Численный анализ динамики и долговечности элементов ротора газотурбинного двигателя

   Цель – разработать высокоточный алгоритм расчета долговечности рабочих колес роторов газотурбинных двигателей с расстройкой параметров. При компьютерном моделировании свободных и вынужденных колебаний рабочих колес использовался метод конечных элементов, лежащий в основе программного комплекса Ansys. При экспериментальных исследованиях расстройка имитировалась прикреплением дополнительных масс к лопаткам колеса. Расчеты частот, форм вынужденных колебаний, а также динамических напряжений, возникающих при вынужденных колебаниях, проводились с использованием рядов Фурье. При расчете долговечности использовался метод схематизации динамических напряжений, т. е. разделения полученных напряжений по уровням с соответствующими амплитудами. Основным результатом исследований является разработанный алгоритм расчета долговечности рабочих колес роторов газотурбинных двигателей с расстройкой параметров. Данный алгоритм был положен в основу компьютерной программы Ocs_Rotor, предназначенной для исследования собственных колебаний лопаток и рабочих колес с расстройкой параметров. С помощью данной программы были рассчитаны собственные частоты и формы колебаний лопаток с расстройкой параметров. На основе полученных результатов были рассчитаны динамические напряжения при вынужденных колебаниях, а также долговечность рабочего колеса. Анализ полученных результатов расчетов долговечности реального рабочего колеса с тремя вариантами расположения лопаток с расстройкой позволил выбрать вариант конструкции с максимальной долговечностью, составившей 1,75 * 10⁵ ч. Сравнение результатов расчетов, полученных с помощью программы Ocs_Rotor, с результатами натурного эксперимента, проведенного в Бранденбургском техническом университете (г. Котбус, Германия), демонстрирует хорошую точность с максимальной погрешностью 4 %. Это позволяет сделать вывод о возможности применения данной программы при проектировании конструкций с максимальной долговечностью. Анализ полученных результатов расчетов долговечности реального рабочего колеса с разными вариантами расположения лопаток с расстройкой в колесе позволил выработать практические рекомендации для проектировщиков по порядку расположения лопаток с расстройкой в колесе.

1. Irretier H., Repetskiy O. Analyse der eigenschwingungen rotierender axialer und radialer laufraeder und schau-felpakete von turbomaschinen mittels hyperelemente, kondensation und der methode zyklischer symmetrie. Kassel: Kassel Universität, 1991. 121 р.

2. Рыжиков И. Н. Экспериментальные исследования расстройки параметров моделей рабочих колес газотурбинных двигателей / И. Н. Рыжиков // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2014. – № 12. – С. 53–57.

3. Рыжиков И. Н. К оценке долговечности роторов газотурбинных двигателей / И. Н. Рыжиков // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. статей VI Всерос. науч.-практ. конф. (г. Иркутск, 13–16 апреля 2016 г.). – Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2016. – С. 288–294.

4. Репецкий О. В. Исследования влияния различных видов расстройки параметров на колебания и долговечность рабочих колес турбомашин / О. В. Репецкий, И. Н. Рыжиков, Р. Шмидт // Вестник Байкальского союза стипендиатов DAAD (Байкальский государственный университет экономики и права). – 2010. – № 1. – С. 20–31.

5. Repetskiy O., Ryjikov I. Modeling and simulation of dynamic processes with help of program package BLADIS+ // Innovations and Advanced Techniques in Systems, Computing Sciences and Software Engineering. 2008. Р. 219–220.

6. Figaschewsky F., Kühhorn A. Analysis of mistuned blade vibrations based on normally distributed blade individual natural frequencies // Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air: Conference Proceedings. 2015. https://doi.org/10.1115/GT2015-43121.

7. Wagner J. T. Coupling of turbomachine blade vibrations through the rotor // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1967. Vol. 89. Iss. 4. P. 502–512. https://doi.org/10.1115/1.3616718.

8. Ewins D. J., Han Z. S. Resonant vibration levels of a mistuned bladed disk // Journal of Vibration and Acoustics. 1984. Vol. 106. Iss. 2. P. 211–217. https://doi.org/10.1115/1.3269171.

9. Repetski O., Rygikov I., Springer H. Numerical analysis of rotating flexible blade-disk-shaft systems // Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air: Conference Proceedings. 1999. https://doi.org/10.1115/99-GT-317.

10. Репецкий О. В. Анализ влияния расстройки параметров на колебания рабочих колес турбомашин на основе пружинно-массовой модели / О. В. Репецкий, До Мань Тунг // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2013. – № 10. – С. 56–63.

11. Bladh J. R., Castanier M. P., Pierre C. Component-mode-based reduced order modeling techniques for mistuned bladed disks – part I: theoretical models // Journal of Engineering for Gas turbines and Power. 2001. Vol. 123. Iss. 1. P. 89–99. https://doi.org/10.1115/1.1338947.

12. Wagner M. B., Younan А., Allaire Р., Cogill R. Model reduction methods for rotor dynamic analysis: a survey and review // International Journal of Rotating Machinery. 2010. https://doi.org/10.1155/2010/273716.

13. Beirow B. Grundlegende untersuchungen zum schwingungsverhalten von verdichterlaufrädern in integralbauweise. Cottbus: Shaker Verlag, 2009. 174 p.

14. Sinha A. Calculating the statistics of forced response of a mistuned bladed disk assembly // AIAA Journal. 1986. Vol. 24. No. 11. P. 1797–1801. https://doi.org/10.2514/3.9526.

15. Happawana G. S., Nwokah O. D. I., Bajaj A. K., Azene M. Free and forced response of mistuned linear cyclic systems: a singular perturbation approach // Journal of Sound and Vibration. 1998. Vol. 211. Iss. 5. P. 761–789. https://doi.org/10.1006/jsvi.1997.1349.

16. Repetckii O., Nguyen Tien Quyet, Ryzhikov I. Investigation of vibration and fatigue life of mistuned bladed disks // Actual Issues of Mechanical Engineering: Proceedings of the International Conference (Tomsk, 27–29 July 2017). Tomsk, 2017. Vol. 133. Р. 702–707. https://doi.org/10.2991/aime-17.2017.114.

17. Griffin J. H., Hoosac T. M. Model development and statistical investigation of turbine blade mistuning // Journal of Vibration and Acoustics. 1984. Vol. 106. Iss. 2. P. 204–210. https://doi.org/10.1115/1.3269170.

18. Griffin J. H., Sinha А. The interaction between mistuning and friction in the forced response of bladed disk assemblies // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1985. Vol. 107. Iss. 1. P. 205–211. https://doi.org/10.1115/1.3239684.

19. Pierre C., Murthy D. V. Aeroelastic modal characteristics of Mistuned blade assemblies: Mode localization and loss of eigenstructure // AIAA Journal. 1992. Vol. 30. No. 10. P. 2036–2050. https://doi.org/10.2514/3.11251.

20. Beirow B., Figaschewsky F., Kühhorn A., Bornhorn A. Modal analyses of an axial turbine blisk with intentional mistuning // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2018. Vol. 140. Iss. 1. P. 012503. https://doi.org/10.1115/1.4037588.