CC BY
13
УДК 629.7.036:539.4
Л. Й. вщенко1, О. I. Крестьян1ков2, Т. I. Прибора1
1 ЗапорЫкий нащональшй техтчний утверситет, 2 ТОВ «Промислово-mехнологiчна компанЯ»;
м. Заnорiжжя
ХАРАКТЕР ПЕРЕМ1ЩЕННЯ КОНТАКТУЮЧИХ ПОВЕРХОНЬ Z-ПОД^НИХ БАНДАЖНИХ ПОЛИЦЬ
ЛОПАТОК ГТД
За допомогою методу ктцевих елементiв проведено до^дження характеру nepeMiuißmn контактуючих поверхонь Z-подiбних бандажних полиць лопаток ГТД в умовах динамши навантаження. Виходячи з отриманих даних, встановлено, що контакт мiж поверхнями Z-подiбних бандажних полиць нeрiвномiрний та мае складну форму.
Ключовi слова: лопатка, бандажна полиця, перо лопатки, знос.
Вступ
У сучасних ГТД з метою зменшення чутли-восп лопаток до збудження коливань, пщвищен-ня 1х вiбрацiйноl надшносп широко застосову-ються робоч лопатки з бандажними полицями, яш в умовах експлуатаци утворюють кльцевий зв'язок всiх лопаток вшця.
Таю лопатки дозволяють зменшити чугливiсть до порушення коливань, забезпечити необхщний ртвень демпфування вiбрацiйних напружень у перi лопатки та зменшити кiнцевi втрати , а отже, збшьшити ККД турбши. Проте, в процесi трива-ло1 експлуатаци двигуна часто спостер^аеться штенсивне зношування контактуючих поверхонь бандажних полиць, саме величина якого знач-ною мрою визначае м1жремонтний ресурс лопаток ГТД.
На даний момент в практищ конструювання робочих лопаток турбш широко використовують-ся 2-поддбш бандажнi полицi.
Знос бандажних полиць робочих лопаток турбши деяких конструкцш двигунiв може викли-кати майже десятикратне щдвищення вiбрацiй-них напружень у перi лопатки [1], що може при-звести до руйнування вщ втоми останньо1 i вщмо-ви двигуна в цшому. Якщо врахувати, що т1льки в одному робочому колесi турбши кшьысть таких лопаток може бути бшьше 100 (залежно вiд конструкцл двигуна), то можливiстъ вщмови ви-робу при руйнуваннi лопатки значно пiдвищуетъся.
Знос контактуючих поверхонь полиць не-рiвномiрний, i змша його ддапазону по робочому колесу турбши може становити досить значну величину, що обумовлено можливiстю розподлу навантажувальних фактор1в, таких як: амплiтуда власних коливань лопаток, характер перемщен-ня полиць, питомий тиск в зош контакту мiж полицями, температура, частота перемщень контактуючих поверхонь. Кр1м цього, на знос кон© Л. Й. 1вщенко, О. I. Крестьяшков, Т. I. Прибора, 2016
тактуючих поверхонь полиць лопаток ГТД впли-вають також конструктивнi фактори — наявнiстъ розкиду розмiрiв в межах допусыв на виготов-лення бандажних полиць та неточностi монтажу, технолопчш дефекти робочих колiс, яш виника-ють у процесi 1х виготовлення, втомнi трщини рiзноl природи, що виникають у рiзних зонах робочих лопаток при 1х експлуатаци. Одним з найбiлъш впливових факторiв на знос контакт -них поверхонь е 1х характер перемiщення в про-цесi роботи, тобто величини зазор1в (натяпв), якi значно залежатимуть вщ конструкци лопаток i на даний момент не досить повно вивчеш.
Тому метою роботи е дослвдження характеру перемщення контактуючих поверхонь 2-по-дiбних бандажних полиць лопаток ГТД в умовах динамжи навантаження.
Методи р1шення
Поставлене завдання вирiшуетъся за допомогою методу кшцевих елементв МКЕ [2], основ-них положень авiадвигунобудування i моделю-вання трибологiчних процеов.
3Б модель сектору лопаток (рис. 1) створено за допомогою програмного забезпечення Ро^^ейИаре 2014 та ЗоН<Жогкз 2012.
Для створення кшцево-елементно! моделi ви-користовувалась унiверсалъна програмна система кiнцево-елементного (МКЕ) аналзу — Л№У8 МиШрИу81е8 14.5 .Вхщними даними для розра-хунку КЕ моделi були фiзичнi та мехатчш влас-тивостi випробуваних жаромщного зносостшко-го матерiалу — ХТН-61; припущення дц ввдцен-трових сил, що виникають при робочш частота ротора турбши ® = 1600 об/хв (1675,5 рад / с); монтажному натязi по бандажним полицям А мн = 0,02 мм; робочш температурi 950 ° С; ко-ефiцiентi тертя в зош контакту Ат = 0,3; числ мод п = 50.
Граничш умови забезпечуються розрiзанням полицi на двi частини, одна з яких повертаеться в цилщдричнш системi координат на кут, рiвний 2р
"N, де N — кiлькiсть лопаток в диску. Таким
чином моделюеться натяг по контактних повер-хнях С. Оскiльки в нашому випадку число лопаток, у вшщ, не парне (N = 51 шт.) то на вщмшу вщ джерела [3], особливгстю розбивки дослщжу-ваних полиць е ж криволiнiйне розрiзання, для дотримання умов ршнотрно! циклосиметрп, ршно!
360 N '
Рис. 1. 3Ю модель сектору лопаток 1з Z- под1бними бандажними полицями
Для моделювання рiзних умов контакту: зсу-ву, тертя, зчеплення, проковзування, залежними вщ натягу або зазору, як1 виникають мгж бандажни-ми полицями, використовуються контактнi еле-менти «поверхня — поверхня». При моделюваннi контакту мгж полицями, замкове з'еднання вва-жаемо жорстко закрiпленим по контактних по-верхнях ялинкового хвостовика.
В ЛКБУБ проводиться модальний, статичний i динамiчний аналiз контактуючих поверхонь бандажного зв'язку.
Оскiльки, при моделюванш поличного з'еднання, необхвдно дослщити характер пере-мiщень в зош контактних поверхонь, мгж бан-дажними полицями, на контактуючих поверхнях останнк розмшуемо вузловi точки (рис. 2), слщку-ючи за перемiщеннями яких, можна вщобразити перемiщення вше'1 контактуючо'1 поверхнi. Для цього в ЛКБУБ проводиться модальний аналiз, у результат якого отримуються величини власних частот коливань лопаток.
Щоб опрацювати цей масив даних, вибрати з файлiв перемiщення вузлових точок, яю знахо-дяться на контактних поверхнях бандажних по-лиць, та за цими даними побудувати графiки пе-
ремiщення вузлових точок залежно вщ частоти, використовуеться мова php (широко викорис-товувана мова сценарiïв загального призначення з вщкритим вихщним кодом).
У текстовому редакторi « Блокнот» створюеться програма на php, за допомогою яко'1 вщокремлю-ються з лютингу Ansys конкретнi вузловi точки, яю знаходяться на контактуючих поверхнях бан-дажних полиць лопаток ГТД.
Результата дослщжень
В результатi аналiзу кшцево-елементно'1 мо-делi отримали графжи змiщення вузлових точок по довжиш контактуючих поверхонь баддажних полиць турбши вщ частоти власних коливань лопаток.
Рис. 2. Схема розмщення вузлових точок на контактуючих поверхнях бандажних полиць; 1...9 — вузлов1 точки бандажно'1 полищ 2, 10...18 — вузлов1 точки бандажно'1 полищ 1
На графжах, вiсь х вщповщае радiальному перемiщенню контактуючих поверхонь бандажних полиць (вгору та вниз) одна вщносно шшо'1. Вюь у вщповщае тангенцiальному перемщенню контактуючих поверхонь (влiво та вправо). Вюь z вщповщае вiдстанi м1ж контактуючими поверх-нями (осьове перемщення), тобто з графiкiв ос z можна оцiнювати зазор, чи натяг мгж контактуючими поверхнями бандажних полиць.
Так на рис. 3 для першо'1 отримано'1 частоти власних коливань (1 форма коливань) — 335 Гц, графж а) показуе перемщення вузлових точок по ос х, де вщстань мгж кривими е величиною перемщення контактуючих поверхонь у радiаль-ному напрямку. Аналогiчно, довжина перемщен-ня контактуючих поверхонь у тангенщальному напрямку показана на графжу б).
На графжу в) — вiсь z, ми бачимо, що з одного юнця бандажних полиць контактуючi поверхш розiмкнутi, тобто утворюеться зазор, а з шшого к1нця, зазор зменшуеться до нуля та починае ут-ворюватися натяг.
Частота 335. вкь (х)
( >123456789 10
'---^__
--^_^
*-*-ф--♦-♦-*-«-«-.
Довжнна 1_ а
Частота 335. вкь (у)
—♦— Полка 1 -■— Полка 2
728,2 728 и 727,8 § 727,6 В 727,4 1 727,2
РП
727 726,8 726,6
- Полка 1
- Полка 2
4 5 Довжпна |_
10
Довжина
в
Рис. 3. Отримаш графики перемiщення вузлових точок на контактуючих поверхнях бандажних полиць, для першо!
форми коливань (335 Гц), по осям: а) х, б) у, в) z
Проанашзувавши графжи перемщення вузлових точок контактуючих поверхонь бандажних полиць, отриманих методом КЕ модел1, у осьо-вому (z), рад1альному (х) та тангенц1альному (у) напрямах можна сказати що:
- зпдно з отриманими графжами сумарного перемщення по трьом координатам (х, у, z) при частотах до 7000 Гц коливання вузлових точок контактуючих поверхонь синхронне та проходить з однаковою ампл1тудою (рис. 4);
- при постшнш частота обертання турбши ротора (п = 16000 об/хв), спостерцаеться збшьшення ампл1туди коливань вузлових точок першо! (л1во!) контактуючо! поверхт бандажно! полиц1,
при цьому амплпуда вузлових точок друго! (право!) контактуючо! поверхн1 залишаеться практично незмшною, фази коливань зб!гаються (за-лишаються тими же) (рис. 5);
- на частотах власних коливань лопаток »15000,30000,36000 Гц спостерцаеться найбшьш щшьний контакт м±ж контактуючими поверхнями бандажних полиць лопаток ГТД, а на частотах 18000, 25000, 33000 Гц спостер1гаеть-ся максимальне вщцалення одн1е! контактуючо! поверхт вщ 1ншо! (утворюеться зазор);
- отриман графжи можна умовно подлити на 3 доапазони (рис. 5). В I (вщ 0 до 15000 Гц) та III дапазот (вщ 36000 до 40500 Гц) спостер1гаеться
Рис. 4. Графж перемщення, протилежних один одному, вузлових точок контактуючих поверхонь 1 та 2
О 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000
Рис. 5. Характер контакту полиць в рiзних дiапазонах частот коливань ротора турбши
змщення вузлових точок контактуючих поверхонь бандажних полиць, яке призводить до проковзу-вання, одта контакгуючо1' поверхт вщносно шшо1', без розриву контакту м1ж ними (при умовi невелико! рiзницi в амплiтудi коливань). У II дiапазонi (вщ 15000 до 36000 Гц) спостерп^аеться розрив контакту м1ж контактуючими поверхнями бандажних полиць, внаслщок значно'1 рiзницi амплiтуд коливань одше'1 та друго'1 полиць, отже в цьому дiапазонi може спостерпатися удар з проковзуван-ням, тобто режим роботи буде шшим;
- за напрямами х ( радiальне перемiщення), y (тангенцiальне) для контактуючих поверхонь 1 та 2 фази коливань залишаються тими самими одна вщносно шшо'1, а амплпуда одше'1 вщносно шшог збшьшуеться;
- за напрямом г ( осьове перемщення) спос-терiгаeться синхронна робота контактуючих поверхонь до 15000 Гц, а зi збшьшенням власних частот спостертаеться рiзниця амплiтуд та на-прямiв перемiщень, тобто може вщбуватись удар iз проковзуванням або створюватись зазор м1ж контактуючими поверхнями.
З наведеного виходить, що для розглянутог моделi лопаток турбши ГТД бажано працювати в I дiапазонi власних частот коливань до 15000 Гц, який можливо забезпечити конструктивними методами, наприклад, демпфуванням коливань лопаток, рiзношаговiстю лопаточних вiнцiв та iн.
Висновки
Отриманi графiки показують, що контакт м1ж поверхнями Z-подiбних бандажних полиць не-
рiвномiрний та мае складну форму. М1ж кон-тактуючими поверхнями може проявлятись зазор i натяг, а це в свою чергу призводить до нерiвномiрного зносу по довжиш контактуючих поверхонь бандажних полиць. Таю результати спростовують думку про те, що по всш площi контакту, мiж полицями дiе однакове навантаження.
Список лтгератури
1. 1вщенко Л. Й. Процеси контактно'1 взаемодп в трибоз'еднаннях i зносостiйкiсть жаро-мiцних сплавiв в екстремальних умовах : ав-тореф. дис. на здобуття ступеню доктора техн. наук : спец. 05.02.04 « Тертя та зношування в машинах» / Ивщенко Л. Й. — Хмельницький : Технолопчний унiверситет Подiлля, 1999 р. — 36 с.
2. Шереметьев А. В. Использование компьютерного моделирования при проектировании дисков компрессоров авиационных ГТД / Шереметьев А. В., Прибора Т. И. // Вестник дви-гателестроения. — 2006. — № 2. — С. 32—37.
3. Зиньковский А. П. Влияние нарушений идентичности контактного взаимодействия бандажных полок на характеристики статического и динамического напряженного состояния лопаточных венцов / Зиньковский А. П., Круглий Я. Д. // Проблемы прочности. — 2012. — № 2. - С. 44-60.
Поступила в редакцию 11.05.2016
Ивщенко Л.И., Крестьяников А.И., Прибора Т. И. Характер перемещения контактирующих поверхностей Z-образных бандажных полок лопаток ГТД
С помощью метода конечных элементов проведено исследование характера перемещения контактирующих поверхностей Z-образных бандажных полок лопаток ГТД в условиях динамики нагружения. Исходя из полученных данных, установлено, что контакт между поверхностями Z-образных бандажных полок неравномерный и имеет сложную форму.
Ключевые слова: лопатка, бандажная полка, перо лопатки, износ.
Ivschenko L., Krestianikov A., Prybora T. Character movement contacting surfaces Z-shaped bandage shelves gte blades
Using the finite element method studied character moving contacting surfaces Z-shaped bandage shelves GTE blades in terms dynamics load. Based on the data, found that the contact surfaces between Z-shaped bandage shelves uneven and has a complicated shape.
Key words: a shoulder-blade, bracer shelf, feather of shoulder-blade, wear\
