RU2305799C1

RU2305799C1 - Centrifugal machine impeller

Info

Publication number: RU2305799C1
Application number: RU2005141287/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Горожанцев (RU); Владимир Владимирович Горожанцев; Роман Сергеевич Ризнык (RU); Роман Сергеевич Ризнык; Валентин Васильевич Варин (RU); Валентин Васильевич Варин
Original assignee: Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра"
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2007-09-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; compressors.

SUBSTANCE: layer of composite material is applied to surface of impeller disk. Ratio of modulus of elasticity to density of said material is less than material of disk. Layer of glass plastic can be used for this purpose. Layer of composite material featuring smaller ratio is arranged in ring groove found of periphery in disk body. At elastic vibrations of impeller disk internal friction interaction effect appears in place of contact of materials. As a result, vibration energy is dissipated and vibration amplitude is reduced which contributes to resistance of impeller to cyclic loads.

EFFECT: provision of required dynamic strength characteristics at relatively high peripheral speeds of rotation.

1 dwg

Description

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности к центробежным машинам, а именно к конструкции их рабочих колес.The invention relates to compressor engineering, in particular to centrifugal machines, and in particular to the design of their impellers.

Характерным для рабочих колес центробежных машин является высокая статическая напряженность деталей колеса, обусловленная главным образом окружной скоростью их вращения, величина которой определяет конструкцию колеса.Characteristic of the impellers of centrifugal machines is the high static tension of the wheel parts, due mainly to the peripheral speed of their rotation, the value of which determines the design of the wheel.

При работе компрессора от внешнего переменного силового поля, преимущественно от действия аэродинамических сил, в деталях вращающегося колеса появляются свободные затухающие колебания, сопровождающиеся переменными динамическими напряжениями. При числе оборотов, кратном собственным частотам колебаний элементов колеса, возможно изменение интенсивности колебаний и процесс может оказаться резонансным, так как подвод энергии в систему происходит при каждом обороте колеса.When the compressor is operating from an external alternating force field, mainly from the action of aerodynamic forces, free damped oscillations appear in the parts of the rotating wheel, accompanied by alternating dynamic voltages. When the number of revolutions is a multiple of the natural frequencies of the elements of the wheel, a change in the intensity of the oscillations is possible and the process may be resonant, since energy is supplied to the system at each revolution of the wheel.

На практике наиболее частые усталостные поломки возникают в основном вблизи наружного диаметра полотна покрывного и основного дисков, так как интенсивные резонансные колебания в деталях колеса возбуждаются лишь вблизи выхода газового потока из межлопаточных участков - самом слабом месте полотен дисков с точки зрения динамической прочности.In practice, the most frequent fatigue failures occur mainly near the outer diameter of the sheet of the top and main discs, since intense resonant vibrations in the wheel parts are excited only near the exit of the gas flow from the interscapular sections, the weakest point of the disc webs in terms of dynamic strength.

Увеличение прочности колеса может быть достигнуто за счет рационального выбора размеров его составных деталей, а также введения конструктивных и технологических мероприятий, способствующих снижению уровня переменных напряжений и повышению конструктивной усталостной прочности составных деталей колеса. Такими мероприятиями могут быть изменение материала деталей, формы, включая изменение связей составных деталей колеса, обуславливающие другую частоту колебаний.An increase in the strength of the wheel can be achieved by rational selection of the dimensions of its component parts, as well as the introduction of structural and technological measures to reduce the level of alternating stresses and increase the structural fatigue strength of the component parts of the wheel. Such measures may be a change in the material of parts, shapes, including changes in the relationships of the constituent parts of the wheel, causing a different oscillation frequency.

Известна компрессорная составная лопатка (Г.С.Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. Машиностроение. Москва. 1969. Стр.297. Рис.7.32), состоящая из двух частей, позволяющая увеличить демпфирование колебаний. Дополнительное трение получается за счет того, что составные части лопатки соединены в предварительно напряженном состоянии в замковой части заклепками, а в рабочей части (перо лопатки) - сильно демпфирующим специальным цементом. Вибрация вызывает перемещение составных частей лопатки относительно друг друга, и возникающее трение по поверхностям их соединения ограничивает амплитуду колебаний и уменьшает внутренние напряжения.Known compressor compound blade (G.S. Skubachevsky. Aircraft gas turbine engines. Design and calculation of parts. Mechanical engineering. Moscow. 1969. Page 277. Fig. 7.32), consisting of two parts, which allows to increase vibration damping. Additional friction is obtained due to the fact that the components of the blade are connected in a prestressed state in the locking part by rivets, and in the working part (feather of the blade) by highly damping special cement. Vibration causes the moving parts of the blade relative to each other, and the resulting friction on the surfaces of their joints limits the amplitude of the oscillations and reduces internal stresses.

Недостатком данного технического решения является конструктивная сложность соединения, необходимость обеспечения высокой точности выполнения поверхностей сопряжения частей лопатки и, как следствие, дороговизна ее изготовления.The disadvantage of this technical solution is the structural complexity of the connection, the need to ensure high accuracy of the execution of the mating surfaces of the parts of the blades and, as a consequence, the high cost of its manufacture.

Известно также, что каждый материал имеет свой логарифмический декремент колебания, не связанный с другими обычными механическими или физическими свойствами материала (логарифмический декремент колебания - натуральный логарифм отношения амплитуд последующего и предыдущего колебаний).It is also known that each material has its own logarithmic decrement of oscillation, not related to other usual mechanical or physical properties of the material (logarithmic decrement of oscillation is the natural logarithm of the ratio of the amplitudes of the subsequent and previous oscillations).

Известно, что частота собственных колебаний детали зависит от отношения E/ρ модуля упругости материала к его плотности, которое определяется свойствами материала детали (например, диска).It is known that the frequency of natural vibrations of a part depends on the ratio E / ρ of the elastic modulus of the material to its density, which is determined by the properties of the material of the part (for example, a disk).

Известно рабочее колесо турбодетандера (а.с. №1337623 F25В 11/00. Бюл. №34), у которого диск со стороны, противоположной лопаткам, снабжен резьбовыми деталями, имеющими определенную длину, и планками с отверстиями для крепежа. Резьбовые детали выполнены из материала, модуль упругости которого больше модуля упругости материала диска не менее чем на 8%. При возникновении колебаний лопаток или диска возбуждаются также и резьбовые детали, при этом в местах контакта с материалом деталей возникает эффект трения, что приводит к рассеиванию энергии колебаний и снижению их амплитуды.Known impeller of a turboexpander (AS No. 1337623 F25B 11/00. Bull. No. 34), in which the disk from the side opposite to the blades, is equipped with threaded parts having a certain length, and strips with holes for fasteners. The threaded parts are made of a material whose elastic modulus is greater than the elastic modulus of the disk material by at least 8%. When vibrations of the blades or the disk occur, threaded parts are also excited, while in the places of contact with the material of the parts a friction effect occurs, which leads to the dispersion of the vibration energy and a decrease in their amplitude.

Недостатком такого технического решения является наличие локальных резьбовых отверстий, которые в силу своей специфики формообразования имеют ярко выраженную зону концентрации напряжений, например, в виде винтовой линии резьбовой поверхности. При этом плохая полировка (из-за трудного доступа) поверхности материала детали в местах перехода от одной поверхности к другой, например в вершинах гребней резьбовой поверхности, уменьшает усталостную прочность материала.The disadvantage of this technical solution is the presence of local threaded holes, which, due to their specific shaping, have a pronounced stress concentration zone, for example, in the form of a helix of a threaded surface. Moreover, poor polishing (due to difficult access) of the surface of the material of the part at the points of transition from one surface to another, for example, at the tops of the ridges of the threaded surface, reduces the fatigue strength of the material.

Технической задачей заявляемого технического решения является устранение указанных недостатков, а именно повышение эксплуатационной надежности путем повышения усталостной прочности дисков рабочего колеса в условиях воздействия переменных динамических напряжений.The technical task of the proposed technical solution is to eliminate these drawbacks, namely increasing operational reliability by increasing the fatigue strength of the impeller disks under the influence of variable dynamic stresses.

Технический результат достигается тем, что в известном рабочем колесе центробежной машины, содержащем диск с расположенными на нем лопатками и деталями, выполненными из материала, имеющего модуль упругости, отличный от модуля упругости материала диска, в качестве деталей использован слой композиционного материала, у которого отношение модуля упругости к его плотности меньше, чем у материала диска, например слой стеклопластика, при этом слой композиционного материала размещен в кольцевой проточке, расположенной по периферии в теле полотна, по меньшей мере, одного диска.The technical result is achieved by the fact that in the known impeller of a centrifugal machine containing a disk with blades and parts located thereon made of a material having an elastic modulus different from the elastic modulus of the disk material, a composite material layer with a modulus ratio is used as parts the elasticity to its density is less than that of the disk material, for example, a fiberglass layer, while the layer of composite material is placed in an annular groove located at the periphery in the body of the polo tons of at least one disk.

На чертеже показано рабочее колесо центробежной машины, продольный разрез.The drawing shows the impeller of a centrifugal machine, a longitudinal section.

Рабочее колесо центробежной машины содержит покрывной диск 1 и основной рабочий диск 2, соединенные с лопатками 3. В теле периферийной части диска 1 расположена кольцевая канавка 4, в теле по периферийной части диска 2 расположена кольцевая канавка 5. В кольцевых канавках 4, 5 размещены слои композиционного материала 6, например стеклопластика, с присоединением к поверхностям канавок одним из известных способов, например приклеены. Слои композиционного материала 6 могут быть помещены в кольцевых канавках 4, 5 методом выкладки или намотки.The impeller of a centrifugal machine contains a cover disk 1 and a main working disk 2 connected to the vanes 3. An annular groove 4 is located in the body of the peripheral part of the disk 1, an annular groove 5 is located in the body along the peripheral part of the disk 2. Layers are placed in the annular grooves 4, 5 composite material 6, for example fiberglass, by attaching to the surfaces of the grooves using one of the known methods, for example, glued. Layers of composite material 6 can be placed in the annular grooves 4, 5 by laying out or winding.

При вращении колеса в составе компрессора осуществляется процесс перетекания рабочего тела (газа) в каждом межлопаточном канале колеса и во внешних зазорах статорных элементов компрессора (на чертеже не показаны) с наружными поверхностями дисков 1, 2.When the wheels rotate as part of the compressor, the process of overflowing of the working fluid (gas) in each interscapular channel of the wheel and in the external gaps of the stator elements of the compressor (not shown) with the outer surfaces of the disks 1, 2.

Возникает аэродинамическое взаимодействие поверхностей статорных элементов компрессора с поверхностями элементов вращающегося ротора, в частности с наружной поверхностью дисков 1, 2 рабочего колеса, приводящее к колебаниям различного характера вращающегося ротора и его составляющих элементов.There is an aerodynamic interaction of the surfaces of the stator elements of the compressor with the surfaces of the elements of the rotating rotor, in particular with the outer surface of the disks 1, 2 of the impeller, leading to oscillations of a different nature of the rotating rotor and its constituent elements.

Переменное силовое поле, воздействующее на участки (сегменты) дисков 1, 2 между лопатками 3 с одновременным воздействием массовых сил инерции, возбуждает совместные упругие изгибные колебания дисков 1, 2 и слоев композиционного материала 6, помещенных в канавках 4, 5.An alternating force field acting on the sections (segments) of the disks 1, 2 between the blades 3 with the simultaneous action of mass inertia forces excites joint elastic bending vibrations of the disks 1, 2 and layers of the composite material 6, placed in the grooves 4, 5.

Колебания участков полотен дисков, в частности, между лопатками одновременно вовлекают и слои композиционного материала 6 с декрементом затухания колебаний, отличным от декремента затухания материала дисков 1, 2. При этом в местах контакта разных материалов возникает эффект взаимодействия внутреннего трения, что под действием циклической нагрузки приводит к фазовому сдвигу между нагрузкой и деформацией, рассеиванию энергии колебаний и снижению их амплитуды, что благоприятно сказывается на стойкости к циклическим нагрузкам.Oscillations of sections of the blade webs, in particular, between the blades simultaneously involve layers of the composite material 6 with an attenuation decrement different from the attenuation decrement of the disks 1, 2. In this case, the effect of the interaction of internal friction occurs at the contact points of different materials, which is caused by cyclic loading leads to a phase shift between the load and the deformation, the dissipation of vibrational energy and a decrease in their amplitude, which favorably affects the resistance to cyclic loads.

Такое выполнение колеса позволяет обеспечивать необходимые динамические прочностные характеристики колес при относительно высоких окружных скоростях вращения.This embodiment of the wheel allows you to provide the necessary dynamic strength characteristics of the wheels at relatively high peripheral speeds of rotation.

Claims

The impeller of a centrifugal machine containing a disk with blades and parts located on it, mounted on a disk and made of a material having an elastic modulus different from the elastic modulus of the disk material, characterized in that a composite material layer is used in it, in which the ratio of the elastic modulus to its density is less than that of the disk material, for example, a fiberglass layer, while the layer of composite material is at least placed in an annular groove located on the periphery ns in the body fabric disk.