تحقیق درباره تحلیل ارتعاشات آزاد پره توربینهای گازی به منظور جلوگیری از خستگی دور بالا 10 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 10

تحلیل ارتعاشات آزاد پره توربینهای گازی به منظور جلوگیری از خستگی

دور بالا

مهدی بهزاد ١، سید محمد رضا حسینی ۲، علیرضا ابراهیمی ۳

١- دانشگاه صنعتی شریف, دانشکده مکانیک

۱۱۳۶۵- ایران, تهران, خیابان آزادی, کدپستی ۹۵۶۷

E-mail: [email protected]

چکیده

خستگی دور بالا یکی از عوامل اصلی بروز خرابی در پره های توربینهای گازی م یباشد که از یکسو باعث کاهش میزان

دسترسی و قابلیت اطمینان نیروگاههای گازی شده و از سوی دیگر باعث تحمیل هزینه جایگزینی پره ها به بخش

نگهداری و تعمیرات این نیروگاهها م یگردد. ارتعاشات بالای پره توربین م یتواند تنشهای دینامیکی بالاتر از حد مجاز

تولید کند که باعث ایجاد خستگی دور بالا می گردند. با بررسی ارتعاشات پره توربین می توان از بروز پدیده تشدید

جلوگیری نمود و ارتعاشات پره توربین را در حد قابل قبولی نگه داشت. در این مقاله روشی جدید برای آنالیز مودال

پر ههای توربین ارائه شده است. در روش معمول از داده های تست مودال پره در حالت گیردار، برای روزآمد کردن

مدل اجزاء محدود استفاده م یگردد. سپس مدل تحلیلی روزآمد شده در شرایط کاری پره تحلیل می گردد. در این

مقاله با ارائه چند مثال نشان داده شده است که داد ههای تست بدست آمده از این روش از دقت مناسبی برخوردار

نیستند. در روش پیشنهادی در این مقاله از داده های تست در حالت آزاد برای روزآمد کردن مدل تحلیلی استفاده

گردیده است. در ادامه کارایی این روش برای تحلیل مودال پره توربین ثابت گردیده است.

واژ ههای کلیدی: تست مودال - روش اجزا محدود - روزآمد کردن مدل - پره توربین

١- دانشیار ٢- دانشجوی کارشناسی ارشد ٣- دانشجوی دکترا

١- مقدمه

خرابی پرههای توربین گازی از یک سو باعث کاهش میزان دسترسی به نیروگاهها برای تولید برق شده و از سوی دیگرباعث تحمیل هزینه تعمیر و جایگزینی پره ها به گردانندگان این نیرو گاهها میگردد، بگونه ای که هزینه جایگزینی پره های توربینهای گازی قسمت عمد های از هزینه تعمیرات و نگهداری نیر وگا ههای گازی را تشکیل

میدهد. عوامل مختلفی در خرابی

پر ههای توربین های گازی دخیل هستند که مهمترین آنها عبارتند از: الف) خستگی که شامل خستگی دور بالا

(High Cycle Fatigue۱] م یباشد و ب) خزش[ ۵]. اما زمانی که -۴] (Low Cycle Fatigue) ( و خستگی دور پایین توربین در محدوده رزونانس کار کند مهمترین عامل خرابی پر ههای توربین خستگی دور بالا خواهد بود.

پر هها و دیسکهای توربینهای گازی به علت امکان وقوع تشدید در دور کاری توربین و هارمونیکهای آن در معرض

خستگی دور بالا میباشند. پدیده تشدید باعث افزایش تنش های دینامیکی میگردد که عامل اصلی بروز پدیده خستگی دوربالا میباشد. از اینرو بررسی ارتعاشات و تنش در اکثر قطعات توربین های گازی مرحله های حیاتی در فرایند طراحی و ساخت توربین محسوب م یگردد، تا اطمینان حاصل گردد که فرکا نسهای طبیعی قطعات در محدوده مشخصی قرار م یگیرد. علاوه بر

این عوامل دیگری همچون خطاهای ساخت، سایش و خوردگی م یتواند باعث تغییر در مشخصات مودال پر هها گردد. همچنین

تغییراتی که ممکن است در فرایند مهندسی معکوس در پر هها ایجاد شود نیز م یتواند باعث بروز پدیده تشدید گردد.

روش معمول برای تحلیل مودال پره های توربین بدین ترتیب است که پره در فیکسچر ثابت می شود و تست مودال انجام

م یگیرد. سپس به کمک نتایج بدست آمده از تست مدل اجزاء محدود روزآمد م یگردد. در این مقاله روشی جدید برای تحلیل

مودال پر ههای توربین ارائه شده است. در این روش بجای تست مودال پره در حالت گیردار پره در حالت آزاد تست م یشود.

مزیت استفاده از این روش این است که نیاز به فیکسچر ندارد و داد ههای بدست آمده دقیقتر هستند و نویز کمتری دارند.

سپس مدل اجزاء محدود که آن هم در حالت آزاد تحلیل شده رو زآمد م یگردد. سپس به سادگی م یتوان مدل اجزاء محدود را

در نر مافزار مربوطه گیردار نمود و فرکانسهای طبیعی پره را بدست آورد. در نتیجه با استفاده از این روش علاوه بر صرفه جویی

در وقت و هزینه م یتوان نتایج دقیقتری را بدست آورد. برای اثبات کارایی این روش، باید برای مدل بدست آمده دو معیار زیر

ارضا گردد:

یعنی اختلاف نتایج بدست آمده از تحلیل و تست در محدوده (Reliability) ۱- مدل م یبایست دارای دقت مطلوب باشد

قابل قبولی واقع گردد.

یعنی با تغییر شرایط کاری مدل بدست آمده باید همچنان از (Robustness) ۲- مدل بدست آمده م یبایست مقاوم باشد

دقت کافی در پیش بینی رفتار پره برخوردار باشد.

بدین منظور در این مقاله در ابتدا نمونه نتایج چند پره که به روش متداول تحلیل مودال شد هاند، آمده است. سپس یکی

از این پر هها با روش ذکر شده روزآمد شده است و با مقایسه نتایج بدست آمده کارایی این روش اثبات شده است.

۲- نتایج تجربی و تحلیل عددی

تجربه نشان داده است که بکارگیری تست مودال و تحلیل اجزاء محدود در کنار هم بهترین روش برای تحلیل مودال

پر ههای توربین گازی م یباشد [ ۶]. با استفاده از تست مودال می توان اطلاعات ارزشمندی را از رفتار پر ههای توربین، با دقتی

نسبتًا بالا و هزینه ای کم بدست آورد. ولی دقت این داد هها به شدت تحت تأثیر شرایط تکیه گاهی م یباشد، در حالی که

مدلسازی این شرایط و حتی اندازه گیری میزان لقی تکی هگاه به سختی امکان پذیر م یباشد. لقی تکی هگاه از یک سو باعث

م یگردد که سختی سازه کاهش یابد و فرکان سهای طبیعی انداز هگیری شده کمتر از مقدار واقعی باشند و از سوی دیگر سبب

م یگردد رفتار سیستم غیر خطی گردد. با روش اجزاء محدود نیز می توان پره را در شرایط کاری آن مدل کرد و عواملی

همچون تأثیرات دما و سخت شدگی حاصل از تنش را در تحلیل مودال در نظر گرفت.

برای یافتن فرکان سهای طبیعی پره به روش تجربی با چکش ضرب های به پره توربین وارد شده و پاسخ پره توربین به ضربه

با استفاده از سنسورهای نصب شده روی آن انداز هگیری م یگردد. سنسورهای بکار رفته از نوع شتا بسنج پیزوالکتریک

م یباشند. همچنین در چکش سنسوری نصب شده است که مقدار نیرو را اندازه گیری م یکند. برای یافتن فرکانس های طبیعی

و میرایی زدن یک ضربه گرفتن پاسخ آن کافی است. اما برای تحلیلهای پیشرفته تر و روزآمد کردن مدل تحلیلی نیاز به شکل

مدها م یباشد. برای بدست آوردن شکل مدها م یبایست شتاب سنج در یک نقطه ثابت شده و در نقاط دیگر به پره ضربه زد، و

یا در یک نقطه، پره را تحریک کرد و شتا بسنج را در نقاط مختلف قرار داد.

آزمایش ها برای شرایط تکی هگاهی گیردار برای سه نمونه پره انجام شده است. دو پره اول به لحاظ شکل کام ً لا مشابه بوده

و تنها جنس آنها متفاوت م یباشد. پره اول نمونه اصلی م یباشد و پره دوم از طریق مهندسی معکوس طراحی و ساخته شده

ساخته و تحلیل شد (شکل ۱). نتایج تست مودال و تحلیل اجزاء Ansys است. همچنین مدل سه بعدی این پر هها در نر مافزار

محدود این دو پره و میزان خطای بین نتایج به ترتیب در جدول ( ۱) و جدول ( ۲) آمده است

.

خطا

(Hz) فرکانسهای طبیعی تحلیلی

فرکانسهای طبیعی تجربی

شماره مد

۱/۰%

۷۴۸

۷۵۶

۱

۱۳/۴%

۲۰۳۷

۱۷۹۶

۲

۲۲/۲%

۲۷۲۸

۳۵۰۵

۳

۲/۸%

۴۴۰۸

۴۲۹۰

۴

خطا

(Hz) فرکانسهای طبیعی تحلیلی

فرکانسهای طبیعی تجربی

شماره مد

۱۱/۸%

۷۰۶

۸۰۰

۱

۴/۶%

۱۹۰۷

۱۸۲۴

۲

۲۱/۱%

۲۶۵۰

۱۸۲۴

۳

۰/۵%

۴۲۱۱

۴۲۳۴

۴

برای ارزیابی میزان تأثیر شرایط مرزی در کیفیت نتایج تست مودال، تست مودال برای پره سوم در دو شرایط مرزی

گیردار و آزاد انجام گرفت. شکل ( ٢) نشان دهنده شرایط مرزی این پره در دو آزمایش صورت گرفته م یباشد. در حالت گیردار

یبایست قبل از انجام تست اطمینان حاصل گردد که فرکانس های طبیعی تکیه گاه از فرکانس های طبیعی پره به اندازه کافی بزرگتر هستند، تا نتایج بدست آمده از فرکان سهای طبیعی تکی هگاه تأثیر نپذیرد، بگون های که شرط صلب بودن تکی هگاه موجب

اختلاف نتایج تست و تحلیل اجزاء محدود نگردد. برای شبی هسازی شرایط آزاد، از سیمی برای آویزان کردن پره استفاده شده

است. فرکانسهای طبیعی سیم باید حتی المقدور پایین باشد تا تداخلی با فرکانسهای طبیعی پره پیش نیاید. همچنین پره باید

به گونه ای آویزان گردد که در جهت اعمال ضربه و دریافت پاسخ بتواند آزادانه حرکت کند

.

( برای مقایسه کیفیت نتایج بدست آمده یک نمونه از پاسخهای فرکانسی پره در دو شرایط تکی هگاهی در شکلهای ( ٤،٣

نشان داده شده است. بوضوح م یتوان مشاهده نمود که کیفیت سیگنال بدست آمده در شرایط آزاد، در محدوده فرکانسی قابل

قبول مشخص شده در کاتالوگ سنسور، بهتر از سیگنال بدست آمده از شرایط گیردار م یباشد. فرکانسهای طبیعی بدست آمده

برای پره سوم در شرایط گیردار در جدول ( ٣) و برای شرایط آزاد در جدول ( ٤) آمده است. نتایج بدست آمده از این سه پره در

٢٢ م یباشد. در حالی که / ٩ و حداکثر % ٢ / حالت گیردار نشان م یدهد که اختلاف میان مدل تحلیلی و تست بطور متوسط % ٨

٢ م یباشد. با مقایسه نتایج بدست / ٢ و حداکثر آن % ٩ / میانگین خطا برای شرایط تکی هگاهی آزاد برای چهار مد اول آن % ٣٥