The Computational Method of Estimating Vibration Stress Levels for GTE Compressor Blades

Abstract


At present, the process of designing a GTE involves a large amount of computational modeling. With the help of computational modeling, it is possible to predict a behavior of an engine part during engine operations before conducting experimental studies. For example, the numerical dynamic behavior analysis of compressor blades and prediction of dynamic stress levels during fluctuations in free modes are urgent problems. A high level of dynamic stress in the compressor blades in resonant modes can break a blade and stop an engine. In this paper, we propose a simple vibration stress estimation method for the compressor blades based on the calculation of natural frequencies and vibration forms. The method is based on a comparative analysis and scaling of stresses by the value of the total potential or kinetic energy. This estimation method is valid for local changes in the blade geometry, which do not lead to changes in the natural frequencies and vibration forms of the blades, assuming that the geometry change does not change the level of the aerodynamic excitation of the blade or its damping. At the stage of development or revision of the blade, a large number of variants of the blade geometry needs to be analyzed in order to reduce dynamic stresses. The proposed vibration stress estimation method has shown its high efficiency in developing and refining the geometry of the compressor blade. The vibration stress estimation method was tested using the rotor blade of a high-pressure compressor. As a result of the experimental study of the rotor blade, a high level of vibration stresses exceeding the permissible level was found for natural frequencies and vibration forms. To reduce the vibration stresses, measures were proposed to modify the geometry of the blade. For the modified blade geometry, the vibration stress estimation was performed with a prediction of the vibration stress values based on the manifested vibration forms. In order to verify the estimated vibration stress change, an experimental study of the modified blade was conducted. The vibration stress estimation method for the compressor blades was successfully verified.

Full Text

Введение Неотъемлемой частью проектирования ГТД (на рис. 1 приведен газотурбинный двигатель четвертого поколения [1]) является обширный объем работ по численному моделированию деталей в двигателе [2-5]. Рис. 1. Газотурбинный двигатель четвертого поколения Fig.1. GTE of the fourth generation При выполнении расчетных работ не всегда явно видно, какой математической моделью пользоваться, какие граничные условия будут максимально точно описывать работу детали и как проводить оценку уровня вибронапряжений в конструкции детали. Экспериментальное исследование позволяет определить уровень вибронапряжений в деталях ГТД, но для проведения такого исследования требуется активизация больших ресурсов (трудозатраты человека, время на изготовление деталей, подготовка испытательного стенда и, конечно же, денежные затраты). При проектировании деталей ГТД численное моделирование позволяет проанализировать большое количество вариантов конструкции деталей, что особенно актуально при их доводке (например, по вибронапряжениям). Используя программные пакеты оптимизации, возможно автоматизировать процесс доводки деталей. Таким образом, задача создания расчетных методик оценки вибронапряжений в деталях ГТД является наиболее актуальной. При условии, что разработанные методики оценки вибронапряжений будут реализованы без проведения дополнительных экспериментальных исследований. Одним из основных узлов ГТД является компрессор высокого давления (КВД), в свою очередь лопатки являются неотъемлемым компонентом КВД. Метод оценки уровня вибронапряжений В современных ГТД ступени компрессора высокого давления становятся более нагруженными. В связи с этим усложняются геометрические формы профиля пера лопатки и, следовательно, появляются сложные формы колебаний. При испытании таких лопаток сложно зафиксировать максимальный уровень вибронапряжений. С другой стороны, основными причинами поломок лопаток КВД являются усталостные трещины [6-9], вызванные повышенным уровнем вибронапряжений. В настоящий момент существующие расчетные методики оценки вибронапряжений недостаточно развиты. Существующие методики можно разделить два основных типа: 1. Гармонический анализ. Колебания лопатки раскладываются по собственным формам, и определяется отклик лопатки на возбуждение от неравномерного газового потока. Проводится анализ вибронапряжения по конкретной собственной форме с заранее известным коэффициентом демпфирования и с известной амплитудой возбуждающей силы от неравномерного газового потока. В таком методе зачастую необходим расчет всего рабочего колеса для определения возбуждающих нагрузок на лопатку от неравномерного газового потока, что требует больших вычислительных ресурсов. Недостатком гармонического анализа является неопределенность как значения силы, так и демпфирования. 2. Решение нестационарной задачи обтекания неравномерным газовым потоком лопатки или решение задачи аэроупругости. Вибронапряжения в лопатках определяются путем моделирования упругих колебаний в неравномерном газовом потоке. Сложности в осуществлении этой задачи кроются в ее ресурсоемкости и в определении исходных данных. Использование таких методов оценки вибронапряжений целесообразно применять в качестве окончательной проверки. В случае же, когда надо перебрать множество вариантов на этапе доводки [10-25], необходим более простой и действенный метод. Предложен простой метод оценки изменения уровня вибронапряжений в лопатках компрессора, основанный на 3D-расчете собственных частот и форм колебаний. На основании данного подхода был сформулирован расчетный метод оценки уровня вибронапряжений в лопатках ГТД с измененной геометрией по отношению к исходной геометрии. В предположении, что при изменении геометрии лопатки работа возбуждающих колебания сил существенно не изменится. Одним из способов снижения уровня динамических напряжений является изменение аэродинамического профиля лопатки [26-28]. Такие изменения могут быть направлены на снижение концентрации динамических напряжений в лопатке. Оценка изменения динамических напряжений [29] будет проводиться для измененной геометрии по отношению к исходной, путем масштабирования напряжения по значению кинетической энергии. Таким образом, изменяя геометрию лопатки и проводя сравнительные расчеты, можно подобрать вариант, который позволяет снизить динамические напряжения в лопатках. Применять расчетную методику оценки изменения вибронапряжений можно как в случае уже выявленного по результатам эксперимента высокого уровня вибронапряжений, не удовлетворяющего допустимым значениям, так и в случае сравнительной оценки двух геометрий одно объекта до экспериментального исследования [29-35]. В первом случае можно сразу спрогнозировать, какой уровень вибронапряжений будет в новой геометрии, а во втором можно быстро и без дополнительных затрат узнать, как будет влиять изменение геометрии на уровень вибронапряжений. Этапы Оценка вибронапряжений с использованием расчетного метода состоит в следующем: 1. Выполняется первоначальный 3D-расчет вибрационных характеристик лопатки исходной геометрии. Разрабатывается схема препарирования оптимального размещения тензорезисторов на основе расчета вибрационных характеристик [36]. По результатам экспериментальных исследований выполняется обработка результатов тензометрирования лопатки исходной геометрии ГТД. Для лопатки определяются запасы по сопротивлению усталости, устанавливаются допустимые значения вибронапряжений по каждой форме колебаний. По результатам анализа результатов испытаний и расчета вибрационных характеристик исходной геометрии лопатки определяются зоны максимальных динамических напряжений по формам колебаний и резонансные режимы. Таким образом, получаем исходные данные для дальнейшего изменения лопатки. 2. Разрабатываются мероприятия по измененной геометрии лопатки с целью отстройки от резонансов и\\или снижения динамических напряжений (при отсутствии возможности отстройки). На основе сравнительных расчетов лопатки исходной и измененной геометрии проводится оценка изменения уровня вибронапряжений в лопатке измененной геометрии. Распределение динамических напряжений в лопатке исходной геометрии выбирается за основу, с которой и будет проходить сравнение. Динамические напряжения в лопатке измененной геометрии масштабируются по суммарной потенциальной или кинетической энергии к исходной лопатке по каждой форме колебаний. Прогнозируется процентное изменение динамических напряжений для лопаток измененной геометрии по каждой форме колебаний. На основе полученных данных расчета лопатки измененной геометрии и экспериментального исследования разрабатывается схема тензометрирования с использованием метода оптимального размещения тензорезисторов для новой геометрии лопатки. 3. Выполняется анализ результатов тензометрирования лопатки измененной геометрии. По результатам испытаний измененной геометрии выполнена верификация метода оценки уровня вибронапряжений и подтверждение прогнозируемого снижения вибронапряжений. Методика Оценка изменения динамических напряжений начинается с определения коэффициента масштабирования по значению суммарной кинетической энергии: (1) где - кинетическая энергия лопатки исходной геометрии; - кинетическая энергия лопатки измененной геометрии. Далее определяется коэффициент масштабирования по напряжениям : . (2) Тогда значение максимальных динамических напряжений в новой лопатке определяется как , (3) где - значение максимального эквивалентного напряжения для оптимизированной лопатки. По результатам сравнения определяется коэффициент изменения максимальных динамических напряжений в лопатке измененной геометрии по отношению к напряжениям в лопатке исходной геометрии: , (4) где - значение максимального эквивалентного напряжения в исходной лопатке. Такой метод сравнения справедлив при локальном изменении геометрии лопатки, которое не приводит к изменению частот и форм собственных колебаний лопаток. В предположении, что изменение геометрии не изменяет уровень аэродинамического возбуждения лопатки и демпфирования. 1. Применение расчетного метода оценки уровня вибронапряжений на лопатке компрессора высокого давления 1.1. Результат экспериментального исследования лопатки компрессора высокого давления исходной конструкции Метод тензометрирования широко применяется при экспериментальном исследовании для определения уровня динамических напряжений в деталях ГТД, в том числе в лопатках КВД. Для точного определения уровня динамических напряжений очень важно разместить тензорезисторы в места максимальных деформаций. Схема препарирования рабочей лопатки КВД разрабатывалась с использованием метода определения оптимального размещения тензорезисторов на базе результатов расчета собственных частот и форм колебаний лопатки [36]. На рис. 2 показана схема тензометрирования пера рабочей лопатки КВД исходной конструкции. Схема препарирования рабочей лопатки КВД разрабатывалась исходя из задачи «покрытия» всех расчетных форм колебаний, поэтому значения коэффициентов чувствительности некоторых проявившихся собственных форм ниже приемлемого уровня [36]. Рис. 2. Схемы препарирования пера рабочей лопатки КВД исходной конструкции Fig. 2. Schemes of preparation of the blade of the HPC rotor blade of the original design Тензорезисторы, показанные пунктирной линией, располагаются на противоположной стороне лопатки (спинка/корыто). В табл. 1 приведены коэффициенты чувствительности форм колебаний тензорезисторов для лопатки КВД. Таблица 1 Коэффициент чувствительности форм колебаний тензорезисторов для лопатки КВД Table 1 Sensitivity coefficient of vibration modes of strain gauges for the HPC blade Номер формы Кол-во т/р с ³ 0,350 1 0,563 0,008 0,149 0,105 1 2 0,704 0,105 0,068 0,114 1 3 0,19 0,75 0,317 0,408 2 4 0,036 0,172 0,019 0,683 1 5 0,391 0,119 0,23 0,029 1 6 0,099 0,906 0,178 0,163 1 7 0,349 0,156 0,455 0,134 1 8 0,095 0,145 0,035 0,973 1 9 0,413 0,016 0,013 0,353 2 10 0,082 0,048 0,661 0,014 1 11 0,024 0,721 0,007 0,139 1 12 0,018 0,364 0,167 0,003 1 13 0,031 0,081 0,116 0,075 0 14 0,008 0,128 0,075 0,55 1 15 0,079 0,072 0,688 0,052 1 Поскольку зачастую не всегда возможно расположить тензорезистр в зону максимальных напряжений в лопатке, намеренные динамические напряжения по тензорезистору не будут показывать максимальное значение. Для того чтобы определить максимальный уровень динамических напряжений, проводят пересчет с учетом коэффициента чувствительности форм колебаний[1]. Тогда далее будет корректно проводить сравнение пересчитанных динамических напряжений с допустимыми. Таким образом, для лопаток КВД, в которых напряжения превышают допустимые напряжения с требуемым запасом по сопротивлению усталости, необходимо разработать мероприятия по доводке геометрии с целью снижения уровня вибронапряжений. По результатам экспериментального исследования рассматриваемой РЛ КВД выявлены резонансы по первой крутильной форме как в области проходных режимов, так и в области длительных режимов. Измеренные динамические напряжения на резонансе в области длительных режимов превышают допустимое значение. Также выявлен резонанс по высокочастотной форме колебаний, лежащий в области длительных режимов работы двигателя имеет повышенный уровень напряжений. Значения максимальных измерений и пересчитанных с учетов коэффициента чувствительности форм колебаний вибронапряжений по проявившимся резонансам представлены в табл. 2, где в колонках приведены значения окружной скорости (n) и собственной частоты (f) в относительных величинах к минимальному значению. Таблица 2 Максимальные вибронапряжения лопатки РК КВД Table 2 Maximum vibration stresses of the RK HPC blade Номер расчетной формы n, у.е. f, у.е. 7,9 12,3 2 1,0 1,0 7,9 8,5 2 1,1 1,0 10,6 11,1 2 1,2 1,0 7,2 4,1 6 1,1 3,9 16,5 16,1 8 1,2 4,3 1.2. Изменение геометрии лопатки компрессора высокого давления с целью снижения уровня вибронапряжений По результатам испытаний лопатки исходной геометрии КВД была разработана лопатка измененной геометрии. Изменение лопатки заключается в частичном перепрофилировании пера лопатки с выпрямлением входной и выходной кромок, локальными утолщениями со стороны корыта на 15 %, перераспределением площадей сечений и утолщением радиуса выходной кромки в корневом сечении на 25 %. Схематическое изображение мероприятий приведено на рис. 3, где отображены изменения распределения толщины кромок по сечениям, изменение распределения площадей и изменение геометрии лопатки, где красным цветом приведено для измененной геометрии, а синим - для исходной. Мероприятия по перепрофилированию лопатки КВД были проведены с условием сохранения газодинамических характеристик. Для лопаток измененной геометрии выполнен расчет вибрационных характеристик. Расчет проведен на рабочем режиме, при воздействии соответствующих тепловых и центробежных нагрузок. Большое влияние на расчетное определение собственных частот и форм колебаний оказывают условия заделки, задание совместных перемещений. Выбор расчетной схемы определяется с учетом реальных условий работы объекта. Также при определении максимальных динамических напряжений важно учитывать качество разбиения конечно-элементной сетки. Величина динамических напряжений будет отличаться для элементов различных типов, а также зависеть от размеров этих элементов. Результаты сравнения собственных частот колебаний и динамических напряжений лопаток исходной и измененной геометрий приведены в табл. 3. Значение собственных частот приведены по отношению к первой форме колебаний исходной геометрии. По всем формам колебаний измененной геометрии наблюдается увеличение значений собственных частот. На рис. 4 представлена резонансная диаграмма лопаток исходной и измененной геометрий. На диаграмме приведены первые 11 расчетных форм колебания по исходной и первые 10 форм колебаний по измененной геометрии. Для оценки снижения уровня вибронапряжений особое внимание уделяется опасным формам колебаний, проявившимся на испытании, а именно первой крутильной (вторая форма, см. табл. 3) и высокочастотной (восьмая форма, см. табл. 3). На диаграмме розовым и фиолетовым цветами выделен рабочий диапазон. Распределение эквивалентных напряжений и распределение плотности кинетической энергии на лопатке по опасным формам колебаний для исходной и измененной геометрий показаны на рис. 5, 6. Значения напряжений приведены в единой шкале к максимальному значению напряжений по каждой форме в лопатке исходной геометрии. Разработанное мероприятие приводит к локальному перераспределению напряжений и перестановке местами некоторых высокочастотных форм колебаний. В целом по всем расчетным формам колебаний наблюдается снижение вибронапряжений. Так, по первой изгибной форме колебаний снижение вибронапряжений прогнозируется на 31 %, по первой крутильной форме колебаний - почти на 47 %, по высокочастотной снижение не столь существенное и прогнозируется примерно на 17,5 %. По рассматриваемым формам колебаний разработанное мероприятие приводит к отстройке от резонансов. По опасной высокочастотной форме колебаний мероприятие не способствовало снижению напряжений до допустимого уровня, но увеличение частоты колебаний привело к выведению проявившегося резонанса далеко за пределы длительного режима работы двигателя. Изменение толщины кромок по сечениям Толщина входной кромки Толщина выходной кромки Распределение площадей сечений Локальные утолщения со стороны корыта Площадь сечений Рис. 3. Схема лопатки изменённой геометрии КВД Fig. 3. Scheme of a blade with a modified HPC geometry - точки резонансов по результатам испытаний - собственные формы по результатам расчета исходной геометрии - собственные формы по результатам расчета измененной геометрии Рис. 4. Резонансная диаграмма колебаний лопатки КВД по результатам испытаний и расчета лопаток исходной и измененной геометрии Fig. 4. The resonance diagram of the oscillations of the HPC blade according to the results of testing and calculation of the original and modified geometry blades Таблица 3 Результаты оценки вибронапряжений лопатки КВД Table 3 The results of estimating the vibration stresses of the HPC blade Исходная геометрия Измененная геометрия Максимальные напряжения по результатам испытаний в исходной конструкции лопатки Прогнозируемые напряжения после изменения лопатки (прогнозируемое изменение напряжения) номер формы собственная частота лопатки по результатам расчета, у. е. номер формы собственная частота лопатки по результатам расчета, у. е. 1 1,00 1 1,08 - <31,2 % 2 1,42 2 1,73 12,3 6,5 (<46,8 %) 3 2,68 3 3,46 - <19,8 % 4 3,04 4 3,85 - <16,3 % 5 4,41 5 4,59 - <12,5 % 6 5,33 6 6,69 4 1,9 (<52,3 %) 7 6,02 7 6,85 - - - - 8 7,22 - - 8 6,19 9 8,08 16,1 13,1 (<17,4 %) 9 6,91 - - - - 10 7,96 10 8,80 - <9,1 % 11 8,85 11 10,88 - <42,1 % Форма 1 Исходная геометрия Измененная геометрия Со стороны корыта Со стороны спинки Со стороны корыта Со стороны спинки Форма 2 Исходная геометрия Измененная геометрия Со стороны корыта Со стороны спинки Со стороны корыта Со стороны спинки Рис. 5. Распределение эквивалентных напряжений и плотность кинетической энергии Fig. 5. Distribution of equivalent stresses and kinetic energy density Форма 6 Исходная геометрия Измененная геометрия Со стороны корыта Со стороны спинки Со стороны корыта Со стороны спинки Форма 8 (9) Исходная геометрия Измененная геометрия Со стороны корыта Со стороны спинки Со стороны корыта Со стороны спинки Рис. 6. Распределение эквивалентных напряжений и плотность кинетической энергии Fig. 6. Distribution of equivalent stresses and kinetic energy density 1.3. Результаты экспериментального исследования лопатки компрессора высокого давления измененной конструкции Для подтверждения эффективности примененных мероприятий по изменению геометрии на рабочей лопатке КВД были проведены экспериментальные исследования ротора КВД с рабочей лопаткой измененной геометрией. Для измененной лопатки была разработана схема препарирования с применением методики оптимального размещения тензорезисторов [36]. Схема препарирования рабочей лопатки КВД разрабатывалась исходя из задачи «покрытия» расчетных форм колебаний, по которым проявился резонанс на испытании с лопаткой исходной геометрией. Поэтому будем использовать диапазоном приемлемых значений коэффициентов чувствительности форм колебаний Выполнено тензометрирование лопатки измененной геометрии КВД. На рис. 7 показана схема препарирования тензорезисторами рабочей лопатки КВД измененной конструкции, в табл. 4 приведены коэффициенты чувствительности для разработанной схемы препарирования. Все тензорезисторы расположены с одной стороны лопатки. Среди используемых тензорезисторов только датчик Т3 для лопатки имеет направление вдоль хорды лопатки, остальные же расположены в радиальном направлении. Таблица 4 Коэффициент чувствительности форм колебаний тензорезисторов для лопатки КВД Table 4 Sensitivity coefficient of vibration modes of strain gauges for the HPC blade Номер формы Кол-во т/р с ³ 0,500 1 0,783 0,450* 0,04 2 2 0,13 0,831 0,049 1 3 0,311 0,244 0,313 0 4 0,584 0,093 0,113 1 5 0,065 0,385 0,075 0 6 0,05 0,578 0,202 1 7 0,08 0,236 0,53 1 8 0,382 0,291 0,05 0 9 0,407 0,032 0,139 0 10 0,05 0,255 0,233 0 11 0,013 0,02 0,444 0 12 0,03 0,021 0,476* 1 13 0,153 0,197 0,08 0 14 0,219 0,029 0,107 0 15 0,002 0,147 0,257 0 * - использованы для пересчета. Результаты экспериментального исследования лопатки измененной геометрии КВД представлены в табл. 5, где в колонках приведены значения окружной скорости (n) и собственной частоты (f) в относительных величинах к минимальному значению. Рис. 7. Схемы препарирования лопатки КВД измененной конструкции Fig. 7. Schemes for the preparation of the HPC blade of the modified design Таблица 5 Максимальные измеренные вибронапряжения лопатки КВД Table 5 Maximum measured vibration stresses of the HPC blade Номер расчетной формы n, у. е. f, у. е. 5,6; 4,8; 5,2 7,2; 6,1; 6,6 1 1,1 1,0 6; 5,4; 5,5 6; 5,4; 5,5 - 1,3 4,8 7,5; 6,8; 7,5 9,6; 8,7; 9,6 1 1,5 1,0 4 4,8 2 1,0 1,7 5; 4,8 6; 5,8 2 1,1 1,7 5,5; 5,7 6,6; 6,9 2 1,1 1,7 6,6; 4,4 6,6; 4,4 - 1,3 4,8 6,1; 5,3 6,1; 5,3 1 1,5 1,0 4,1 4,1 13 1,4 11,2 2. Верификация расчетного метода оценки уровня вибронапряжений По результатам испытаний лопатки измененной геометрии выполнена верификация метода оценки уровня вибронапряжений и подтверждение прогнозируемого снижения вибронапряжений. По результатам экспериментальных исследований и расчета вибрационных характеристик рабочих лопаток компрессора исходной и измененной геометрий определены: · резонансные режимы и соответствующие им собственные частоты (в относительных величинах по отношению к первой собственной частоте колебаний лопаток исходной геометрий), представленные в табл. 6; · уровень вибронапряжений на определенных резонансных режимах в относительных величинах, приведенных в табл. 7. По результатам расчета и эксперимента сравниваются собственные частоты лопатки компрессора. В табл. 6 представлено сравнение собственных частот, полученных расчетным путем, с результатами эксперимента. Отклонение по собственным частотам, полученным по результатам эксперимента, от расчетных незначительно. С увеличением формы и собственной частоты отклонение растет, максимальное отклонение по второй крутильной форме 5,1 %. Таблица 6 Сравнительный анализ собственных частот колебаний лопаток по результатам расчета и экспериментального исследования Table 6 A comparative Analysis of natural frequencies of vibration of blades based on the results of the computations and experimental studies Номер формы Собственная частота, у.е. Отклонение экспериментальных от расчетных частот, % по результатам эксперимента по результатам расчета исходная измененная исходная измененная исходная измененная 1 - 1,09 1,0 1,08 - 0,3-0,4 2 1,44-1,46 1,81-1,82 1,42 1,73 1,9-2,7 4,8-5,1 6 5,62 - 5,33 6,69 5,4 - 8 6,26 - 6,19 7,22 1,2 - 13 - 12,15 10,17 12,10 - 0,4 Для сравнения распределения вибронапряжений рассматривается отклонение расчетных и экспериментальных эпюр вибронапряжений. Построение эпюр распределения напряжений по результатам эксперимента проводится в следующем порядке: · определяется тензорезистор с максимальным значением напряжения; · в каждом тензорезисторе рассматривается соотношения значения напряжения к максимальному значению напряжения: ; в тензорезисторе с максимальным значением напряжения данное соотношение равно 1,0; · строятся эпюры вибронапряжений в лопатке для групп тензорезисторов, например, в зависимости от расстояния от подошвы замка. Расчет коэффициентов чувствительности форм колебаний в тензорезисторе рассматривается по отношению к максимальному напряжению в лопатке. В зоне максимальных напряжений, как правило, разместить тензорезистор невозможно. Поэтому для сравнения расчетных и экспериментальных эпюр распределения напряжений масштабируем расчетные значения коэффициента чувствительности форм колебаний для каждого тензорезистора по максимальному абсолютному значению коэффициента: (5) где k - количество лопаток; - средние измеренные напряжения по результатам испытаний до мероприятий; - средние измеренные напряжения по результатам испытаний с мероприятиями. В каждом из испытаний было испытано по 9 лопаток. Величина по каждой форме колебаний вычисляется как среднее значение для 9 лопаток. Для сравнения экспериментальных значений вибронапряжений лопаток исходной и измененной геометрий рассмотрено отношение (6) Также оценивается отклонение экспериментального снижения вибронапряжений от прогнозируемых по расчету: (7) В табл. 7 приведены значения отклонения экспериментального снижения вибронапряжений от прогнозируемых по расчету для исходной и измененной геометрий. Таблица 7 Оценка изменения уровня вибронапряжений Table 7 Estimation of changes in the level of vibration stresses Номер формы Изменение σ по эксперименту , % Изменение σ по расчету , % Отклонение расчета от эксперимента , % 1 - 6,1 - 31,2 - 2 8,8 5 43,2 46,8 8,4 6 7,2 - - 52,3 - 8 16,5 - - 17,4 - 13 - 4,1 - -* - * - изменение формы колебаний. Для лопатки КВД расхождение по крутильной форме колебаний составило 8,4 %. Формы колебаний, проявившиеся на испытании исходной геометрии, не проявились при испытании изменой геометрии, а наоборот, появились новые формы колебаний. Сравнительный анализ собственных частот лопатки показал максимальное отклонение расчетной частоты от экспериментальной по крутильной форме колебаний 5 %. По первой изгибной и высокочастотным формам колебаний отклонение не превысило 1 %. Для лопатки КВД отклонение прогнозируемого уровня вибронапряжений по результатам расчетной оценки от экспериментально намеренных напряжений составляет 8,4 % по крутильной форме колебаний. Указанные значения отклонений считаются приемлемыми. Таким образом, расчетный метод оценки уровня вибронапряжений можно применять при проектировании компрессорных лопаток газотурбинных двигателей. Заключение Разработан простой метод оценки уровня вибронапряжений в лопатках ГТД на основе расчета собственных частот и сравнительном анализе результатов расчета. Разработанный метод позволяет расчетом оценить уровень вибронапряжений в новой конструкции лопатки по сравнению с лопаткой-прототипом. Такая расчетная оценка вибронапряжений может применяться как для доработки лопатки, так и при проектировании новых лопаток. На примере рабочей лопатки компрессора выполнены все этапы по доработке лопатки для снижения динамических напряжений: - расчет и анализ результатов экспериментальных исследований исходной лопатки компрессора; - разработка мероприятий для снижения вибронапряжений и разработка новой конструкции лопатки, расчетная оценка изменения уровня вибронапряжений в новой лопатке по отношению к исходной; - экспериментальные исследования новой лопатки и верификация расчетного метода оценки уровня вибронапряжений. Разработанный расчетный метод оценки значительно сокращает время проектирования и экономит материальные ресурсы.

About the authors

M. V Pivovarova

UEC-Aviadvigatel

V. A Besschetnov

UEC-Aviadvigatel

References

  1. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий B.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: учебник. - М.: Машиностроение, 2008. - Т. 2. - 201 с.
  2. Иванов В.П. Колебания рабочих колес турбомашин. - М.: Машиностроение, 1983. - 224 с.
  3. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. - М.: Наука, 1975. - 576 с.
  4. Собственные частоты и формы колебаний полой лопатки вентилятора ГТД / А.А. Иноземцев, М.Ш. Нихамкин, Л.В. Воронов, Б.П. Болотов, И.Л. Гладкий, А.Ю. Головкин // Авиационная промышленность. - 2010. - № 3. - С. 8- 11.
  5. Братухин А.Г., Решетников Ю.Е., Иноземцев А.А. Основы технологии создания газотурбинных двигателей для магистральных самолетов. - М.: Авиатехинформ, 1999. - 554 с.
  6. Залужский В.С., Плотников П.Н. Повышение надежности лопаток последних ступеней паровых турбин // Тр. 1-й науч.-техн. конф. молодых ученых Урал. энерг. ин-та: сб. докл. 2016. - С. 107-110.
  7. Уланов А.М. Вибрация и прочность авиационных двигателей и неэргетических установок. - Самара, 2011. - 58 с.
  8. Контроль вибрационного состояния лопаток турбин в эксплуатационных условиях как способ повышения надежности их работы / К.Н. Боришанский, Б.Е. Григорьев, С.Ю. Григорьев, А.В. Наумов // Энергетик. - 2010. - № 8. - С. 26-29.
  9. Методика непрерывного контроля вибрационного состояния рабочих лопаток турбомашин / К.Н. Боришанский, Б.Е. Григорьев, С.Ю. Григорьев // Теплоэнергетика. - 2000. - № 5. - 46 с.
  10. Численный анализ вибрационного состояния рабочей лопатки последней ступени энергетической газовой турбины при воздействии нестационарного газового потока / А.И. Боровков [и др.] // Авиационно-космическая техника и технология. - 2011. - № 8. - С. 35-41.
  11. Вибрации и статическая прочность лопаток турбокомпрессора / Ю.С. Воробьев, Е.В. Тишковец, В.А. Потанин, В.А. Касьянов // Авіаційно-космічна техніка і технологія. - 2003. - № 40/5. - С. 76-78.
  12. Зеленый Ю.А., Петрова О.А. Дальнейшая оптимизация системы охлаждения профиля пера лопаток соплового аппарата ТСД // Вестник двигателестроения. - 2008. - № 3. - С. 45-48.
  13. Шкловец А.О., Сеньчев М.Н., Джибилов П.Т. Снижение переменных резонансных напряжений в лопатках рабочих колес в последней ступени КСД // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2012. - № 3 (34). - С. 50-56.
  14. Конструктивные приемы снижения концентрации напряжений в сталеразливочных стендах / МНЛЗ Л.В. Буланов, И.Ф. Волегов, В.С. Горлицын, Т.Г. Химич, М.В. Масаев // Неделя металлов в Москве: сб. тр. конф. и сем., 13-17 ноября 2006 г. - М.: ВНИИметмаш: Металлургиздат, 2007. - С. 228-234.
  15. Способ снижения вибраций в рабочих лопатках турбомашин: свидетельство № 2598985 / А.Л. Михайлов, В.И. Черных. - М., 2016.
  16. Способ отстройки рабочего колеса турбомашины от автоколебаний: свидетельство № 2317419 / А.Л. Михайлов, В.В. Посадов. - М., 2008.
  17. Способ снижения уровней вибраций лопаточного колеса газотурбинного двигателя: свидетельство № 2447293 / Дюпэ Жером, Ломбар Жан-Пьер, Мита Сами, Шарма Виранда // SNEKMA. - 2012.
  18. Шуваев Н.В. Численная оценка интенсивности возбуждения колебаний лопаток газотурбинного двигателя на резонансных режимах // Климовские чтения 2016: сб. докл. науч.-техн. конф. - СПб.: Скифия принт, 2016. - С. 138-149.
  19. Backman D., Greene R.J. Gas Turbine Blade Stress Analysis and Mode Shape Determination // Applied Mechanics and Materials, Trans Tech Publications. - 2008-08-11, Switzerland. - P. 281-287.
  20. Kellner J., Zeman V. Blade dynamic stress analysis of rotating bladed disks // Applied and Computational Mechanics. - 2007. - № 1. - P. 77-86.
  21. Sandip G. Ghugal, Rajendra K. Pohane, Sandeep M. Pimpalgaonkar. Determination of stress concentration factor in steam turbine blade by finite element method // International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research. - July 2013. - Vol. 2, no. 3. - P. 55-60.
  22. The Modeling and Stress Analysis of Wind Turbine Blade / Hao Wang, Bing Ma, Jiaojiao Ding, Shuaibin Li // TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering. - June 2014. - Vol. 12, no. 6. - P. 4178-4183.
  23. Колотников М.Е., Макаров П.В. Один из подходов к оценке динамической напряженности лопаток вентилятора при тензометрировании // Вестник двигателестроения. - 2009. - № 3. - С. 176-180.
  24. Бабенко О.Н., Прибора Т.И. Методы регулирования частот собственных колебаний рабочих лопаток компрессора ГТД // Вестник двигателестроения. - 2016. - № 1. - С. 101-106.
  25. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975. - 256 с.
  26. Васильев Б.Е., Магеррамова Л.А. Анализ влияния конфигурации бандажных полок лопаток турбин перспективных двигателей на прочностные характеристики // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. - 2015. - № 3 (69). - С. 28-32.
  27. Способ снижения вибрационного воздействия силовой установки летательного аппарата: свидетельство № 2574498 / Б.П. Скорик; ПАО «ТАНТК им. Г.М. Бериева». - 2016.
  28. Umamaheswara Rao L., Mallikarjuna Rao K. Design and analysis of a gas terbine blade by using FEM // International Journal of Latest Trends in Engineering and Technology (IJLTET). - November 2014. - P. 19-24.
  29. Посадов В.В. Разработка методов вибрационной диагностики и аэроупругих колебаний компрессора ГТД при стендовых испытаниях: дис. … канд. техн. наук. - Рыбинск, 2017. - 177 с.
  30. Разработка метода прогнозирования уровня вибронапряжений в лопатках ГТД / Р.В. Журавлев, Р.А. Диденко, Н.С. Лугинина, Д.В. Габов // Электронный журнал «Труды МАИ». - 2010. - № 65. - 19 с.
  31. Методика экспериментального модального анализа лопаток и рабочих колес газотурбинных двигателей / А.А. Иноземцев, М.Ш. Нихамкин, Л.В. Воронов, А.Б. Сенкевич, А.Ю. Головкин, Б.П. Болотов // Тяжелое машиностроение. - 2010. - № 11. - С. 2-6.
  32. Григорьев В.А., Гишваров А.С. Испытания авиационных двигателей. - М.: Машиностроение, 2009. - 504 с.
  33. Гуськов М.А., Коробов А.В., Сайгина Ю.Н. Исследование вибрации и оценка эффективности методов защиты от вибрации. - М., 2012. - 34 с.
  34. Михайлов А.Л., Крюков С.В. Вибродиагностика повреждений деталей машин на основе исследования их собственных форм колебаний // Проблемы прочности. - 2008. - № 5. - С. 121-128.
  35. Способ экспериментального определения динамических характеристик преобразователей напряжение-частота: свидетельство № 748868 / В.Г. Кнорринг, Л.Н. Кнорринг, Я.Р. Ясик. - Л.,1980.
  36. Пивоварова М.В., Бессчетнов В.А. Разработка расчетного метода определения оптимального размещения тензорезисторов и определение коэффициентов чувствительности форм колебаний // Вестник пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2017. - № 50. - С. 5-14.

Statistics

Views

Abstract - 14

PDF (Russian) - 13

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2021 Pivovarova M.V., Besschetnov V.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies