UDK :539.41: Vzporedna analiza toplotnih napetosti v vrtečih sc diskih z enakomerno trdnostjo Simultaneous Analysis of Thermal Stres

Podobni dokumenti
UDK 539.3/.4:519.61/.64 Napetosti v vzdolžno prerezanem rotirajočem votlem valju Stresses in Hollow Rotating Cylinder with Longitudinal Split MILAN BA

Microsoft Word - A-3-Dezelak-SLO.doc

PRESENT SIMPLE TENSE The sun gives us light. The sun does not give us light. Does It give us light? Raba: Za splošno znane resnice. I watch TV sometim

Slovenska predloga za KE

Športno društvo Jesenice, Ledarska 4, 4270 Jesenice, Tel.: (04) , Fax: (04) , Drsalni klub Jesenice in Zv

UDK : : Termohidravlične razmere laminarnega toka tekočine y ozkih kanalih Thermo-Hydraulic Conditions of Laminar Fluid Flow in

Microsoft Word - ARRS-MS-BR-07-A-2009.doc

PowerPoint Presentation

Društvo za elektronske športe - spid.si Vaneča 69a 9201 Puconci Pravila tekmovanja na EPICENTER LAN 12 Hearthstone Na dogodku izvaja: Blaž Oršoš Datum

Predmet: Course title: UČNI NAČRT PREDMETA/COURSE SYLLABUS Matematična fizika II Mathematical Physics II Študijski programi in stopnja Študijska smer

UČNI NAČRT PREDMETA / COURSE SYLLABUS Predmet: Matematična fizika II Course title: Mathematical Physics II Študijski program in stopnja Study programm

Predmet: Course title: UČNI NAČRT PREDMETA / COURSE SYLLABUS Numerična integracija in navadne diferencialne enačbe Numerical integration and ordinary

Dinamika požara v prostoru 21. predavanje Vsebina gorenje v prostoru in na prostem dinamika gorenja v prostoru faze, splošno kvantitativno T

P183A22112

Microsoft PowerPoint - ep-vaja-02-web.pptx

Predmet: Course title: UČNI NAČRT PREDMETA / COURSE SYLLABUS Numerično reševanje parcialnih diferencialnih enačb Numerical solving of partial differen

Generatorji toplote

Matematika Diferencialne enačbe prvega reda (1) Reši diferencialne enačbe z ločljivimi spremenljivkami: (a) y = 2xy, (b) y tg x = y, (c) y = 2x(1 + y

UČNI NAČRT PREDMETA / COURSE SYLLABUS Predmet: Analiza 4 Course title: Analysis 4 Študijski program in stopnja Study programme and level Univerzitetni

UČNI NAČRT PREDMETA / COURSE SYLLABUS (leto / year 2017/18) Predmet: Analiza 3 Course title: Analysis 3 Študijski program in stopnja Study programme a

Microsoft Word - ARRS-MS-FI-06-A-2010.doc

Microsoft Word - 9.vaja_metoda porusnih linij_17-18

Microsoft Word - ge-v01-osnove

Poskusi s kondenzatorji

Microsoft Word - M docx

X. PREDAVANJE 6. Termodinamika Termodinamika obravnava pojave v snovi, ki so v povezavi z neurejenim gibanjem molekul in sil med njimi. Snov sestavlja

Diapozitiv 1

Brownova kovariancna razdalja

NAVADNA (BIVARIATNA) LINEARNA REGRESIJA O regresijski analizi govorimo, kadar želimo opisati povezanost dveh numeričnih spremenljivk. Opravka imamo to

Ime in priimek

ZAHTEVA ZA VZDRŽEVANJE LEI (sklad) REQUEST FOR A MAINTENANCE OF LEI (fund) 1. PODATKI O SKLADU / FUND DATA: LEI: Ime / Legal Name: Druga imena sklada

PowerPoint Presentation

STAVKI _5_

Microsoft Word - 9.vaja_metoda porusnih linij.docx

Microsoft Word - P101-A doc

Preštudirati je potrebno: Floyd, Principles of Electric Circuits Pri posameznih poglavjih so označene naloge, ki bi jih bilo smiselno rešiti. Bolj pom

Požarna odpornost konstrukcij

Diapozitiv 1

MiT_1_2007.vp

resitve.dvi

REŠEVANJE DIFERENCIALNIH ENAČB Z MEHANSKIMI RAČUNSKIMI STROJI Pino Koc Seminar za učitelje matematike FMF, Ljubljana, 25. september 2015 Vir: [1] 1

UDK ; Linearna in nelinearna ravnovesna enačba v računalniško podprtem konstruiranju A Linear and a Nonlinear Equilibrium Equation i

DOLŽNIK: MARJAN KOLAR - osebni steč aj Opr. št. St 3673/ 2014 OSNOVNI SEZNAM PREIZKUŠENIH TERJATEV prij ava terjatve zap. št. št. prij. matič na števi

FGG13

KATALOG SREBROVIH SPAJK

UDK 535.2:535.34/.35:534-8 Enodimenzionalni model optičnega vzbujanja termoelastičnih valov 2.DEL: POMIKI MEJNIH PLOSKEV JANEZ MOŽINA - MARJAN DOVČ Na

Resonance v Osončju Resonanca 1:2 Druge orbitalne resonance: 2:3 Pluto Neptune 2:4 Tethys Mimas (Saturnovi luni) 1:2 Dione Enceladus (Saturnovi luni)

Univerza v Novi Gorici Fakulteta za aplikativno naravoslovje Fizika (I. stopnja) Mehanika 2014/2015 VAJE Gravitacija - ohranitveni zakoni

PROFILNA TEHNIKA / OPREMA DELOVNIH MEST PROFILE TECHNIC / WORKSTATION ACCESSORIES INFO ELEMENTI / INFO ELEMENTS INFO TABLA A4 / INFO BOARD A4 U8L U8 U

Uvodno predavanje

Microsoft Word - ARRS-MS-CEA-03-A-2009.doc

Predmet: Course title: UČNI NAČRT PREDMETA / COURSE SYLLABUS Uvod v numerične metode Introduction to numerical methods Študijski program in stopnja St

2_Novosti na področju zakonodaje

UDK Kombinirano hlajenje prototipnih motorjev TAM Combined Air-Oil Cooling of the TAM Prototype Diesel Engine FERDINAND TRENC - JOŽE PRIM

5_1_Wand_Details

Cenik 2019 Cenik velja od Termoizolacije IZOLIRAMO OD TEMELJEV DO STREHE

untitled

Predmet: Course title: UČNI NAČRT PREDMETA / COURSE SYLLABUS Kompleksna analiza Complex analysis Študijski program in stopnja Study programme and leve

Ime in priimek: Vpisna št: FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO Oddelek za matematiko Statistika Pisni izpit 31. avgust 2018 Navodila Pazljivo preberite

UM FKKT, Bolonjski visoko²olski program Kemijska tehnologija Vpisna ²tevilka Priimek, ime 3. test pri predmetu MATEMATIKA II Ra unski del

Microsoft PowerPoint - DV_Predavanja_Menjalniki_Slo_ ppt [Compatibility Mode]

Gospodarjenje z energijo

1 Naloge iz Matematične fizike II /14 1. Enakomerno segreto kocko vržemo v hladnejšo vodo stalne temperature. Kako se spreminja s časom temperat

Učinkovita izvedba algoritma Goldberg-Tarjan Teja Peklaj 26. februar Definicije Definicija 1 Naj bo (G, u, s, t) omrežje, f : E(G) R, za katero v

Diapozitiv 1

PowerPoint Presentation

Strojni{ki vestnik 47(2001)7, Journal of Mechanical Engineering 47(2001)7, ISSN ISSN UDK :006.06: UDC 69

ANALITIČNA GEOMETRIJA V RAVNINI

(Microsoft PowerPoint - vorsic ET 9.2 OES matri\350ne metode 2011.ppt [Compatibility Mode])

Microsoft Word - M

EVROPSKA PRAVNA FAKULTETA V NOVI GORICI

Microsoft PowerPoint - CIGER - SK 3-15 Izkusnje nadzora distribucijskih transformatorjev s pomo... [Read-Only]

UČNI NAČRT PREDMETA / COURSE SYLLABUS Predmet: Numerične metode 1 Course title: Numerical methods 1 Študijski program in stopnja Study programme and l

Strojni{ki vestnik 46(2000)8, Journal of Mechanical Engineering 46(2000)8, ISSN ISSN UDK 536.3:536.2: UDC 536.

Ime in priimek: Vpisna št: FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO Oddelek za matematiko Statistika Pisni izpit 6. julij 2018 Navodila Pazljivo preberite be

(Microsoft PowerPoint - Predstavitev IJS kon\350na.ppt)

Matematika II (UN) 2. kolokvij (7. junij 2013) RE ITVE Naloga 1 (25 to k) ƒasovna funkcija f je denirana za t [0, 2] in podana s spodnjim grafom. f t

EVROPSKA PRAVNA FAKULTETA V NOVI GORICI

untitled

UDK : : Kam gre razvoj plinskih turbin In What Direction is the Development of Gas Turbines Heading MARKO PERKAVEC Kombinirani

Microsoft Word - ELEKTROTEHNIKA2_ junij 2013_pola1 in 2

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Matematika 2 Pisni izpit 9. junij 2005 Ime in priimek: Vpisna št: Zaporedna številka izpita: Navodila Pazljivo preberite bese

UDK :519.61/.B4:539.3 Analiza napetostnega stanja v tritočkovnem upoglbncm preizkušancu z enostransko razpoko Stress Analysis of a Three Point B

Slide 1

GeomInterp.dvi

Microsoft Word - CelotniPraktikum_2011_verZaTisk.doc

Transkripcija:

UDK 539.377:539.41:624.073.112 Vzporedna analiza toplotnih napetosti v vrtečih sc diskih z enakomerno trdnostjo Simultaneous Analysis of Thermal Stresses in Rotating Disks of Uniform Strength ANDRÒ ALUJEVIČ - PETER LEŠ V sestavku obravnavamo določitev debeline vrtečega se diska plinske turbine, ki je dodatno izpostavljen temperaturnemu gradientu. Analitična rešitev, ki je v nam znanih virih še nismo zasledili, je dobljena s predpostavljeno temperaturno porazdelitvijo (konstantna, linearna, parabolična ipd.), medtem ko je vezani problem, kjer je temperatura odvisna tudi od debeline, rešljiv le numerično. The aim of this paper is to determine thickness of a rotating gas turbine disk of uniform strength, if also temperature gradient is encountered. Analytical solution, not known in the searched literature, is obtained by assuming some temperature distribution (being constant, linear, parabolic etc.), while the joint problem, where temperature depends also on the thickness, is left to the numerical procedure. 0. UVOD Morda je najpomembnejši primer diska v sodobni tehniki pri plinskih turbinah, ki se vrtijo s hitrostmi do 2 104 min-1. Takšni diski nosijo lopatje na sorazmerno velikih polmerih. Poleg tega morajo biti tanki, da omogočijo namestitev več enot na isti gredi. Ustrezno se tudi njihova debelina mora spreminjati s polmerom, da se zmanjša količina snovi oziroma njihova teža (centrifugalne sile). Pogosto je uporabljeno gradivo nikljeva zlitina, ki daje veliko trdnost in toplotno obstojnost 111. Ravnovesna enačba vrtečega se diska spremenljive debeline je znana 121: d, ( tr) - to, Da čimbolje izkoristimo gradivo, ki naj ima enakomerno porazdeljene napetosti, je pomembno, da je povsod v telesu diska or = oq. To pomeni, da je 0o tudi na notranjem in zunanjem obodu, kar je mogoče, saj mora biti disk znotraj oprt na gred, pa tudi lopatice so pritrjene na vnanjem obroču. Ta predpostavka pomeni, da mora biti izpolnjena naslednja diferencialna enačba za določitev debeline: 0. INTRODUCTION Probably the most important example of a disk in modern engineering is that of the gas turbine, running at very high speed up to 2 104 rpm. Such disks have to carry turbine blades of fairly large radii. They also have to be thin, to enable several units to be carried on a single shaft. Their thickness must therefore be allowed to vary radially to minimise the amount of disk material and its weight (flywheel forces). Materials often used for such disks are nickel based alloys of high strength and heat resistance 111. The equilibrium equation of a rotating disk with variable thickness is known to be 121: + tp(0o2r 2 = 0 ( 1) To make full use of the material by having the highest possible stresses it seems sensible to put value or = o0 everywhere in the disk. That would also necessitate having o at the inner and outer radii, which is not unreasonable since the disk has to be secured to the shaft, and the blades are fixed to the outer rim edge of the disk. Such an assumption renders the following differential equation for the required axial thickness: t' / 1 +pio " r/o Q~ 0 (2) z rešitvijo (če je a é r é b ), ki je prav tako dobro znana: with its solution (if a é ré b ), which is well known to be:

tir) = ti a) exp P o 2 o0 (3) 1. TOPLOTNA OBREMENITEV 1. THERMAL LOADING Zaradi visokih temperatur v plinskih turbinah moramo v vrtečem se disku upoštevati nastanek toplotnih napetosti. Zato je ravnovesna enačba (1) posplošena z odvajanjem ter vključitvijo Hookovega zakona in toplotnega raztezanja [31: The high temperatures encountered in gas turbines require consideration of the thermal stresses induced in the rotating disk. To this end, the equilibrium equation (1) has to be extended by differentiation, including the Hookean law and thermal expansion [31: d2 O. 2 (3 + v)pot + oce r dt = 0 (4), ki ob podmeni o enakomerni trdnosti daje enačbo za določitev debilne: which, subject to postulated uniform strength condition, reduces to: 2 + v t t r ' t + «Erao (5), katere rešitev je! the solution of which is found to be: t(r) = tie) exp [ l - ( f ) ] - ki se s Tir) = konst zbistri v obrazec (3). Seveda pa moramo poznati ustrezno temperaturno porazdelitev, ob upoštevanju hlajenja vzdolž obeh plati diska. Ustrezno diferencialno enačbo [41: v f n u r ' ' *! - ~ ~ (r2 - a2)) (6), r Ja 1 2 o0 / where for Tir) =const it reduces to (3). However, if the temperature is to be evaluated, heat losses from the sides of the disk must be considered. The corresponding differential equation is [41: d2t +l± +A \d T _ htlr) mn 2 Vr f ) ktir) (7), which can be solved only numerically by an ite- ration due to eq. (6), initiating by Tir) = Ti a): pa v našem primeru lahko razrešimo le numerično z iteracijo zaradi (6), začenši s Tir) = Ti a), t.j.: d2t /j. _ Pal r ) dt _ htir) 2 V ' 2cr0 ì ktia) K, 2öo (8) in nadaljujemo z: and continuing with:

2. POENOSTAVLJENI PRIMERI 2. CASE STUDIES in order to assess the results, temperature profiles have been approximated by linear and pa rabolic distributions. If the temperature is linear (a ir š b): Da bi ocenili rezultate, predpostavimo temperaturo z linearno in s parabolično porazdelitvijo. če je temperaturna porazdelitev linearna (a š r ib)-. Tir) = H a) - Tia) - Tib), ----:----------- ir - a) (10), dobimo ustrezno debelino iz obrazca (6): the corresponding thickness obtained by eq. (6) is: tir) = tia) exp oce Tia) - Ti b) 1 - b/a pco j- 2- (r2 - a2) 2 Ko pa je temperaturna porazdelitev parabolic a (upoštevajoč Af^(r = b) = 0): If the temperature is parabolic mind (r = b) = 0): ( 1 1 ). (bearing in 4, Tia) - Tib),,,., Tir) = Tia) - ------ (a- - 2 a b + 2 hr - r~) (12), ib - a)2 dobimo ustrezno debelino iz obrazca (6): the corresponding thickness obtained by eq. (6) is: tir) = tia) exp Tib) fa 2-2 ab 1+ V 2 br a) 2 1 1 + v 'J J ' 2 + v - e M " ] ] - 5 2 p% (r2- a2)) 2tf0 (13) Z višjimi in ugačnimi interpolacijami lahko dobimo tudi bolj zapletene obrazce. Seveda pa temperaturni profil tudi lahko izmerimo ali izračunamo z uporabo enačb (7), (8) oziroma (9). With higher order interpolations, formulae of more complex shape may be obtained. The temperature profile could also be measured and/or computed by the use of eqs. (7), (8) and (9) respectively. a 6 SI. 1. Oblika diska (vrtilna frekvenca 10100 min ). Fig. 1. Disk Profile (10100 rpm).

Slika 1 prikazuje izračunane oblike diska pri Figure 1 shows the disk profiles due to conpodmeni o konstanti in parabolični porazdelitvi stant and parabolic temperature distributions, using temperature, ob uporabi podatkov: co0= 2-l03s_1, the following sets of data: coa= 2-103s_1, E = 200 E = 200 CPa, flf0 = 300 MPa, p = 7850 kg/m 3, CPa, oq = 300 MPa, p = 7850 kg/m 3, v = 0.3, v = 0,3, or = M O ^ it 1, AT =±200 K, a = 0,05 m, or = 1-10~SK~\ AT = ±200 K, a = 0.05 m, b = 0,30 m. b = 0.30 m. 3. PREOBREMENITEV 3. OVERLOADING Kadar disk izbrane oblike zavrtimo hitreje (co >čaj, moramo namesto enačbe (4) razrešiti: If the disk of selected profile is run faster ico >coq), the equation (4) must be replaced by: A \ +h _ p ir, d r2 l r 2ö0 oce F T(a) ( a 2+V T(r) öo L a \ p 1 ]} I da. ( 3 + v 2 oce - 1 P" T r<j0 d r L, 2 ^ oce dt n ar + (3 + v) pco + 7 = 0 / ' (14), ki se s T(r) = konst zbistri v obrazec: which for T(r) = const reduces to: d2a, ^ *, 3 *»' 0 (15). Če je temperaturna porazdelitev linearna (10), velja enačba: If the temperature distribution is linear (10), the above equation transforms to: d \ [ 3 P%r oce T(a) - Tib) f 2 L 2ö0 1 - b/a { do, ( 3 + y 2 <xe T(a) - T( b) \,, m, \ 2, oce T(a) - T(b) ~ [ Po pù)o + r c 0 ov + (3 + V) pco * ----- j b-----= 0 (16). 1 - b /a I r Ko pa je temperaturna porazdelitev parabolična When the temperature distribution is para- (12), velja enačba: bo 1i c (12), it alternatively follows: d 2ar d r2 /3 ' 2an oce Tie) - Tib) (b - a)~ M ' - v n ) ) dor 3 + y 2 oce T(a) - T(b),,, ~ T 7 F ( ) 0 r + (3 + y) pco + oce T(a) - Tib) (a - by 2 (r - b) =0 (17). Reševanje enačb (14) do (17) je mogoče npr. numerično, ob ustreznih robnih pogojih pri notranjem in zunanjem polmeru. Solution of eqs. (14) to (17) is possible by numerical means, subject to boundary conditions at the inner and outer radii.

4. SKLEP Posebno pozornost moramo posvetiti izbiri delovne napetosti, da zagotovimo ustrezno dobo trajanja turbinskega diska ob zvišani temperaturi, upoštevajoč pojavljanje termičnega lezenja pri veliki toplotni obremenitvi. Poobnosti gradnje turbin so odvisne od mnogih vplivov, ki si utegnejo tudi nasprotovati, toda oblikovanje rotorjev je prav gotovo med najpomembnejšimi dejavniki z vidika tveganj in varnosti. Določeno obliko diska po navadi skušamo poenostaviti, npr. z ravnimi boki. Takšna trapezna oblika je preprostejša za izdelavo in nadzor kakovosti, kakor pa natančen eksponentni potek, toda reševanje enačb (4) in (7) trapeznega profila v analitični obliki 131 sploh ni mogoče. Obročna napetost eksponencialnega profila: 4. CONCLUSION Care must be taken to select a working stress which will give an adequate length of life for the turbine disk at its maximum operating temperature, bearing in mind that some creep of the material will inevitably occur at the high temperatures involved. The design of turbines depends on many factors, often conflicting, but the rotor design is certainly one of the most important from the point of view of hazards and safety. Disk profile determined may actually be approximaed by straight lines. Such a trapezoidal shape is easier to manufacture and to check by quality control that the precise exponential form, but the solution of eqs. (4) and (7) for trapezoidal profile cannot be gained be analytically 131. Circumferential stress of exponential profile: = <30 +<xe^,t(a)a^ +v +{\ +v) \ T{r)rv ~\/ - 7 (r)j f(co) (18). a je v soglasju s 151 in (61. is in agreement to [51 and 161. 6. LITERATURA 6. REFERENCES ill Alexander. J.M. Gunasekara. J.S.: Strength of Materials. Voi. 2: Advanced Theory and Applications. Ellis Horwood. 1991. 121 Timoshenko. S.-Goodier. J.N.: Theory of Elasticity. McGraw-Hill. 1951. 131 Alujevič. A.-Cizelj. L.: Thermal Stresses in a Disk of Variable Thickness. Theoretical and Applied Mechanics, 15 (1989). p.p. 1-5. 141 Alujevič. A.-Parzer. I.: Thermal Efficiency of Extended Surfaces Z. angew. Math. u. Mech., 70 (1990). p.p. 618-621. 151 Löffler. K.: Die Berechnung von rotierenden Scheiben und Schalen. Springer-Verlag. 1961. [61 Biezeno. C.-Grammel. R.: Technische Dynamik. Springer-Verlag. 1953. Naslov avtorjev: Prof.. Ano Alujevič, dipl. inž., Prof.. Peter Leš. dipl. inž., Tehniška fakulteta Univerze v Mariboru Smetanova 17 62000 Maribor, Slovenija Authors ' Adess: Prof. Dr. Ano Alujevič. Dipl. Ing., Prof. Dr. Peter Leš. Dipl. Ing., Faculty of Engineering University of Maribor Smetanova 17 62000 Maribor. Slovenia Prejeto: Received: 27.5.1992 Sprejeto: Accepted: 11.2.1993