автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.03, диссертация на тему: Исследование прочностных характеристик и проектирование бандажированных лопаток ГТД
Автореферат диссертации по теме "Исследование прочностных характеристик и проектирование бандажированных лопаток ГТД"
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МАТИ» - Российский государственный технологический университет им. К.Э.Циолковского
на правах рукописи
Пипопуло Андрей Владимирович
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАНДАЖИРОВАННЫХ ЛОПАТОК ГТД
Специальность: 05.07.03- Прочность и тепловые режимы летательных
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в ГОУ ВПО «МАТИ»- Российском государственном технологическом университете им. К. Э. Циолковского
доктор технических наук, профессор Попов В.Г.
доктор технических наук, профессор Агамиров Л.В.
Ведущее предприятие: Защита состоится «
доктор технических наук Хориков А. А.
ФГУГТ ТМКБ «Союз»
на заседании диссертационного совета Д 212.110.07
ГОУ ВПО «МАТИ»- Российского государственного технологического
университета им. К. Э. Циолковского, по адресу: 119111, г. Москва,
ул. Оршанская., 14,д.З.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «МАТИ»- Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского.
Автореферат разослан «_
Отзывы в двух экземплярах (заверенные печатью учреждения) просим присылать по адресу: 121552, г. Москва, Г-552, ул. Оршанская 3, ГОУ ВПО «МАТИ»- Российский государственный технологический университет им. К. Э. Циолковского, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.110.07
диссертационного Совета Д 212.110.07 кандидат технических наук, доцент
I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ.
В современных условиях развития газотурбинных двигателей и энергетических силовых установок, когда между предприятиями существует конкуренция и они вынуждены снижать серийность, расширять номенклатуру изделий, предлагать их различные модификации, требуется существенно сокращать сроки и повышать качество проектирования турбомашин, в том числе, путем внедрения новых конструктивно-технологических решений.
Надежность и ресурс современных газотурбинных двигателей во многом определяются безотказностью лопаток турбокомпрессора. Высокая сложность комплекса эксплуатационных воздействий на лопатки, разнообразие их конструкции и динамика нагружения определяют необходимость учета большого числа факторов при проектировании и доводке лопаток. В связи с этим трудоемкость и продолжительность процесса создания ГТД в основном определяется затратами и длительностью проектирования и доводки лопаток турбокомпрессора.
В современных ГТД для лопаток с большой относительной высотой бандажная полка является важным конструктивным элементом, обеспечивающим необходимые аэродинамические, вибрационные (динамические) и прочностные характеристики. Величина монтажного зазора (или натяга) между контактными поверхностями бандажных полок соседних лопаток, в свою очередь, определяет не только удобство сборки рабочего колеса, но и работоспособность лопаток и, следовательно, всего ГТД в целом. Наиболее ответственными элементами бандажной полки являются контактные поверхности. Положение контактных поверхностей в пространстве влияет на динамику и прочность лопаток неоднозначно и должно учитываться при их проектировании и доводке.
В настоящее время указанные проблемы и закономерности изменения параметров прочности в зависимости от конструктивно-технологических факторов и динамической нагруженное™ лопаток изучены недостаточно, что затрудняет создание моделей для исследования кинетики напряженно-деформированного состояния бандажированных лопаток с большой относительной высотой, эксплуатирующихся на различных режимах.
На каждом этапе проектирования ГТД актуальны вопросы: -правильного выбора расчетных методов оценки параметров динамики и прочности;- определения необходимого объема работ; -последовательности различных типов расчетов; -согласованности действий с другими аспектами формирования облика лопатки (аэродинамика, охлаждение, конструкция), входящих в комплекс мероприятий по оптимизации процесса проектирования лопаток. Организационно методологическая оптимизация этих задач, опирающаяся на их формализованные решения, позволит
сократить время создания новых элементов газотурбинных двигателей и необходимые для этого человеческие ресурсы при одновременном повышении качества и надежности лопаток и, следовательно, всего ГТД в целом.
Высокая сложность функционирования и недостаточная изученность динамической нагруженности бандажированных лопаток с большой относительной высотой, а также необходимость развития методологии проектирования и доводки турбокомпрессора ГТД с широким использованием современных компьютерных технологий проектирования, определили актуальность исследований, направленных на совершенствование высокоинформативных методов и средств проектирования лопаток, а также посвященных развитию информационной базы для обоснованного выбора и прогнозирования их прочностных характеристик при проектировании и техническом обслуживании ГТД.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: «Повышение эффективности создания и эксплуатации газотурбинного двигателя путем совершенствования методологии проектирования лопаток турбокомпрессора»
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1.Провести анализ математических моделей и расчетных алгоритмов прочностных характеристик лопаток. Определить области эффективного применения моделей различного уровня сложности при проектировании лопаток ГТД.
2.Сформировать аппаратно- методологическую базу исследования динамической нагруженности лопаток, включающую методики и оборудование, для оценки их работы в составе ГТД.
3.Исследовать динамику и определить основные закономерности прочностных характеристик лопаток турбокомпрессора, включая бандажированные лопатки с большой относительной высотой.
4. Разработать критерии, и методику прогнозирования эксплуатационных характеристик лопаток с учетом монтажного зазора и положения контактных поверхностей бандажных полок при эксплуатации. НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
1 .Разработана концепция комплексного применения моделей различного уровня сложности и расчетных алгоритмов прочностных характеристик на этапах проектирования лопаток ГТД.
2.Созданы модели и методики прогнозирования влияния конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов на прочностные характеристики лопаток турбокомпрессора.
3.Создан комплекс методов и средств динамических испытаний ротора турбомашины и установлены характеристики динамической нагруженности лопаток турбокомпрессора в условиях эксплуатации ГТД.
4.0пределены закономерности влияния монтажного зазора и положения контактных поверхностей бандажных полок на кинетику напряженно-деформированного состояния (НДС) лопаток с большой относительной высотой.
Обоснованность и достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечены применением адекватного математического аппарата теории авиационных газотурбинных двигателей, апробированных методов технических измерений и подтверждены совпадением результатов моделирования и
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
Научно обоснованные предпосылки методологии проектирования турбомашин ГТД, включающие разработанные комплексы методов, модели и средства определения прочностных характеристик лопаток ГТД. Закономерности влияния конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов на прочностные характеристики лопаток турбокомпрессора ГТД.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.
Результаты проведенных исследований являются научной базой для реализации эффективных моделей создания и эксплуатации ГТД. Разработанные методики и модели определения технического состояния, установленные закономерности изменения прочностных характеристик лопаток турбокомпрессора в зависимости от динамики нагружения и конструктивно-технологических факторов обеспечивают повышение надежности ГТД и сокращение затрат на их создание и обслуживание.
Основные положения и результаты работы докладывались на Четвертом Международном Аэрокосмическом конгрессе 1АС*2003, Международной научно-технической конференции "Авиация и космонавтика 2003", Международной молодежной научно-технической конференции «Гагаринские чтения» в 2005 году, Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ» в 2004-2005 годах.
По результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ, приведенных в списке литературы в конце данной работы.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и содержит 176 страниц машинописного текста, 68 рисунков, 8 таблиц, список литературы 71 наименование.
II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приводится краткая характеристика работы.
В первой главе на основании анализа основополагающих трудов Биргера И.А., Шорра Б.Ф., Петухова А.Н., Ножницкого Ю.А., Дульнева P.A., выполненных в ЦИАМ им. П.И. Баранова, а также работ Хорикова A.A., Мэнсона С.С., Свенсена Г..А. и др., проведена оценка состояния проблемы создания и качественного функционирования лопаток турбокомпрессора ГТД.
Отмечено, что лопатки турбокомпрессора являются одними из наиболее напряженных и ответственных деталей двигателя, разрушение которых приводит к выходу из строя двигательной установки в целом. Повышение надежности и работоспособности ГТД тесно связано с оптимизацией динамических параметров и прочностных характеристик лопаток. Требования сокращения сроков и затрат на создание ГТД определяет существенное сокращение экспериментального этапа отработки конструкции лопаток, определяя приоритет расчетного прогнозирования их параметров и характеристик. Широко используемые одномерные модели лопаток в настоящее время уже не могут полностью удовлетворить возрастающим требованиям точности расчетов, и поэтому применяются более сложные двух и трехмерные модели расчета напряжённо-деформированного состояния (НДС). Однако, с углублением уровня разбивки трехмерных моделей многократно возрастает трудоемкость их создания и время вычислительных процессов, что выдвигает задачу комплексного использования моделей всех уровней сложности на различных этапах создания лопаток.
Развитие аналитических методов определения прочностных характеристик лопаток в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным, требует расширения информационной базы по характеристикам динамической нагруженности лопаток и развития методов и средств их испытаний в условиях эксплуатации ГТД.
Отмечено, что важным конструктивно-технологическим фактором лопаток с относительной большой высотой являются конструкция и особенности сопряжения ( величина монтажного зазора и положение
контактных поверхностей) их бандажных полок. Влияние этих факторов на вибрационные и прочностные параметры лопаток неоднозначно и требует поиска оптимального сочетания конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Эффективное решение этой сложной задачи требует максимальной организационно- методологической формализации, позволяющей снизить влияние субъективного фактора, сократить сроки и трудоемкость выбора решения.
На основании проведенного анализа были сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе приведены результаты анализа комплекса математических моделей и расчетных алгоритмов применяемых в настоящее время для проектирования лопаток ГТД, который включает в себя стержневые(Ш), плоские(С>30) и объемные(ЗБ) модели НДС.
Проведено сравнение результатов вычисления напряжений и местных запасов статической длительной прочности охлаждаемой турбинной лопатки по Ш и <33Б моделям. Результаты сравнения приведены в таблице 1. Как видно из таблицы совпадение результатов очень хорошее. Однако в отличие от Ш модели, которая позволяет получить только продольные напряжения (ст.,) ОЗЭ модель учитывает интенсивность напряжения а, в плоскости сечений лопатки, что ближе к ее реальному напряженному состоянию. Поэтому нормируемые величины запасов прочности могут быть уменьшены. К тому же в отличие от Ш модели изложенный подход позволяет учесть особенности анизотропии свойств монокристаллических лопаток.
Сравнение результатов расчетов, полученных с использованием Ш и 030 моделей
Сеч. Я, мм 284.5 259.7 270.9 282.1 293.3 303.5
Ю ОЬ МПа 515 488 428 421 267 215
Кт тш 1.71 1.78 1.53 1.42 1.81 2.07
ОЗЭ о,, МПа 511 326 407 332 256 79
Кщшш 1.75 1.74 1.6 Ш 1.81 221
Сравнение результатов расчетов, полученных с использованием С>30 и ЗО моделей для сечений пера охлаждаемой рабочей и сопловой лопаток турбины приведены соответственно в таблице 2.
Сравнение проводилось по результатам расчета, полученным с использованием комплекса программ АВАриБ.
Сравнение результатов расчетов, полученных с использованием (>30 и ЗЭ моделей. Среднее сечение пера (11=878 мм) охлаждаемой рабочей лопатки турбины
Особые кэ Расположение МЦУ Интенсивное Температура
точки модель точки [циклы] ть напряжений CTi [МПа] Т, [°С]
1 Q3D Выходная кромка > 104 94 901
3D Выходная кромка > 104 85 901
2 Q3D Внутренняя > 104 475 596
3D Внутренняя полость > 104 461 597
3 Q3D Входная кромка > 104 159 812
3D Входная кромка > 104 158 811
Как видно из данных, приведенных в таблицах 1 и 2 результаты, полученные по С?30 методике оказались очень близкими к результатам трехмерного расчета с 15-ти узловыми элементами, проведенным с помощью программного комплекса АВАРШ. При этом трудоемкость подготовки расчетной ()30 модели, а, значит, и сроки вычислений значительно уменьшены по сравнению с 30 моделью.
При этом отмечено, что эффективность прочностных расчетов лопаток турбокомпрессора может быть повышена путем целесообразного сочетания на различных этапах проектирования лопатки одно- двух и трехмерных моделей ее напряженно деформированного состояния.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований динамической нагруженности лопаток турбокомпрессора в условиях, имитирующих эксплуатационные режимы ГТД. Разработан способ динамических испытаний на устойчивость ротора турбокомпрессора, включающий подачу воздуха (при ступенчато нарастающем давлении) к месту торцевого контакта исследуемого диска с соседним и регистрацию регулярных колебаний, величина которых характеризует устойчивость ротора. А также разработана экспериментальная установка для исследования случайных колебаний лопаток (рис.1).
Было проведено экспериментальное исследование случайных колебаний лопаток компрессора низкого давления (КНД). Неоднородность потока перед вентилятором изменялась с помощью постановки различных интерцепторов во входном устройстве. Случайные колебания лопаток возбуждались во всех четырех ступенях КНД, максимальные напряжения имели примерно один уровень, несмотря на то, что лопатки первых трех ступеней были бандажированными, а четвертой - консольными. Уровень максимальных напряжений увеличивался при возрастании безразмерной интенсивности пульсаций (параметра е= SP/P). Таким образом, уровень напряжений av (рис.2) при оценке его по максимальным выбросам при постоянной безразмерной интенсивности пульсаций полного давления был примерно пропорционален осредненной величине полного давления.
Эксперименты показали, что уровень максимальных напряжений практически не зависит от приведенной частоты вращения ротора, если при этом интенсивность пульсаций полного давления сохраняется постоянной. В подавляющем большинстве испытаний при пусках двигатель работал без роста переменных напряжений. Кратковременный рост переменных напряжений продолжительностью не более
0,3с отмечался только при помпажах двигателя. Причем напряжения увеличивались только на рабочих лопатках II ступени при низкочастотных колебаниях ( наибольшее увеличение среднего уровня переменных напряжений составило не более Доу = 22 МПа.
Проведены экспериментальные исследования влияния температуры до О =199°С и давления до р'^ =2,59*105 Па на входе, в КНД уровень переменных напряжении в лопатках.
При этом отмечен заметный рост уровня <rv только с повышением рт .
Переменные напряжения <rv во всех лопатках КНД на резонансах при колебаниях по низшему тону повышаются по сравнению со стендовыми условиями приблизительно в 1,3 раза, а при высокочастотных колебаниях приблизительно в 1,4 раза. С повышением давления газа перед ступенью пропорционально ему увеличивается интенсивность возбуждающей силы и возрастает аэродинамическое демпфирование.
Проведены исследования автоколебаний рабочих лопаток КНД. В начальный период автоколебания охватывали относительно широкий диапазон приведенных частот вращения п„р 0,6^- 0,85. Обработка результатов тензометрирования проводилась с использованием спектрального анализа и показала, что автоколебания имели частоты, соответствующие второму семейству совместных колебаний лопаток в венце / = 760 - 860 Гц. Развитые автоколебания происходили с числом узловых диаметров 4-^8 при движении волны деформации в направлении вращения