Calculation of the stress – strain state of blades made of polymer composite materials of starting turboexpanders in resonance zones

Abstract

Приведено огляд успішного застосування сучасних композиційних матеріалів для виготовлення лопаток турбін в авіаційних газотурбінних двигунах, осьових шахтних та доменних компресорах. Проаналізовано основні їх переваги порівняно з металевимии: невелика питома вага, що зменшує напруження розтягування від відцентрових сил; добріі демпфуючі властивості; висока технологічність; менш небезбечний характер їх руйнування, який пояснюється тим, що за низьких температур пластмасові лопатки руйнуються на дуже дрібні частинки й не пошкоджують корпус та інші деталі, як це буває з металевими лопатками. Виконано аналітичні розрахунки напружень від згинання та розтягування відценровими силами, які виникають у матеріалі пера та замкової частини пластмасових лопаток пускових турбодетандерів, що працюють на перепадах тиску природного газу за температур від +20 до -400С і виготовлені зі склонаповненого поліаміду ПА-66КС високопродуктивним методом лиття під тиском. При розрахунку напружень у замковій частині лопаток враховано можливість послаблення замкового з’єднання внаслідок зміни величини контактних напружень на поверхні зубців замкової частини від попереднього натягу та від зміни температури, отримано графік сумарного розподілу цих контактних напружень. Розраховано, також перші (найнижчі й найнебезпечніші) частоти власних згинальних та крутних коливань пластмасових лопаток, оскільки при деяких (резонансних) числах обертів ротора амплітуди коливань лопаток можуть бути настільки великими, що відбудеться їх руйнування. Результати розрахуків показують, що власні частоти коливань пластмасових лопаток пускових турбодетандерів лежать за робочим діапазоном кутових швидкостей ротора, отже немає загрози резонансних явищ. Обгрунтовано можливість успішного застосування склонаповненого поліаміду для виготовлення робочих та напрямних лопаток пускових турбодетандерів та їх успішної експлуатації на компресорних станціях магістральних газопроводів.

An overview of the successful application of modern composite materials for the manufacturing of turbine blades of aircraft gas turbine engines, axial mine and blast furnace compressors. Their main advantages of these materials in comparison with metal are analyzed. Analytical calculations of stresses arising in the material of plastic blades of starting turboexpanders are carried out. The possibility of successful application of glass-filled polyamide for the manufacturing of moving and guide blades of starting turboexpanders and their successful operation at compressor stations of main gas pipelines is substantiated.