Верификации созданных и применяемых конечноэлементных моделей и программ при расчёте ресурса конструкций лопаток турбомашин с учётом геометрической расстройки параметров

Целью настоящего исследования является проверка математических моделей, численных методов и комплекса программ для подтверждения их адекватности и возможности применения в оценке долговечности реальных рабочих колес турбомашин. Анализ прочностных характеристик высоконагруженных элементов роторов турбомашин с учетом расстройки параметров является одной из актуальных и ключевых задач в энергетическом и транспортном двигателестроении. Основным методом изучения данных характеристик является метод конечных элементов в трехмерной постановке. Дополнительно в работе используются теории упругости и колебаний, механика деформируемого твердого тела, методы суммирования повреждений и гипотезы накопления усталостных напряжений. Применены матричные вычисления, численное интегрирование и методы решения алгебраических систем уравнений. В данной работе представлен анализ долговечности модели рабочего колеса паровой турбины с использованием трехмерных конечных элементов TET10 в коммерческом программном комплексе ANSYS WORKBENCH с применением авторских программ. Полученные численные результаты в рамках созданных конечноэлементных моделей для всех видов расстройки сопоставлены с экспериментом, аналитическим решением и расчетными данными в программе ABAQUS с учетом геометрической расстройки. Это позволяет расширить их применение с модельных конструкций паровых турбин на реальные промышленные изделия. В результате вычислительного эксперимента получены новые научные результаты по верификации авторского программного обеспечения и интерфейса, связывающего эти программы с известными коммерческими пакетами, при анализе ресурса модели паровой турбины с расстройкой геометрических параметров. Практическая значимость работы заключается в возможности применения данного подхода к оценке долговечности реальных конструкций осевых и радиальных турбомашин при их проектировании и доводке, что существенно сокращает временные и финансовые затраты для создания новых компрессоров и турбин.

1. Kenyon J.A, Griffin J.H. Forced response of turbine engine bladed disks and sensitivity to harmonic mistuning // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2003. Vol. 125. Iss. 1. Р. 113–120. https://doi.org/10.1115/1.1498269.

2. Репецкий О.В. Компьютерный анализ динамики и прочности турбомашин: монография. Иркутск: ИрГТУ, 1999. 301 c. EDN: TTNLQR.

3. Whitehead D.S. The maximum factor by which forced vibration of blades can increase due to mistuning // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1998. Vol. 120. Iss. 1. Р. 115–119. https://doi.org/10.1115/1.2818061.

4. Нгуен Ван Винь, Репецкий О.В. Математическое моделирование и его применение в преднамеренной расстройке параметров и оптимизации ресурсных характеристик турбомашин // Информационные и математи- ческие технологии в науке и управлении. 2022. № 2. C. 24–30. https://doi.org/10.38028/ESI.2022.26.2.002. EDN: AYJBLR.

5. Репецкий О.В., Нгуен Ван Мань. Верификация разработанных математических моделей и созданного программного обеспечения на тестовых моделях пластин и академических рабочих колесах осевых турбомашин // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2024. № 2. С. 134–144. https://doi.org/10.26731/1813-9108.2024.2(82).134-144. EDN: TFPDQQ.

6. Mashiachidi M.H., Desai D.A. Fatigue life prediction of mistuned steam turbine blades subjected to deviations in blade geometry // Science, Engineering and Technology. 2023. Vol. 3. Iss. 2. P. 24–35. https://doi.org/10.54327/set2023/v3.i2.101. EDN: QBPZDN.

7. Kanumuri L., Srishuka M., Gupta A.K., Singh S.K. Application of support vector regression on mechanical properties of austenitic stainless steel 304 at elevated temperatures // Materials Today: Proceedings. 2015. Vol. 2. Iss. 4. P. 1479–1486. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2015.07.07.

8. Bomidi J.A.R., Weinzapfel N., Wang Chin-Pei, Sadeghi F. Experimental and numerical investigation of fatigue of thin tensile specimen // International Journal of Fatigue. 2012. Vol. 44. P. 116–130. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2012.05.013. EDN: RPPPPR.

9. Simmons H.R., Allison T.C. Impulse testing and blade load simulation tools to estimate cyclic stress life in blades and impellers // ASME Turbo Expo 2010: Power for Land, Sea, and Air (Glasgow, 14–18 June 2010). Glasgow, 2010. Vol. 5. Р. 777–787. https://doi.org/10.1115/GT2010-23745.

10. Kaneko Yа., Watanabe T., Furukawa T. Study on the reduction of the resonant stress of turbine blades caused by the stage interaction force (Simultaneous optimization of blade resonant stress and amount of unbalance) // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2020. Vol. 143. Iss. 6. Р. 061022. https://doi.org/10.1115/1.4049471.

11. Рыжиков И.Н., Нгуен Т.К. Влияние расстройки параметров на частоты и формы колебаний конструкций с поворотной симметрией // Механики XXI веку. 2015. № 14. С. 29–33. EDN: TRMXFN.

12. Rani P., Agrawal A.K. Fatigue life evaluation of a lowpressure stage steam turbine blade // Journal of Vibration Engineering and Technologies. 2023. Vol. 12. P. 5431–5443. https://doi.org/10.1007/s42417-023-01173-3.

13. Beck J.A., Brown J.M., Kaszynski A.A., Gillaugh D.L. Numerical methods for calculating component modes for geometric mistuning reduced-order models // Turbomachinery Technical Conference and Exposition: Proceedings of the ASME Turbo Expo. 2021. Vol. 9В. Р. V09BT29A016. https://doi.org/10.1115/GT2021-59126. EDN: UJPBAK.

14. Зайдес С.А. Оценка усталостной долговечности осевого рабочего колеса турбомашин c учетом преднамеренной расстройки // Системы. Методы. Технологии. 2022. № 1. C. 57–62. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2022-1-57-62. EDN: UXUXYQ.

15. Жужукин А.И., Непеин К.Г. Применение спекл-интерферометрии для экспериментального исследования колебаний рабочих колёс турбомашин с расстройкой параметров // Динамика и виброакустика. 2023. Т. 9. № 1. C. 21–32. https://doi.org/10.18287/2409-4579-2023-9-1-21-32. EDN: ESNZYI.

16. Beirow B., Kühhorn A., Figashevsky F., Bornhorn A., Repetckii O.V. Forced response reduction of a blisk by means of intentional mistuning // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2019. Vol. 141. Iss. 1. Р. 011008. https://doi.org/10.1115/1.4040715. EDN: RQRYSA.

17. Ермаков А.И., Урлапкин А.В., Федорченко Д.Г. Формирование разброса резонансных напряжений в рабочих колёсах с неидентичными лопатками и слабой связанностью колебаний // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва. 2014. № 5-4. C. 9–13. EDN: UGKQWZ.

18. Mashiachidi M.H., Desai D.A. Prediction of fatigue life of geometrically deviated steam turbine blades under thermo-mechanical conditions // Frontiers in Manufacturing Technology. 2024. Vol. 3. Р. 1338222. https://doi.org/10.3389/fmtec.2023.1338222. EDN: ZQHATA.

19. Figaschewsky F., Kühhorn A., Beirow B., Nipkau J., Giersch T., Power B. Design and analysis of an intentional mistuning experiment reducing flutter susceptibility and minimizing forced response of a jet engine fan // Turbomachinery Technical Conference and Exposition: ASME Turbo Expo 2017 (Charlotte, North Carolina, 26–30 June 2017). Charlotte, North Carolina: ASME, 2017. Vol. 7B. Р. V07BT36A020. https://doi.org/10.1115/GT2017-64621.

20. Schönleitner F., Traussnig L., Marn A., Heitmeir F. Detection of blade mistuning in a low-pressure turbine rotor resulting from manufacturing tolerances and differences in blade mounting // Journal of Mechanics Engineering and Automation. 2015. Vol. 5. P. 297–308. https://doi.org/10.17265/2159-5275/2015.05.005.