کنترل ارتعاشات عرضی پره توربین‌های گازی به کمک سیم های مستهلک کننده

نوع مقاله: مقاله علمی ترویجی

نویسندگان

1 مهندسی نکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

توربین‌های گازی از کاربردی‌ترین تجهیزات مورداستفاده در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و هوافضا هستند که در دهه‌های اخیر پژوهش‌های متعددی در ارتباط با مدل‌سازی و پیش‌بینی عملکرد آن‌ها صورت پذیرفته است. یکی از اصلی‌ترین اجزاء این ادوات، پره‌ها می‌باشند که به‌طور مداوم در معرض ارتعاشات ناشی از نیروهای پیچیده گوناگون ازجمله تحریک سیال خارجی هستند. به‌منظور حذف ارتعاشات ناخواسته و همچنین جلوگیری از رخداد پدیده‌های مخرب در این سازه‌ها همچون خستگی و تشدید، مهندسین راهکارهای متنوعی پیشنهاد کرده‌اند که یکی از کارآمدترین آن‌ها استفاده از شرود و سیم‌های مستهلک کننده است. ازاین‌رو در این مقاله به بررسی عملکرد و اثرات شرود و سیم‌های مستهلک کننده بر ارتعاشات پره‌های توربین‌های گازی پرداخته می‌شود. ابتدا تعاریف اولیه توربین و انواع آن تشریح خواهد شد. در ادامه سیستم دیسک و پره که اساسی‌ترین روش برای مدل‌سازی توربین‌ها است معرفی می‌شود. همچنین مفاهیم اولیه نیروهای آئرودینامیک وارده بر پره‌ها و ناپایداری‌های ایجادشده در آن‌ها به صورت اختصار تشریح خواهند شد. درنهایت نیز با طرح یک مثال عددی، کاهش ارتعاشات پره‌های توربین متصل به سیم‌های مستهلک کننده، تحت نیروهای گریز از مرکز و آئرودینامیک بررسی خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Han, Je-Chin, Dutta, Sandip, and Ekkad, Srinath. Gas turbine heat transfer and cooling technology. CRC Press, 2012.

[2] Rolls Royce, plc. The jet engine. McGraw-Hill, 1986.

[3] Padture,NitinP,Gell,Maurice,andJordan,EricH. Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications. Science, 296(5566):280–284, 2002.

 [4] Fang, X, Tang, J, Jordan, E, and Murphy, KD. Crack inducedvibrationlocalizationinsimplifiedbladed-diskstructures. Journal of sound and vibration, 291(1-2):395–418, 2006.

[5] Zhou, Shui-Ting, Chiu, Yi-Jui, Yu, Guo-Fei, Yang, ChiaHao, Huang, Hong-Wu, and Jian, Sheng-Rui. An assumed mode method and finite element method investigation of the coupled vibration in a flexible-disk rotor system with lacing wires. Journal of Mechanical Science and Technology, 31(2):577–586, 2017.

رﺋﯿﺴ،اﺣﺴﺎنوﺿﯿﺎﯾﯽ راد،ﺳﻌﯿﺪ. ﺑﺮرﺳﺗﺤﻘﯿﻘﺎتاﻧﺠﺎمﺷﺪهدرزﻣﯿﻨﻪ [۶]

 . ١٣٩۴،٣٨ – ٢۵:(٨)۴، ﻃﺮاﺣﺳﯿﺴﺘﻢدﯾﺴوﭘﺮه.ﺻﻮتوارﺗﻌﺎش

[7] Rahimi, Mohammad and Ziaei-Rad, Saeed. Uncertainty treatment in forced response calculation of mistuned bladed disk. Mathematics and Computers in Simulation, 80(8):1746–1757, 2010.

[8] Salhi, Bendali, Lardies, Joseph, and Berthillier, Marc. Identification of modal parameters and aeroelastic coefficients in bladed disk assemblies. Mechanical Systems and Signal Processing, 23(6):1894–1908, 2009.

[9] Yan, YJ, Cui, PL, and Hao, HN. Vibration mechanism of a mistuned bladed-disk. Journal of sound and vibration, 317(1-2):294–307, 2008.

[10] Cha, D and Sinha, A. Statistics of responses ofa mistuned and frictionally damped bladed disk assembly subjected to white noise and narrow band excitations. Probabilistic Engineering Mechanics, 21(4):384–396, 2006.

 [11] Ewins, D J_. The effects of detuning upon the forced vibrations of bladed disks. Journal of Sound and Vibration, 9(1):65–79, 1969.

 [12] Wei, S-T and Pierre, C. Localization phenomena in mistuned assemblies with cyclic symmetry part i: free vibrations. Journal of Vibration, Acoustics, Stress, and Reliability in Design, 110(4):429–438, 1988.

[13] Kuang, JH and Huang, BW. The effect of blade crack on mode localization in rotating bladed disks. Journal of sound and vibration, 227(1):85–103, 1999.

[14] Castanier, Matthew P and Pierre, Christophe. Modeling and analysis of mistuned bladed disk vibration: current status and emerging directions. Journal of Propulsion and Power, 22(2):384–396, 2006.

[15] Huang, Bo-Wun and Kuang, Jao-Hwa. Variation in the stability of a rotating blade disk with a local crack defect. Journal of Sound and Vibration, 294(3):486–502, 2006.

 [16] Dowell, Earl H. A modern course in aeroelasticity, vol. 217. Springer, 2014.

 [17] Naudascher,E.andRockwell,D. Flow-InducedVibrations: An Engineering Guide. Dover Civil and Mechanical Engineering. Dover Publications, 2012.

[18] Walsh, Philip P and Fletcher, Paul. Gas turbine performance. John Wiley & Sons, 2004.

[19] Chatterjee, Animesh and Kotambkar, Mangesh S. Modal characteristics of turbine blade packets under lacing wire damage induced mistuning. Journal of Sound and Vibration, 343:49–70, 2015. ﺳﻤﻮات،ﺑﻬﻨﻮشورﻫ،ﻋﺒﺎس. ﺑﺮرﺳﺗﺎﺛﯿﺮﺳﯿﻢﻫﺎیﻣﺴﺘﻬﻠﮐﻨﻨﺪهﺑﺮ [٢٠] ارﺗﻌﺎﺷﺎتﭘﺮهﻫﺎیﻣﺘﺤﺮکردﯾﻒآﺧﺮﺗﻮرﺑﯿﻦﺑﺨﺎرﻧﯿﺮوﮔﺎهراﻣﯿﻦاﻫﻮاز.ﺻﻮت . ١٣٩۵،٣۴ – ٢۵:(١٠)۵،وارﺗﻌﺎش [21]

 Mazanoglu, Kemal and Guler, Serkan. Flap-wise and chord-wise vibrations of axially functionally graded tapered beams rotating around a hub. Mechanical Systems and Signal Processing, 89:97–107, 2017.

[22] Eggers, Philip E. Irrigation and shroud arrangement for electrically powered endoscopic probes, March 5 1996. US Patent 5,496,314.

 [23] Huang, Wen-hu. Free and forced vibration of closely coupled turbomachinery blades. AIAA Journal, 19(7):918– 924, 1981.

[24] Sz, J Kubiak et al. Failure analysis of steam turbine last stage blade tenon and shroud. Engineering Failure Analysis, 14(8):1476–1487, 2007.

[25] Mazur,Zdzislaw,Garcia-Illescas,Rafael,Aguirre-Romano, Jorge, and Perez-Rodriguez, Norberto. Steam turbine blade failure analysis. Engineering Failure Analysis, 15(12):129–141, 2008.

[26] Poursaeidi,E,Aieneravaie,M,andMohammadi,MR. Failureanalysisofasecondstagebladeinagasturbineengine. Engineering failure analysis, 15(8):1111–1129, 2008.

[27] Saito, Akira, Castanier, Matthew P, and Pierre, Christophe. Effectsofacrackedbladeonmistunedturbine engine rotor vibration. Journal of vibration and acoustics, 131(6):061006, 2009.

 [28] Lim, Ha Seong, Chung, Jintai, and Yoo, Hong Hee. Modal analysis of a rotating multi-packet blade system. Journal of Sound and Vibration, 325(3):513–531, 2009.

 [29] Pennacchi, Paolo, Chatterton, Steven, Bachschmid, Nicolò, Pesatori, Emanuel, and Turozzi, Giorgio. A model to study the reduction of turbine blade vibration using the snubbingmechanism. Mechanical Systems and Signal Processing, 25(4):1260–1275, 2011. ﻧﻮذرﭘﻮر،ﻣﻬﺪیورﻫ،ﻋﺒﺎس.ﺑﺮرﺳﺗﺄﺛﯿﺮﻣﺎنﻣﯿﻠﻪ ﻫﺎیﺣﻠﻘﻮیدرﭘﺮه ﻫﺎی

[٣٠] ﻣﺮﺣﻠﻪآﺧﺮﺗﻮرﺑﯿﻦ ﺑﺨﺎررویﻓﺮﮐﺎﻧﺲ ﻫﺎیﻃﺒﯿﻌآن.ﻓﺼﻠﻨﺎﻣﻪﻣﻬﻨﺪﺳﻣﺎﻧﯿ . ١٣٩١،۴۶ – ٣٧:(٢)۵،ﺟﺎﻣﺪات

[31] Procházka, P and Vaněk, F. Non-contactmethods of sensing vibrations of turbine blades. in 10th International Conf. on Vibrations in Rotating Machinery, pp. 221–231, 2012.

[32] Sanvito, M, Pesatori, E, Bachschmid, N, and Chatterton, S. Analysis of lp steam turbine blade vibrations: experimental results and numerical simulations. in 10th International Conference on Vibrations in Rotating Machinery (VIRM10), pp. 189–197, 2012.

[33] Ma, Hui, Tai, Xingyu, Han, Qingkai, Wu, Zhiyuan, Wang, Di, and Wen, Bangchun. A revised model for rubbing between rotating blade and elastic casing. Journal of Sound and Vibration, 337:301–320, 2015.

[34] Drozdowski, Roman, Völker, Lutz, Häfele, Markus, and Vogt, Damian M. Numerical and experimental analysis of low-pressure steam turbine blades coupled with lacing wire. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 230(3):332– 342, 2016. [35] Afzal, Mohammad, Arteaga, Ines Lopez, and Kari, Leif. An analytical calculation of the jacobian matrix for 3d frictioncontactmodelappliedtoturbinebladeshroudcontact. Computers & Structures, 177:204–217, 2016. رﻫ،ﻋﺒﺎس،ﺳﻤﻮات،ﺑﻬﻨﻮش،وروﺣﺎﻧﺑﺴﻄﺎﻣ،ﻋﺒﺎس.ﺑﺮرﺳآراﯾﺶ ﻫﺎی

[٣۶] ﻣﺨﺘﻠﻒﺑﺮایاﺗﺼﺎلﭘﺮه ﻫﺎیﺗﻮرﺑﯿﻦﺑﺨﺎرﻧﯿﺮوﮔﺎهراﻣﯿﻦاﻫﻮازﺑﻪﻣﻨﻈﻮرﮐﺎﻫﺶ . ٢٠١٧،١۴٢ – ١٣٧:(۴)۴۶،

ارﺗﻌﺎﺷﺎت.ﻣﻬﻨﺪﺳﻣﺎﻧﯿداﻧﺸﺎهﺗﺒﺮﯾﺰ [37]

 Xie, Fangtao, Ma, Hui, Cui, Can, and Wen, Bangchun. Vibration response comparison of twisted shrouded blades using different impact models. Journal of Sound and Vibration, 397:171–191, 2017. اﻣﯿﻨ،ﺣﺴﻦ،داداﺷ،اﻣﯿﻦ،وﺑﯿﺎت،ﻧﺎﺻﺮ.ﺑﺮرﺳﺗﺄﺛﯿﺮﺳﯿﻢﻣﺴﺘﻬﻠﮐﻨﻨﺪهﺑﺮ

 [٣٨] ﺗﻮرﺑﯿﻦﺑﺨﺎر.دراوﻟﯿﻦﻣﺴﺎﺑﻘﻪﮐﻨﻔﺮاﻧﺲﺑﯿﻦ اﻟﻤﻠﻠ ١۵ارﺗﻌﺎﺷﺎتﭘﺮه ﻫﺎیردﯾﻒ ﺟﺎﻣﻊﻋﻠﻮمﻣﻬﻨﺪﺳدراﯾﺮان.دﺑﯿﺮﺧﺎﻧﻪﮐﻨﻔﺮاﻧﺲ،۵٩٣١ . [39]

Li, Daochun, Wu, Yining, Da Ronch, Andrea, and Xiang, Jinwu. Energy harvesting by means of flow-induced vibrationsonaerospacevehicles.ProgressinAerospaceSciences, 86:28–62, 2016