РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОБРЫВА РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ КОМПРЕССОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ЗАДАННОЙ ЧАСТОТЕ ВРАЩЕНИЯ
Сведения об авторах
- ОДК-Авиадвигатель, Пермь, Россия
- ОДК-Авиадвигатель, Пермь, Россия
Аннотация
Проектирование газотурбинных двигателей неразрывно связано с большим объемом работ по численному моделированию. С помощью численного моделирования возможно спрогнозировать поведение детали при работе двигателя на различных режимах. Кроме этого при моделировании возможно спрогнозировать режимы, расчетную нагрузку, условия для проведения инженерных испытаний. В данной работе представлен подход к моделированию инженерного испытания по обрыву рабочей лопатки (РЛ) компрессора высокого давления (КВД) для подтверждения непробиваемости корпуса. Расчетным путем определяется величина подрезки РЛ КВД для обрыва на заданной частоте вращения ротора. Предложенный подход к осуществлению обрыва лопатки на заданной частоте вращения ротора заключается в одновременной реализации двух факторов: 1) прочностным расчетом подрезки с использованием локальных критериев прочности обеспечивается работа лопатки близко к предельному состоянию; 2) расчетно-экспериментальные работы по определению резонанса позволяют увеличить переменную составляющую напряжений на расчетном режиме. По расчетному полю напряжения также можно оценить направление распространения трещины.
Ключевые слова
газотурбинные двигателимоноколесоподрезка лопаткиинженерные испытаниякритерий наступления предельного состояниядеформационный критерий.
Development of a method for destroying the rotor blades of a high-pressure compressor at a given frequentation of rotation
The design of gas turbine engines (GTE) is inextricably linked with a large amount of work on numerical modeling. With the help of numerical modeling, it is possible to predict the behavior of the part when the engine is operating in various modes. In addition, when modeling, it is possible to predict modes, design load, conditions for engineering tests. This paper presents an approach to modeling an engineering test for the breakage of the rotor blade (RB) of a high-pressure compressor (HPC) to confirm the impenetrability of the housing. By calculation, the amount of cutting of the RB HPC for breakage at a given rotor speed is determined. The approach is to implement a combination of two factors: 1) the calculation of the blade strength in the deformation criterion prevented the blade breakage at a lower rotational speed, with the necessary maintenance of operation in the design mode close to the ultimate strength; 2) computational and experimental work to determine the resonance allowed to increase the variable component of stresses for blade breakage at a given frequentation of rotation. It was also possible to model the direction of crack growth numerically.
Keywords
gas turbine enginesbliskblade trimmingengineering testsultimate state criteriondeformation criterion.
Литература
- 1.Григорьев В.А., Гишваров А.С. Испытания авиационных двигателей. – М.: Машиностроение, 2009. – 504 с. Scholar
- 2.Морчуков Е.Ю., Онищик И.И., Испытание и обеспечение надежности авиационных двигателей и энергетических установок. – М.: Издательство МАИ, 2004. Scholar
- 3.Солохин Э.Л. Испытания авиационных ВРД. – М.: Машиностроение, 1975. Scholar
- 4.Балуев Б.А. Способы обрыва лопатки при испытаниях корпусов на непробиваемость // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. – 2008. – № 3. – С. 119–125. Scholar
- 5.Нормы прочности авиационных газотурбин-ных двигателей гражданской авиации / под ред. Ю.А. Ножницкого. – 6-е изд. – М.: ГНЦ РФ ЦИАМ им. П.И. Баранова, 2004. – 260 с. Scholar
- 6.Federal Aviation Administration. Airworthiness Standards: Aircraft Engine Standards for Engine Life-Limited Parts. 14 CFR. Part 33.70. Amdt. 33-22, 72 FR 50860, 2007. Scholar
- 7.European Aviation Safety Agency. Certification Specifications for Engines. CS-E. – 150 p. Scholar
- 8.Уланов А.М. Вибрация и прочность авиационных двигателей и неэргетических установок. – Самара, 2011. – 58 с. Scholar
- 9.Ануров Ю.М., Федорченко Д.Г. Основы обеспечения прочностной надежности авиационных двигателей и силовых установок. – СПб.: Изд. СПбГПУ, 2004. – С. 292–297. Scholar
- 10.Москвитин О.А., Шорр Б.Ф. Пространственное моделирование процесса пробивания корпусных элементов двигателя оборвавшимися деталями // Тезисы докладов XXVIII. Международного НТС по проблемам прочности двигателей. – М., 2002. – С. 60–61. Scholar
- 11.Новые технологические процессы и надежность ГТД. Предотвращение опасных отказов при разрушении рабочих лопаток турбокомпрессора // Научно-технический сборник / под ред. Ю.А. Ножницкого. – М.: ЦИАМ, 2008. – Вып. 8. – С. 206. Scholar
- 12.Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: учеб. – М.: Машиностроение, 2008. – Т. 2. – 201 с. Scholar
- 13.Иванов В.П. Колебания рабочих колес турбомашин. – М.: Машиностроение, 1983. – 224 с. Scholar
- 14.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. Scholar
- 15.Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. – М.: Мир, 1975. – 256 с. Scholar
- 16.Механические свойства сталей и сплавов при нестационарном нагружении: справочник / Д.А. Гохфельд, Л.Б. Гецов, К.М. Кононов, Е.Т. Кульчихин, Ю.Н. Ребяков, О.С. Садаков, С.А. Тимашев, В.Н. Чепурский. – Екатеринбург: УрО РАН, 1996. Scholar
- 17.Деменчук Н.П., Прилуцкий А.А. Основы теории напряженного и деформированного состояния: учеб. пособие. – СПб.: Университет ИТМО, 2016. – 118 с. Scholar
- 18.Потапова Л.Б. Механика материалов при сложном напряженном состоянии. Как прогнозируют предельные напряжения? – М.: Издательство «Машиностроение – 1», 2005. – 244 с. Scholar
- 19.Hertzberg Richard W., Vinci Richard P., Hertzberg Jason L. Deformation and fracture mechanics of engineering materials. – Fifth edition. 2012. – P. 757. Scholar
- 20.Fedorova N.V., Vu N.T. Deformation criteria for reinforced concrete frames under accidental actions // Magazine of Civil Engineering. – 2022. – Vol. 109(1). – Article No. 10902. Scholar
- 21.Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. – М.: Машиностроение, 1981. — 272 с. Scholar
- 22.Акимов В.М. Основы надежности газотурбинных двигателей. – М.: Машиностроение, 1981. – 207 c. Scholar
- 23.Биргер И.А., Балашов В.Ф., Дульнев Р.А. Конструкционная прочность материалов и деталей ГТД. – М.: Машиностроение, 1981. – 222 с. Scholar
- 24.Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. – М.: Машиностроение, 1993. – 240 с. Scholar
- 25.Степин П.А. Сопротивление материалов. – СПб.: Лань, 2012. – 320 с. Scholar
- 26.Анурьев В.Н. Справочник конструктора-машиностроителя. – М.: Машиностроение, 2010. Scholar
- 27.Malign failure prevention for case of compressor rotor blade destruction" from New Technological Processes and Reliability of Gas Turbine Engines #8. Moscow: CIAE, 2008. Scholar
- 28.Johnson G.R., Cook W.H. A Constitutive Model and Data for Metals Subjected to Large Strains, High Strain Rates and High Temperatures // Proceedings of Seventh International Symposium on Ballistics, Hague, Netherlands, 19-21 April 1983. - Hague, 1983. - P. 541-547. Scholar
- 29.Johnson G.R., Cook W.H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures // Engineering Fracture Mechanics. - 1985. - Vol. 21, iss. 1. - P. 31-48. DOI: 10.1016/0013-7944(85)90052-9 Scholar
- 30.Казаринов Ю.И. Прочность элементов конструкций с вырезами и повреждениями: монография. - Тюмень: ТИУ, 2017. - 188 с. Scholar
- 1.Grigor'ev V.A., Gishvarov A.S. Ispytaniya aviatsionnykh dvigateley [Testing of aircraft engines]. M.: Mashinostroenie, 2009. 504 p. Scholar
- 2.Morchukov E.Yu., Onishchik I.I. Ispytanie i obespechenie nadezhnosti aviatsionnykh dvigateley i energeticheskikh ustanovok [Testing and ensuring the reliability of aircraft engines and power plants]. M.: Izdatel'stvo MAI, 2004. Scholar
- 3.Solokhin E.L. Ispytaniya aviatsionnykh VRD [Testing of aircraft jet engines]. M.: Mashinostroenie, 1975. Scholar
- 4.Baluev B.A. Sposoby obryva lopatki pri ispytaniyakh korpusov na neprobivaemost' [Methods for blade separation during casing impact resistance tests]. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta, 2008, № 3, pp. 119-125. Scholar
- 5.Normy prochnosti aviatsionnykh gazoturbinnykh dvigateley grazhdanskoy aviatsii [Strength standards for aircraft gas turbine engines of civil aviation] / ed. Yu.A. Nozhnitskiy. 6th ed. M.: GNTs RF TsIAM im. P.I. Baranova, 2004. 260 p. Scholar
- 6.Federal Aviation Administration. Airworthiness Standards: Aircraft Engine Standards for Engine Life-Limited Parts. 14 CFR. Part 33.70. Amdt. 33-22, 72 FR 50860, 2007. Scholar
- 7.European Aviation Safety Agency. Certification Specifications for Engines. CS-E. 150 p. Scholar
- 8.Ulanov A.M. Vibratsiya i prochnost' aviatsionnykh dvigateley i energeticheskikh ustanovok [Vibration and strength of aircraft engines and power plants]. Samara, 2011. 58 p. Scholar
- 9.Anurov Yu.M., Fedorchenko D.G. Osnovy obespecheniya prochnostnoy nadezhnosti aviatsionnykh dvigateley i silovykh ustanovok [Fundamentals of ensuring the strength reliability of aircraft engines and power plants]. SPb.: Izd. SPbGPU, 2004, pp. 292-297. Scholar
- 10.Moskvitin O.A., Shorr B.F. Prostranstvennoe modelirovanie protsessa probivaniya korpusnykh elementov dvigatelya oborvavshimisya detalyami [Spatial modeling of the process of punching engine casing elements by separated parts]. Tezisy dokladov XXVIII. Mezhdunarodnogo NTS po problemam prochnosti dvigateley, M., 2002, pp. 60-61. Scholar
- 11.Novye tekhnologicheskie protsessy i nadezhnost' GTD. Predotvrashchenie opasnykh otkazov pri razrushenii rabochikh lopatok turbokompressora [New technological processes and reliability of GTE. Prevention of dangerous failures during destruction of turbocompressor rotor blades]. Nauchno-tekhnicheskiy sbornik / ed. Yu.A. Nozhnitskiy. M.: TsIAM, 2008, Vyp. 8, p. 206. Scholar
- 12.Inozemtsev A.A., Nikhamkin M.A., Sandratskiy V.L. Osnovy konstruirovaniya aviatsionnykh dvigateley i energeticheskikh ustanovok: ucheb. [Fundamentals of designing aircraft engines and power plants: textbook]. M.: Mashinostroenie, 2008, T. 2, 201 p. Scholar
- 13.Ivanov V.P. Kolebaniya rabochikh koles turbomashin [Vibrations of turbomachine impellers]. M.: Mashinostroenie, 1983, 224 p. Scholar
- 14.Inozemtsev A.A., Nikhamkin M.Sh., Voronov L.V., Bolotov B.P., Gladkiy I.L., Golovkin A.Yu. Sobstvennye chastoty i formy kolebaniy poloy lopatki ventilyatora GTD [Natural frequencies and mode shapes of a hollow fan blade of a GTE]. Aviatsionnaya promyshlennost', 2010, № 3, pp. 8-11. Scholar
- 15.Zenkevich O. Metod konechnykh elementov v tekhnike [Finite element method in engineering]. M.: Mir, 1975, 256 p. Scholar
- 16.Gokhfeld D.A., Getsov L.B., Kononov K.M., Kulchikhin E.T., Rebyakov Yu.N., Sadakov O.S., Timashev S.A., Chepurskiy V.N. Mekhanicheskie svoystva staley i splavov pri nestatsionarnom nagruzhenii: spravochnik [Mechanical properties of steels and alloys under non-stationary loading: reference book]. Ekaterinburg: UrO RAN, 1996. Scholar
- 17.Demenchuk N.P., Prilutskiy A.A. Osnovy teorii napryazhennogo i deformirovannogo sostoyaniya: ucheb. posobie [Fundamentals of the theory of stress and strain state: textbook]. SPb.: Universitet ITMO, 2016, 118 p. Scholar
- 18.Potapova L.B. Mekhanika materialov pri slozhnom napryazhennom sostoyanii. Kak prognoziruyut predel'nye napryazheniya? [Mechanics of materials under complex stress state. How are ultimate stresses predicted?]. M.: Izdatel'stvo «Mashinostroenie – 1», 2005, 244 p. Scholar
- 19.Hertzberg Richard W., Vinci Richard P., Hertzberg Jason L. Deformation and fracture mechanics of engineering materials. Fifth edition. 2012, p. 757. Scholar
- 20.Fedorova N.V., Vu N.T. Deformation criteria for reinforced concrete frames under accidental actions. Magazine of Civil Engineering, 2022, Vol. 109(1), Article No. 10902. Scholar
- 21.Makhutov N.A. Deformatsionnye kriterii razrusheniya i raschet elementov konstruktsiy na prochnost' [Deformation criteria of fracture and calculation of structural elements for strength]. M.: Mashinostroenie, 1981, 272 p. Scholar
- 22.Akimov B.M. Osnovy nadezhnosti gazoturbinnykh dvigateley [Fundamentals of reliability of gas turbine engines]. M.: Mashinostroenie, 1981, 207 p. Scholar
- 23.Birger I.A., Balashov B.F., Dul'nev R.A. Konstruktsionnaya prochnost' materialov i detaley GTD [The structural strength of materials and components of gas turbine engines]. M.: Mashinostroenie, 1981, 222 p. Scholar
- 24.Petukhov A.N. Soprotivlenie ustalosti detaley GTD [Fatigue resistance of gas turbine engine components]. M.: Mashinostroenie, 1993, 240 p. Scholar
- 25.Stepin P.A. Soprotivlenie materialov [Strength of materials]. SPb.: Lan', 2012, 320 p. Scholar
- 26.Anuryev V.N. Spravochnik konstruktora-mashinostroitelya [Handbook of a mechanical engineer]. M.: Mashinostroenie, 2010. Scholar
- 27.Malign failure prevention for case of compressor rotor blade destruction" from New Technological Processes and Reliability of Gas Turbine Engines #8. Moscow: CIAE, 2008. Scholar
- 28.Johnson G.R., Cook W.H. A Constitutive Model and Data for Metals Subjected to Large Strains, High Strain Rates and High Temperatures. Proceedings of Seventh International Symposium on Ballistics, Hague, Netherlands, 19-21 April 1983. Hague, 1983, pp. 541-547. Scholar
- 29.Johnson G.R., Cook W.H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures. Engineering Fracture Mechanics, 1985, Vol. 21, iss. 1, pp. 31-48. doi: 10.1016/0013-7944(85)90052-9. Scholar
- 30.Kazarinov Yu.I. Prochnost' elementov konstruktsiy s vyrezami i povrezhdeniyami: monografiya [Strength of structural elements with cuts and damages: monograph]. Tyumen': TIU, 2017, 188 p. Scholar
Другие статьи выпуска
Весь выпуск (№ 3, 2023)- ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ В ЗАДАЧЕ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ УПРУГОЙ ПЛАСТИНЫс. 5–14
- МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЛОШНЫХ И ИМЕЮЩИХ ОТВЕРСТИЯ И ВКЛЮЧЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ПЛАСТИНс. 15–29
- О ВЛИЯНИИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКОГО АДГЕЗИОННОГО СЛОЯ НА ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИТА. ЧАСТЬ 2. УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕс. 30–42
- ВЫБОР ПОВЕРХНОСТИ ПРИВЕДЕНИЯ ДЛЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-АНИЗОТРОПНЫХ ПАНЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ОГРАНИЧЕНИЯМИ ПО УТОЧНЁННОЙ ТЕОРИИ УСТОЙЧИВОСТИс. 43–52
- ВНЕКОНТАКТНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ПРИ РЕВЕРСИВНОМ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИс. 63–74
- НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ТЕРМОУПРУГОДИФФУЗИОННЫЕ КОЛЕБАНИЯ БАЛКИ БЕРНУЛЛИ – ЭЙЛЕРА ПОД ДЕЙСТВИЕМ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ПОПЕРЕЧНОЙ НАГРУЗКИс. 75–85
- МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТРЕЩИН В ТРУБЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЫс. 86–96
- СОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ГИДРОУПРУГАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАСТИНЫ С ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОМ, ПОДКЛЮЧЁННЫМ К ВНЕШНЕЙ RL-ЦЕПИс. 97–113
- ЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ УГЛЕПЛАСТИКА ПО КОЭФФИЦИЕНТУ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯс. 114–123
- УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЕ КРУЧЕНИЕ С КОНЕЧНЫМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ: СРАВНЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО И МКЭ-МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ НЕМОНОТОННО УПРОЧНЯЮЩИХСЯ ПОЛИМЕРОВс. 124–136
- ЗАКОНОМЕРНОСТИ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ ТИПОВОГО КОМПОЗИТНОГО ФЛАНЦАс. 137–145