Effect of Blade Material of Steam Turbine Rotor on Aeroelastic Characteristics
Elements of powerful steam turbines are subjected to significant unsteady loads, in particular the rotor blades of the last stages. These loads, in some cases, can cause self-excited oscillations, which are extremely dangerous and have a negative impact on the efficiency and service life of the blad...
Збережено в:
| Дата: | 2025 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
2025
|
| Онлайн доступ: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/313019 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Journal of Mechanical Engineering |
Репозитарії
Journal of Mechanical Engineering| id |
journalsuranuajme-article-313019 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Journal of Mechanical Engineering |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-03-12T15:06:02Z |
| collection |
OJS |
| language |
English Ukrainian |
| format |
Article |
| author |
Биков, Ю. А. Колодяжна, Л. В. |
| spellingShingle |
Биков, Ю. А. Колодяжна, Л. В. Effect of Blade Material of Steam Turbine Rotor on Aeroelastic Characteristics |
| author_facet |
Биков, Ю. А. Колодяжна, Л. В. |
| author_sort |
Биков, Ю. А. |
| title |
Effect of Blade Material of Steam Turbine Rotor on Aeroelastic Characteristics |
| title_short |
Effect of Blade Material of Steam Turbine Rotor on Aeroelastic Characteristics |
| title_full |
Effect of Blade Material of Steam Turbine Rotor on Aeroelastic Characteristics |
| title_fullStr |
Effect of Blade Material of Steam Turbine Rotor on Aeroelastic Characteristics |
| title_full_unstemmed |
Effect of Blade Material of Steam Turbine Rotor on Aeroelastic Characteristics |
| title_sort |
effect of blade material of steam turbine rotor on aeroelastic characteristics |
| title_alt |
Вплив матеріалу лопаток ротора парової турбіни на аеропружні характеристики Вплив матеріалу лопаток ротора парової турбіни на аеропружні характеристики |
| description |
Elements of powerful steam turbines are subjected to significant unsteady loads, in particular the rotor blades of the last stages. These loads, in some cases, can cause self-excited oscillations, which are extremely dangerous and have a negative impact on the efficiency and service life of the blade cascade. Therefore, when designing new or modernizing existing steam turbine stages, it is recommended to study the aeroelastic characteristics of the blades. The conditions for the occurrence of self-excited oscillations are influenced by both the geometric characteristics and the alloy from which the blade is made. To determine the effect of the blade material on the aeroelastic behaviour, a numerical analysis of the aeroelastic characteristics of the last stage blades made of steel and titanium alloy was performed. For the analysis, the method of simultaneous modeling of unsteady gas flow through the blade cascades and elastic vibrations of the blades (coupled problem) was used, which allows obtaining the amplitude-frequency spectrum of the interaction of unsteady loads and blade vibrations. The paper presents the results of numerical analysis for harmonic oscillations with a given amplitude and a given inter-blade phase angle, as well as for the regime of coupled vibration of blades under the action of unsteady aerodynamic forces. The dependences of the aerodamping coefficient on the inter-blade phase angle and the distribution of the coefficient along the blade are presented. The results of modeling the coupled vibration of the blades for the first six natural forms are presented in the form of a time-evolving displacement of the blade peripheral section, as well as forces and moments acting on the peripheral section. The corresponding amplitude-frequency spectra of displacements and loads in the peripheral section are also presented. The analysis of the results showed an insignificant difference in the characteristics of the proposed blade materials. For the first natural form of blade oscillations, the possibility of self-excited oscillations was found, and for the second form, there are conditions for the appearance of stable self-oscillations. |
| publisher |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України |
| publishDate |
2025 |
| url |
https://journals.uran.ua/jme/article/view/313019 |
| work_keys_str_mv |
AT bikovûa effectofbladematerialofsteamturbinerotoronaeroelasticcharacteristics AT kolodâžnalv effectofbladematerialofsteamturbinerotoronaeroelasticcharacteristics AT bikovûa vplivmateríalulopatokrotoraparovoíturbíninaaeropružníharakteristiki AT kolodâžnalv vplivmateríalulopatokrotoraparovoíturbíninaaeropružníharakteristiki |
| first_indexed |
2025-07-17T11:57:01Z |
| last_indexed |
2025-07-17T11:57:01Z |
| _version_ |
1837895171994288128 |
| spelling |
journalsuranuajme-article-3130192025-03-12T15:06:02Z Effect of Blade Material of Steam Turbine Rotor on Aeroelastic Characteristics Вплив матеріалу лопаток ротора парової турбіни на аеропружні характеристики Вплив матеріалу лопаток ротора парової турбіни на аеропружні характеристики Биков, Ю. А. Колодяжна, Л. В. Elements of powerful steam turbines are subjected to significant unsteady loads, in particular the rotor blades of the last stages. These loads, in some cases, can cause self-excited oscillations, which are extremely dangerous and have a negative impact on the efficiency and service life of the blade cascade. Therefore, when designing new or modernizing existing steam turbine stages, it is recommended to study the aeroelastic characteristics of the blades. The conditions for the occurrence of self-excited oscillations are influenced by both the geometric characteristics and the alloy from which the blade is made. To determine the effect of the blade material on the aeroelastic behaviour, a numerical analysis of the aeroelastic characteristics of the last stage blades made of steel and titanium alloy was performed. For the analysis, the method of simultaneous modeling of unsteady gas flow through the blade cascades and elastic vibrations of the blades (coupled problem) was used, which allows obtaining the amplitude-frequency spectrum of the interaction of unsteady loads and blade vibrations. The paper presents the results of numerical analysis for harmonic oscillations with a given amplitude and a given inter-blade phase angle, as well as for the regime of coupled vibration of blades under the action of unsteady aerodynamic forces. The dependences of the aerodamping coefficient on the inter-blade phase angle and the distribution of the coefficient along the blade are presented. The results of modeling the coupled vibration of the blades for the first six natural forms are presented in the form of a time-evolving displacement of the blade peripheral section, as well as forces and moments acting on the peripheral section. The corresponding amplitude-frequency spectra of displacements and loads in the peripheral section are also presented. The analysis of the results showed an insignificant difference in the characteristics of the proposed blade materials. For the first natural form of blade oscillations, the possibility of self-excited oscillations was found, and for the second form, there are conditions for the appearance of stable self-oscillations. Елементи потужних парових турбін, зокрема, лопатки ротора останніх ступенів, зазнають значних нестаціонарних навантажень, які в деяких випадках можуть викликати вкрай небезпечні самозбудні коливання, що негативно впливають на ефективність і ресурс лопаткового апарату. З огляду на це при розробці нових чи модернізації існуючих ступенів парових турбін рекомендовано досліджувати аеропружні характеристики робочих лопаток. На умови виникнення самозбудних коливань впливають як геометричні характеристики, так і сплав, з якого виготовлено лопатку. Для визначення впливу матеріалу лопаток на аеропружну поведінку було проведено числовий аналіз аеропружних характеристик робочих лопаток останнього ступеня, виготовлених із сталевого й титанового сплаву. Для аналізу використано метод одночасного моделювання нестаціонарної течії газу через лопаткові вінці й пружних коливань лопаток (зв’язана задача), який дозволяє отримати амплітудно-частотний спектр взаємодії нестаціонарних навантажень і коливань лопаток. У роботі представлено результати числового аналізу для гармонійних коливань із заданими амплітудою й міжлопатковим фазовим кутом, а також для режиму зв’язаних коливань лопаток під дією нестаціонарних аеродинамічних сил. Наведено залежності коефіцієнта аеродемпфування від міжлопаткового фазового кута і розподіл коефіцієнта вздовж лопатки. Результати моделювання зв’язаних коливань лопаток для шести перших власних форм представлено у вигляді зміни за часом переміщення периферійного перетину лопатки, а також сил і моментів, що діють на периферійний перетин. Наведено відповідні амплітудно-частотні спектри переміщень і навантажень у периферійному перетині. Аналіз результатів показав несуттєву відмінність характеристик від запропонованих матеріалів лопатки. Для першої власної форми коливань лопатки виявлена можливість виникнення самозбудних коливань, для другої форми є умови для появи стійких автоколивань. Елементи потужних парових турбін, зокрема, лопатки ротора останніх ступенів, зазнають значних нестаціонарних навантажень, які в деяких випадках можуть викликати вкрай небезпечні самозбудні коливання, що негативно впливають на ефективність і ресурс лопаткового апарату. З огляду на це при розробці нових чи модернізації існуючих ступенів парових турбін рекомендовано досліджувати аеропружні характеристики робочих лопаток. На умови виникнення самозбудних коливань впливають як геометричні характеристики, так і сплав, з якого виготовлено лопатку. Для визначення впливу матеріалу лопаток на аеропружну поведінку було проведено числовий аналіз аеропружних характеристик робочих лопаток останнього ступеня, виготовлених із сталевого й титанового сплаву. Для аналізу використано метод одночасного моделювання нестаціонарної течії газу через лопаткові вінці й пружних коливань лопаток (зв’язана задача), який дозволяє отримати амплітудно-частотний спектр взаємодії нестаціонарних навантажень і коливань лопаток. У роботі представлено результати числового аналізу для гармонійних коливань із заданими амплітудою й міжлопатковим фазовим кутом, а також для режиму зв’язаних коливань лопаток під дією нестаціонарних аеродинамічних сил. Наведено залежності коефіцієнта аеродемпфування від міжлопаткового фазового кута і розподіл коефіцієнта вздовж лопатки. Результати моделювання зв’язаних коливань лопаток для шести перших власних форм представлено у вигляді зміни за часом переміщення периферійного перетину лопатки, а також сил і моментів, що діють на периферійний перетин. Наведено відповідні амплітудно-частотні спектри переміщень і навантажень у периферійному перетині. Аналіз результатів показав несуттєву відмінність характеристик від запропонованих матеріалів лопатки. Для першої власної форми коливань лопатки виявлена можливість виникнення самозбудних коливань, для другої форми є умови для появи стійких автоколивань. Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України 2025-03-12 Article Article application/pdf application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/313019 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 27 No. 3 (2024); 6-15 Проблемы машиностроения; Том 27 № 3 (2024); 6-15 Проблеми машинобудування; Том 27 № 3 (2024); 6-15 2709-2992 2709-2984 en uk https://journals.uran.ua/jme/article/view/313019/304057 https://journals.uran.ua/jme/article/view/313019/304058 Copyright (c) 2024 Ю. А. Биков, Л. В. Колодяжна http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |