Development of a method for destroying the rotor blades of a high-pressure compressor at a given frequentation of rotation

Author details

Ivan L. Gladkiy
UEC-Aviadvigatel, Perm, Russian Federation
Maria V. Pivovarova
UEC-Aviadvigatel, Perm, Russian Federation

https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.3.05

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.

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОБРЫВА РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ КОМПРЕССОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ЗАДАННОЙ ЧАСТОТЕ ВРАЩЕНИЯ

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.

Bibliography

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

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

Article information

Published: 3 July 2023
Issue date: 3 July 2023
Issue: No. 3 (2023)