Цель - исследовать возможность применения эффективной пружинно-массово-демпферной модели, позволяющей уменьшить требуемую оперативную память и увеличить производительность расчетов при проведении анализа влияния расстройки параметров рабочих колес турбомашин, вводимой путем добавления к лопаткам дополнительных масс, на их колебания и долговечность. С использованием пружинно-массово-демпферной модели рабочего колеса с расстройкой параметров, доработанной для расчета вынужденных колебаний путем учета переменной возбуждающей нагрузки, а также метода конечных элементов и методов расчета долговечности был проведен анализ долговечности реального рабочего колеса турбомашины. Сравнение расчетных данных с использованием уточненной пружинно-массово-демпферной модели с данными эксперимента, проведенного в Бранденбургском техническом университете, показало хорошую точность (3-4% для низших форм колебаний) расчетов свободных колебаний с использованием данной пружинно-массово-демпферной модели. Также были проведены расчеты долговечности рабочего колеса и сравнение результатов пяти вариантов распределения массы лопаток по ободу рабочего колеса. Разработаны рекомендации по сборке рабочих колес. Приведенные результаты расчетов свободных колебаний реального рабочего колеса в сравнении с результатами эксперимента, демонстрируют достаточно малую погрешность, что позволило применить разработанную модель для решения задач анализа влияния расстройки параметров колебаний рабочих колес турбомашин на долговечность. При этом показано, что поскольку данная модель содержит лишь 2 степени свободы, ее использование позволит на порядки уменьшить объем требуемой оперативной памяти, что имеет большое значение при моделировании современных конструкций, отличающихся сложной формой. На основании анализа результатов расчета долговечности различных вариантов распределения дополнительных масс лопаток разработана рекомендация соблюдать при сборке рабочих колес турбомашин «пилообразный» закон расположения расстроенных лопаток на ободе колеса.
This study is aimed at evaluating the feasibility of a spring-mass-damping model which reduces both the amount of RAM (random access memory) usage and the time taken to calculate results when analysing the effect of turbomachine impeller mistuning on both vibrations and fatigue life. The mistuning is the result of asymmetries in the assembled turbomachine impeller. The use of a spring-mass-damping model of a mistuned impeller tailored to calculate forced vibrations by introducing the variable of exciting load, as well as the finite element method and methods for calculating the fatigue life, allowed us to assess the fatigue life of a turbomachine impeller. To assess the accuracy of the model, calculated results for vibration frequencies and fatigue life were compared with the results of experiments with a turbomachine impeller at the Brandenburg University of Technology. The calculated natural vibrations demonstrated good accuracy (3-4% for lowest vibration modes) compared with the experimental results. The fatigue life was calculated for five different mistuning schemes simulated experimentally by attaching additional masses to the impeller rim. The calculated results were again compared with the results of experiments on the modified impeller. Recommendations on the assembly of such impellers were given. The error between the calculated results and experimental results of the natural vibrations is sufficiently small, which permits the use of the proposed model in the analysis of the effect of the vibrations of turbomachine impellers caused by mistuning on their fatigue life. It is shown that the amount of RAM required for the calculation is reduced by orders of magnitude, since the proposed model contains only two degrees of freedom per sector. As a result, the proposed model is of great utility in modelling modern structures with a complex shape. Using the results of this study, the fatigue life of impellers can be maximised by following the "sawtooth" law of the locating of the mistuned blades on the impeller rim when assembling turbomachine impellers.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.