Aerosprężystość i obliczenia strukturalne łopatek i ułopatkowanych tarcz wirnikowych oraz układu wał - tarcza - łopatki turbin parowych i gazowych.

Obecnie konieczne staje się prognozowanie dynamicznego zachowania obracających się części turbozespołu, aby uniknąć pracy w warunkach rezonansowych. W tych analizach wyznaczane są postacie drgań własnych oraz częstotliwości drgań własnych podatnych łopatek, ułopatkowanych tarcz połączonych bandażem osadzonych na wale. Obliczenia te prowadzone są przy użyciu standardowych kodów MES takich jak: ABAQUS, NASTRAN, ADINA, ANSYS. W obliczeniach uwzględniane są efekty, takie jak usztywnienie układu podczas działania sił odśrodkowych. Analizowane są wszystkie możliwe sprzężenia pomiędzy poszczególnymi elementami układu.

1. Naprężenia i częstotliwości drgań własnych łopatek i ułopatkowanej tarczy

• Naprężenia i częstotliwości drgań własnych łopatek wirnika złożonego z 96 łopatek o długości L = 0.5 [m], 19 stopnia turbiny 13UC105 dla ALSTOM POWER Polska, 1999.
• Naprężenia i częstotliwości drgań własnych łopatek wirnika złożonego z 144 łopatek o długości L = 0.1341 [m], 16 stopnia turbiny 13UC100 dla ALSTOM POWER Polska, 2001. (Rys. 1)

Rys. 1.

• Naprężenia i częstotliwości drgań własnych wirnika złożonego z 144 łopatek o długości L = 0.1203 [m],15 stopnia turbiny 13UC105 dla ALSTOM POWER Polska, 2002, (Rys. 2, 3).

Rys. 2.                                                          Rys. 3.

• Naprężenia i częstotliwości drgań własnych wirnika złożonego z 144 łopatek o długości L = 0.1341 [m],16 stopnia turbiny 3UC100 dla ALSTOM POWER Polska, 2003.
• Obliczenia 3D sił niestacjonarnych w stopniu turbiny dla obracających się i drgających łopatek o niesymetrycznym rozkładzie ciśnienia za łopatkami wirnikowymi za sprawą upustu w 16 stopniu turbiny13UC100 dla ALSTOM POWER Polska, 2003.

1. Obliczenia 2D i 3D flutteru skręconych łopatek:

Przeprowadzono dwu- i trójwymiarowe symulacje numeryczne oparte na metodzie kroku czasowego mające na celu zbadanie zjawisk aerosprężystych zachodzących w kanałach międzyłopatkowych z uwzględnieniem drgań łopatek. Rozwiązano zagadnienie sprzężone mechaniczno-przepływowe, w którym równania aerodynamiki i mechaniki konstrukcji całkowane są jednocześnie w czasie. Przy takim sformułowaniu zagadnienia sprzężonego kąt przesunięcia fazowego między łopatkami, dla którego występuje stabilność (lub niestabilność) jest częścią rozwiązania. Przepływ gazu doskonałego poprzez kanały palisady (z periodycznością na całym obwodzie) opisany jest poprzez niestacjonarne równania Eulera w postaci zachowawczej, które całkowane są na hybrydowej siatce typu H-H (lub H-O) przy zastosowaniu jawnego, monotonicznego schematu Godunova-Kolgana drugiego rzędu dokładności. Analiza ruchu konstrukcji oparta jest o analizę modalną i 3D model łopatki (MES). Zakłada się, że ruch łopatki jest kombinacją liniową postaci modalnych z zależnymi od czasu współczynnikami.

2. 3D siły niestacjonarne działające w stopniu z drgającymi i obracającymi się łopatkami wirnikowymi w poddźwiękowym, transonicznym i naddźwiękowym nielepkim przepływie.

Rozwinięto teoretyczny model i obliczenia numeryczne 3D transonicznego przepływu idealnego gazu przez kanały utworzone z drgających łopatach turbinowych Przybliżone rozwiązanie oparto na rozwiązaniu sprzężonego zagadnienia aerodynamiczno-konstrukcyjnego dla 3D przepływu poprzez stopień turbiny, w którym równania ruchu płynu i konstrukcji całkowane są jednocześnie w czasie, dzięki czemu drgania łopatek w przepływie i niestacjonarne siły na nie działające są częścią rozwiązania. Przepływ gazu doskonałego poprzez wzajemnie przemieszczające się względem siebie łopatki kierownicze i wirnikowe jest opisany poprzez niestacjonarne równania Eulera, które są całkowane przy zastosowaniu jawnego, monotonicznego schematu Godunova-Kolgana na ruchomej siatce typu H-H. W analizie ruchu łopatek wykorzystuje się metodę modalną i 3D model łopatki (MES). Ruch łopatki jest liniową kombinacją pierwszych postaci drgań własnych łopatki z modalnymi współczynnikami zależnymi od czasu. Proponowany algorytm pozwala obliczać niestacjonarne siły działające na łopatki w stopniach turbinowych z dowolną podziałką dla łopatek kierowniczych i wirnikowych włączając w to drgania łopatek z uwzględnieniem nierównomiernego pola prędkości za łopatkami wirnikowymi.