Комплексний підхід до аналізу статичної та динамічної міцності ротора димососу

Abstract

В роботі описано процес оцінки статичної і динамічної міцності ротора осьового димососу зі здвоєними лопатками, що дозволяють значно підвищити його ефективність. Для побудови розрахункової моделі аналізу міцності виконано спрощення геометричної моделі шляхом видалення болтових з’єднань, зрощування малих поверхонь, а також моделювання зварних швів у вигляді зкруглень та фасок. Такі спрощення дозволили побудувати якісну скінченно-елементну сітку, що має достатню точність для виконання інженерних розрахунків. Розрахункові моделі включають скінченно-елементу модель одного сектора циклічної симетрії робочого колеса димососа, що використовується для більш точного визначення його напружено-деформованого стану та локальних максимумів напружень в місцях їхньої концентрації в кореневих перерізах лопаток та у місцях їхнього з’єднання перемичками від дії відцентрових сил, аеродинамічних навантажень на лопатку та теплових навантажень від прогріву колеса, а також скінченно-елементну модель всього ротора із менш детальним розбиттям робочого колеса, яке в даному випадку відіграє роль масово-інерційного елементу, та більш детальним розбиттям валу для аналізу його статичної міцності і реакцій у підшипникових вузлах від дії сил тяжіння та визначення власних частот й форм коливань ротора та можливості виникнення резонансів із кратностями частоти збуджуючих навантажень. Аналіз статичної міцності робочого колеса та валу ротора димососа виконувався шляхом порівняння еквівалентних за Мізесом напружень із допустимими напруженнями, а аналіз динамічної міцності ротора димососа виконувався шляхом визначення рівня відстройки власних частот коливань від кратностей частоти збуджуючого навантаження, яким в даному випадку приймались відцентрові сили, що діють на дисбаланс ротора, який обертається. Детальний аналіз результатів розрахунків дозволив встановити, що елементи ротора димососа відповідають вимогам статичної міцності під дією усіх можливих типів навантажень, а власні частоти коливань ротора мають достатній рівень відбудови від кратностей частоти збуджуючого навантаження. Таким чином зроблений висновок про статичну і динамічну міцність ротора димососа, що впливають на його ресурс та довговічність роботи на номінальному режимі.The work describes the process of assessing the static and dynamic strength of the rotor of an axial smoke exhauster with twin blades which allow significantly increasing its efficiency. To build a calculation model for the strength analysis, the geometric model was simplified by removing bolted connections, slicing small surfaces, as well as modeling welds in the form of roundings and chamfers. Such simplifications made it possible to build a high-quality finite-element mesh with the sufficient accuracy for performing engineering calculations. Calculation models include a finite-element model of one sector of cyclic symmetry of the impeller of the smoke exhauster, which is used to more accurately determine its stress-strain state and local maximum stresses in the places of their concentration in the root sections of the blades and in the places where they are connected by jumpers due to the action of centrifugal forces, aerodynamic loads on the blade and thermal loads due to wheel heating, as well as a finite-element model of the entire rotor with a less detailed meshing of the impeller, which in this case plays the role of a mass-inertia element, and a more detailed meshing of the shaft to analyze its static strength and reactions in bearing assemblies from the action of gravity and determine natural frequencies and mode shapes of rotor vibrations and the possibility of resonances with multiples of the frequency of excitating loads. The analysis of the static strength of the impeller and the rotor shaft of the smoke exhauster was performed by comparing the von Mises equivalent stresses with the allowable stresses, and the analysis of the dynamic strength of the smoke exhauster rotor was performed by determining the level of detuning of the natural frequencies of vibrations from multiples of the frequency of the excitating load, which in this case was assumed to be the centrifugal forces acting on the unbalance of the rotating rotor. A detailed analysis of the results of calculations made it possible to establish that the elements of the smoke exhauster rotor meet the requirements of static strength under the action of all possible types of loads, and the natural frequencies of the rotor oscillations have a sufficient level of detuning from multiples of the frequency of the excitating load. In this way, a conclusion was made about the static and dynamic strength of the rotor of the smoke exhauster, which affect its resource and durability of operation in the nominal mode.