Влияние ребер на жесткость конструкции наружного корпуса турбины низкого давления
Решение задачи создания легкой и в то же время жесткой конструкции наружного корпуса турбины низкого давления (НД) может быть обеспечено применением тонкостенных оболочек, подкрепленных системой ребер. Выбор рационального оребрения должен основываться на предварительных расчетах деформаций и напряжений, возникающих в элементах корпуса при действии рабочей нагрузки. Применительно к реальным конструкциям корпусов турбины такие методы расчета отсутствуют, так как в настоящее время не имеется сведений о влиянии различных систем ребер на напряженно-деформированное состояние этих корпусов. Поэтому было предпринято исследование напряженности корпуса НД с целью выявления наиболее нагруженных элементов, определяющих жесткость конструкции.
Исследования были проведены на модели корпуса НД из органического стекла. Верхняя и нижняя половины корпуса соединялись при помощи фланцев. Модель верхней половины корпуса выполнялась в двух вариантах: упрощенном и приближенном к реальному — с фланцами подсоединения внешних трубопроводов.
Возможность изучения напряженно-деформированного состояния и жесткости металлических конструкций на моделях из органического стекла доказана практикой лабораторных исследований и широко освещена в литературе, например. Для изготовления моделей использовалось органическое стекло марки Со-95 ГОСТ 10667—63 со средним модулем упругости <5=2,93-103 МПа и коэффициентом Пуассона 0,34. Модели изготовляли из листов и блоков органического стекла путем сварки винипластовым прутком либо склеивания бутакрилом. Изготовленные модели подвергали термообработке в электропечи для снятия напряжений тензодатчиков сопротивления (рис. 2, поз. 1). Были применены проволочные тензодатчики с базой 6 и 10 мм и сопротивлением 60 и 100 Ом соответственно, наклеенные на корпус модели клеем «циакрин» марки 30ТУВЯ453-6. Показания датчиков регистрировались приборами ЦТМ-3 и К732/1.
Предварительными экспериментами определялись предельное давление внутри модели и предельный вакуум, значения которых оценивались по линейности графиков «нагрузка — деформация».
Во время эксперимента давление и вакуум в модели повышались ступенчато. Для получения стабильности показаний приборов их запись велась через каждые 3 мин при нагружении модели и через каждые 10 мин после снятия нагрузки. Циклы нагружения повторялись 3 раза. Точность замеров относительных деформаций ~10% (оценка по погрешности измерительного тракта).
По результатам измерений деформаций можно сделать заключение, что наибольшие относительные деформации и напряжения имеют место в кольцевом направлении (по оси 5) в оболочке между окружными ребрами посередине участка и в ребрах. О влиянии окружных ребер на жесткость оболочки можно судить по экспериментальной зависимости относительных деформаций 8ф от угла ф— 5/г, отсчитываемого от оси г (см. рис. 2)* Значения еф сравнивали с данными расчета, выполненного с учетом двух известных допущений: на достаточном удалении от краев оболочка испытывает только деформацию растяжения без заметного изгиба; жесткость каждого ребра на растяжение равномерно распределяется по всей ширине участка, поддерживаемого ребром, и прибавляется к соответствующей жесткости оболочки в кольцевом направлении (см. работу [2]). Тогда, где 7 — равномерно распределенная нагрузка; г — средний радиус оболочки; Е — модуль упругости; Лпр— Л+5р — приведенная толщина оболочки; к — толщина оболочки; 5Р — площадь сечения окружного ребра; I — ширина участка. На рис. 2 приведена также экспериментальная зависимость еф/8тах=/:(ф) для модели корпуса с вварными фланцами, указывающая на снижение относительных величин еф/етах по сравнению с упрощенной моделью. На рис. 3 приведена расчетная кривая напряжений в функции угла ср в окружном ребре без учета влияния изгиба у фланца и расположения точек эксперимента. Расчет проводили по формуле кривого бруса при условии, что ребро воспринимает равномерно распределенную нагрузку, действующую на участок между двумя соседними ребрами, равноотстоящими друг от друга вдоль оси 2.
Для расчета напряжений в ребрах вертикальной стенки рассмотрим раму, составленную из ребер, в жестком контуре по границам стенки, несущую всю нагрузку, действующую на стенку . Для решения этой задачи воспользуемся методом Ритца. Зададимся уравнением огибающей упругой поверхности переплета в виде, где а н Ь — габаритные размеры стенки; х и у — текущие координаты по а и Ь соответственно; к — неизвестный постоянный коэффициент, подлежащий определению. Зависимость (1) выбрана из условий равенства нулю прогиба и угла поворота сечений ребер на границе с жестким контуром.
Полная потенциальная энергия системы равна разности энергии изгиба ребер и потенциала внешней нагрузки. Энергия кручения ребер при этом равна нулю. Дифференцируя уравнение полной потенциальной энергии по к и приравнивая производную нулю, получим неизвестный коэффициент к. Тогда изгибающие моменты в ребрах по осям х и у выразятся формулами, где I — момент инерции сечения ребра.
На рис. 4 показаны расчетная кривая напряжений по вертикальному ребру и точки эксперимента в функции координаты у. Эксперимент показал, что деформации и напряжения в модели при одинаковом внутреннем давлении или вакууме равны по абсолютной величине.
Проведенные гидравлические испытания натурной конструкции наружного корпуса турбины подтвердили результаты, полученные на модели. Экспериментально подтвердилось допущение, принятое в расчетной модели, что нагрузка, действующая на конструкцию верхней половины корпуса НД, в основном воспринимается окружными ребрами.
Пользуясь приведенной методикой расчета, можно оценить величины деформаций и напряжений новой конструкции по наиболее нагруженным ее элементам и сравнить с допустимыми, определяемыми на основе эксплуатации существующих корпусов (при давлении внутри корпуса 0,15 МПа максимальные напряжения в ребре составляют примерно 25 МПа, в оболочке — 15 МПа). Таким образом, можно проводить сравнительный анализ жесткости новой конструкции. Выводы
1. Окружные ребра несут нагрузку, действующую на верхнюю половину корпуса НД; оии наиболее напряжены и определяют жесткость конструкции.
2. Сварные фланцы дают увеличение жесткости оболочки в кольцевом направлении (по оси 5), что необходимо учитывать при оценке жесткости конструкции.
3. Выявлена возможность приближенной оценки жесткости конструкции верхней половины корпуса НД по наибольшим расчетным деформациям и напряжениям в ребрах и оболочке.