-slip phase at the very low slip velocities and the macro-slip (full-slip) phase at the higher slip velocities. Both of the blades are excited in axial direction by non-rotating electromagnet. The friction element impact and also a chosen parameter of the friction characteristic impact on bending vibration of the blades are analyzed. Then, the equivalent linearization method is applied on this strongly nonlinear system. An optimization of chosen parameters of the friction element and coefficient of friction for the bending vibration suppression of the blades and also an optimization for the dynamic bending stress suppression are performed. In the last chapter, a modeling of a vibration of a whole harmonically excited bladed disk with friction elements placed between neighbouring blade shrouds is described.

Keywords

kmitání lopatek, metoda konečných prvků, tření, třecí člen, metoda ekvivalentní linearizace, optimalizace parametrů třecího členu

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 8. 2014

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 26. 8. 2014
• Supervisor: Prof. Ing. Vladimír Zeman, DrSc.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Master programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Mechanics