Рыжиков Игорь Николаевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Материаловедение, сварочные и аддитивные технологии»
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83
Igor N. Ryzhikov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Materials Science, Welding and Additive Technologies
83, Lermontov St., Irkutsk 664074
Кольцов Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология и оборудование машиностроительных производств»
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83
Vladimir P. Koltsov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of the Department of Technology and Equipment for Mechanical Engineering Production
83, Lermontov St., Irkutsk 664074
Цель – провести анализ влияния неравномерного нагрева на собственные колебания циклически-симметричных конструкций и выявить формы колебаний с максимальной локализацией. Для достижения поставленной цели использовалось компьютерное моделирование на основе метода конечных элементов в перемещениях. Расстройка параметров колебаний задавалась путем локального нагрева одной из лопаток (так называемая температурная расстройка). В программном комплексе APM WinMachine проведен численный модальный анализ упрощенной модели рабочего колеса турбины, содержащего 8 лопаток с расстройкой и без расстройки. Показано, что при дополнительном нагреве сравнительно небольшого участка диаметром 10 мм вблизи периферии одной из лопаток происходит значительное изменение форм колебаний циклически-симметричной конструкции. Выявлено, что изменение форм колебаний (локализация колебаний) становится заметным даже при сравнительно небольшой (10–15°С) разности температуры участка на периферии и температуры, заданной на поверхности внутреннего отверстия диска. При этом наибольшая локализация колебаний наблюдается на непарных модах с узловыми окружностями, не имеющих узловых диаметров. Так, максимальная степень локализации (отношение амплитуды колебаний лопатки с расстройкой к амплитуде колебаний соседних лопаток) наблюдается на 8-й форме колебаний модели с расстройкой. Анализ полученной зависимости степени локализации от разности температур показал, что при разности температур более 60°С на 8-й форме колебаний степень локализации достигает 60 и более. То есть в этом случае изгибные колебания совершает только лопатка с расстройкой, при этом вся остальная конструкция неподвижна. Таким образом, можно утверждать, что наибольшая локализация при температурной расстройке наблюдается при непарных формах колебаний циклически-симметричных конструкций. Данное обстоятельство необходимо учитывать при анализе долговечности подобных конструкций. В дальнейших исследованиях планируется провести анализ влияния температурной расстройки на колебания модели охлаждаемого рабочего колеса турбины.
This study aimed to analyze the effect of nonuniform heating on the free vibrations of cyclically symmetric structures and to identify vibration modes exhibiting the strongest localization. The analysis was performed using displacement-based finite-element modeling. Thermal mistuning was introduced by local heating of one blade. A numerical modal analysis was carried out in APM WinMachine for a simplified turbine-wheel model containing eight blades, with and without mistuning. The results show that additional heating of a relatively small region with a diameter of 10 mm near the periphery of a single blade leads to substantial variation in the vibration modes of the cyclically symmetric structure. Vibration localization becomes noticeable even when the temperature difference between the heated peripheral region and the temperature prescribed on the inner bore surface is relatively low (10–15°C). The strongest localization was observed for modes with nodal circles and no nodal diameters. In par ticular, the highest localization ratio, defined as the amplitude of the mistuned blade relative to the amplitudes of adjacent blades, was observed for the eighth vibration mode of the mistuned model. Analysis of the dependence of the localization ratio on the temperature difference showed that, for temperature differences exceeding 60°C, the localization ratio for the eighth mode exceeds 60. Under these conditions, only the mistuned blade undergoes bending vibrations, while the remainder of the structure remains effectively stationary. These findings indicate that thermal mistuning produces the strongest localization in specific vibration modes of cyclically symmetric structures. This effect must be taken into account when assessing the durability of such components. Future work will examine the influence of thermal mistuning on the vibrations of a cooled turbine wheel model.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.