Использование компьютерного моделирования при проектировании дисков компрессоров авиационных ГТД Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7.036:539.4

А. В. Шереметьев, Т. И. Прибора

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ДИСКОВ КОМПРЕССОРОВ АВИАЦИОННЫХ ГТД

Рассмотрены возможности использования компьютерного моделирования, расчетных моделей высокого уровня. Приведены различные варианты конструкций с уменьшенным уровнем напряжения, что ведет к увеличению расчетного циклического ресурса.

Широкое внедрение в процесс проектирования двигателя средств вычислительной техники, массовое внедрение численных методов (главным образом, метода конечных элементов) в практику расчётов на прочность, использование расчётных моделей высокого уровня, накопленный богатый опыт по проектированию и доводке авиадвигателей [1 ] позволяют существенно уменьшить экономические затраты на разработку и значительно сократить сроки создания авиационных ГТД. При этом с высокой степенью достоверности могут быть спрогнозированы ресурс и надёжность основных деталей авиационных ГТД.

В настоящей работе рассматривается моделирование напряжённо-деформированного состояния (НДС) дисков авиационных ГТД.

Главное внимание при моделировании НДС деталей (в том числе дисков компрессоров) уделяется критическим зонам - зонам концентрации напряжений и максимальных температур. Именно эти зоны определяют ресурс и надёжность работы деталей.

Как показано в [2], отклонение геометрии кон-тактируемых поверхностей ( например, хвостовика лопатки и межпазового выступа диска) даже в пределах допусков чертежа может значительно (до 40 %) изменить циклическую долговечность деталей.

Сравнение расчетных и экспериментальных значений повторно-статических напряжений в критических зонах деталей показывает хорошее взаимное соответствие.

Компьютерное моделирование при проектировании дисков компрессоров авиационных ГТД позволяет обеспечивать требуемый уровень напряженности и, соответственно, требуемый ресурс.

Особенно эффективно компьютерное моделирование при создании двигателей на основе имеющихся надежно работающих в эксплуатации прототипов. Создание двигателей ТВ3-117ВМА СБМ1, Д-436(Т1,ТП), АИ-222-25, увеличение ресурса двигателя Д-18Т показало эффективность компьютерного моделирования и позволило в кратчайшие сроки подтвердить высокую надежность и большие значения ресурсов этих двигателей [3].

© А. В. Шереметьев, Т. И. Прибора 2006 г.

Компьютерное моделирование дисков компрессоров является важной составляющей ресурсного проектирования авиационных ГТД.

Первоначальная расчетная схема, как правило, включает часть ротора или весь ротор двигателя (каскад высокого или низкого давления) в осе-симметричной постановке (см. рис.1). Полученные граничные условия на конкретном диске используются для определения НДС в критических зонах этого диска при решении задачи в трехмерной постановке.

Поскольку уровень повторно-статических напряжений в различных зонах диска может сильно отличаться, то различается в этих зонах и циклическая долговечность диска. Критические зоны дисков последних ступеней КВД двигателя с большой степенью двухконтурности показаны на рисунке 2, а именно, ими являются: отверстия под болты (точки 1, 2, 4) галтели сопряжения поверхностей (точки 3, 5), основание межпазового выступа со стороны острого угла (точки 6).

Рис. 1. Пример расчетной модели ротора со всем объемом нагрузок в виде давлений, сил и температурного поля

П, =-

N

(1)

раз _ I

Рис. 2. Критические зоны дисков последних ступеней КВД

Как видно из рис. 2, на диске всегда имеется несколько критических зон, степень опасности которых может быть установлена путем сравнения повреждаемости в этих зонах.

Повреждаемость деталей в критических зонах определяется по формуле:

где Ырд^ -число циклов до разрушения детали в /й зоне при действующем уровне напряжений и температур.

Величина Лраз-1 может быть найдена различными методами (по кривым малоцикловой усталости, по уравнению Мэнсона и др.). При определении числа циклов до разрушения по кривым малоцикловой усталости (МЦУ) следует пользоваться только доверительными интервалами кривой (подтвержденных испытаниями образцов). Сравнение повреждаемости в четырех критических зонах последних ступеней КВД двухконтурного ТРДД представлено в таблице 1.

Повреждаемость, определенная по формуле Мэнсона, значительно отличается от величины повреждаемости, определенной по кривым МЦУ.

Если перейти к относительной повреждаемости (берем отношение величин повреждаемости подобных зон двух дисков, 6 и 7 ступеней), то получим иную картину (см. рис.3).

Таблица 1 -Повреждаемость в критических зонах диско КВД

1

Критическая зона Номер ступени СТЖв 10" , МПа г, °С П/, по Мэнсону П/, по кривым МЦУ

Ступица 6 54,378 200 2,907*10"' 0,5 5 * 10"8

7 54,78 340 4,428*10"7 0,663*10"8

Отверстие 6 79,69 270 6,218* 10"6 0,166*10"4

7 115,7 505 3,923*10"5 1*10"4

Полотно 6 75,42 350 0,4719 * 10"5 8,9*10"6

7 42,66 530 0,4866*10"7 0,1*10"6

Шейка 6 30,45 470 1,307* 10"9 11,52*10"9

7 21,29 530 0,5239*10"10 0,5*10"9

100п

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

У ' '

У У У

1

-

V

ступица

отв-е

полотно

шейка

□ Мэнсон □ кривые МЦУ

Рис. 3. Относительная повреждаемость подобных критических зон дисков последних ступеней КВД

В случае рассматриваемой детали, критической зоной, определяющей ресурс, является зона отверстий, где получили максимальную величину повреждаемости. Следует отметить, что при определении относительной повреждаемости двух деталей, сравнение желательно проводить по зонам с однотипными концентраторами.

Процессы упруго-пластического деформирования материала и накопления малоциклового повреждения в зоне концентрации ' 'являются нестационарными и характеризуются непрерывной трансформацией полей деформаций и напряжений как в пределах цикла нагружения, так и от цикла к циклу' [4].

В качестве критерия напряженности диска в местах концентрации напряжений может быть принято условие Губера-Мизеса (2):

(с х -Ст у )2 +(сг у -Ст г )2 +(ст г -с х )2 +

+ б(с 2у +П2уг )

, (2)

где сх - радиальные напряжения; су - окружные напряжения; с2 - осевые напряжения; сэкв - эквивалентные напряжения в рассматриваемой зоне диска.

Чем меньше величина действующих эквивалентных напряжений, тем больше циклическая долговечность диска. Снижения уровня напряжений в зонах концентрации напряжений можно добиться путем увеличения размеров диска. Однако такой путь приводит к увеличению веса двигателя и к снижению его удельных параметров. Поэтому целесообразно применять другие методы снижения уровня напряжений и, как следствие, повышения циклической долговечности диска.

Для уменьшения напряженности диска в обо-дных местах концентрации напряжений можно воспользоваться изменением геометрии донышка паза, разнесением компонент эквивалентного напряжения по различным зонам рассматриваемого участка поверхности диска (рис. 4).

Суть сводится к разделению окружных напряжений и радиальных напряжений в зоне острого угла. Эффект был достигнут за счет изменения геометрии донышка паза диска с плоского на скругленное, что, в свою очередь, позволило увеличить радиус перехода от донышка паза к рабочим поверхностям диска с ^ мм до ^,4 мм. Такое увеличение радиуса привело к уменьшению радиальных напряжений концентрации в уголках паза на 13,5 %.

Рис. 4. Эскиз модификации донышка паза

На рис. 4 показан характер модификации донышка паза. Проведенные расчеты НДС исходной и модифицированной геометрии донышка паза диска подтвердили наличие снижения уровня радиальных и окружных напряжений. На рис. 5 представлено в виде графиков распределение радиальных (Бх), окружных (Бу) и эквивалентных (Бекв) напряжений в узлах, лежащих по линии, образующей контур донышка на входе в паз. Зона А выбрана в радиусе сопряжения со стороны острого угла паза, именно здесь происходит концентрация напряжений. Зона Б находится примерно в середине донышка паза, зона В расположена в радиусе сопряжения со стороны тупого угла.

На графике видно, что при исходном профиле донышка паза в зоне А имеем максимум как радиальных, так и окружных напряжений, поэтому и эквивалентные напряжения достаточно велики.

С переходом на модифицированное донышко, получаем снижение радиальных напряжений (за счет увеличения радиуса перехода от донышка паза к рабочим поверхностям диска). Кроме этого, пик максимальных окружных напряжений перемещается ближе к середине донышка, снижаясь на 16 % .В зоне острого угла окружные напряжения снижаются более чем в 3 раза, тем самым, участвуя в снижении величины эквивалентных напряжений. Эффект модификации паза - снижение действующих эквивалентных напряжений в области острого угла на 12 %.

Другой способ уменьшения действующего уровня напряжений может быть показан на примере замкового соединения типа "ласточкин хвост".

Проведенное моделирование НДС диска показало в основании межпазового выступа существование повышенного уровня напряжений на выходе из замкового соединения типа "ласточкин хвост" со стороны острого угла. Расчетные исследования подтверждаются опытом эксплуатации: наличие трещин в рассматриваемом месте.

=

экв

Рис. 5. Распределение радиальных (Бх), окружных(Бу) и эквивалентных (веке) напряжений по входной кромке донышка паза исходного профиля (слева) и модифицированного профиля (справа)

Введение фаски по острой выходной кромке поверхности сопряжения донышка паза с контактной поверхностью межпазового выступа (см. рис. 6) позволило уменьшить уровень напряжений. Дальнейшие расчетные исследования показали, что существует оптимальный размер фаски, при которой будет минимально возможный уровень напряжений концентрации в основании межпазового выступа со стороны острого угла (рис. 7).

Типичным концентратором для диска является отверстие в полотне. Долгое время действующий уровень напряжений в зоне отверстий определялся на основании осесимметричного расчета диска с последующим использованием формулы Теве-ровского, а именно:

Кст

= 3 —

а

ь - а

(3)

X

СТ

У

где стх, Сту - радиальные и окружные напряжения;

Рис. 6. Уменьшение концентрации напряжений в основании межпазового выступа

Рис. 7. Зависимость величины напряжений концентрации от относительной величины радиуса доработки снования межпазового выступа

сС - диаметр отверстия;

Ь =

2пК

■ ширина перемычки между отверсти-

ями.

При таком подходе к определению максимальных напряжений не учитывается целый ряд важных факторов (соотношение радиальных и окружных напряжений по контуру отверстия, близость действующих напряжений к пределу текучести материала диска, изменение геометрии диска в районе отверстий и другие), характеризующих особенности конструкции.

Достоверное значение максимального действующего уровня напряжений в районе отверстия полотна диска можно получить только на основании использования расчетной модели высокого уровня.

В результате проведенного исследования с применением 3-х мерных расчетных моделей был выбран вариант с введением двух бобышек (форма которых определялась путем численного моделирования) с обеих сторон фланца (рис. 8). При этом уровень действующих напряжений был снижен более чем на 27 %.

Использование программного комплекса и решение задачи в нелинейной постановке позволило, в частности, продлить ресурс с обеспечением надежности диску последней ступени КВД. При очередной разборке и дефектации ротора были обнаружены трещины под опорным буртом в зоне фланцевого соединения. Решение разных

вариантов доработки диска в нелинейной постанов-

2

ке с применением контактных элементов по цилиндрическим и торцевым поверхностям помогло выбрать оптимальную форму доработки критической зоны, выйти на уровень напряжений, допускающий продление ресурса диска (см. рис. 9).

На этих примерах показано обеспечение надежной работы диска в течение требуемого ресурса путем проведения снижения повторно-статических напряжений в критических зонах. Такое моделирование должно проводиться с учетом опыта доводки и эксплуатации прототипов.

Существенное влияние на напряжения в критических зонах дисков может оказать технологическая наследственность [5]. В понятие технологической наследственности входит влияние производственных процессов и отдельных операций на несущую способность дисков.

Технологическую наследственность можно оп-

ределять физическими, химическими, структурными, деформационными и геометрическими параметрами, сформировавшимися в объеме детали после основных технологических процессов или в поверхностном слое после окончательных операций, отрицательно влияющих на надежность детали.

Как видно из приведенных примеров, использование компьютерного моделирования позволяет снизить уровень повторно-статических напряжений в критических зонах и, тем самым, обеспечить требуемые значения ресурсов дисков, повысить надежность их работы, уменьшить стоимость ремонтов.

Рис. 8. Конструктивное решение уменьшения концентрации напряжений в зоне отверстий

Рис. 9. Пример конструкции ротора с обнаруженными трещинами под буртом в районе фланца; выделен фрагмент (А) с возможными вариантами доработки; справа - распределение контактных напряжений по рабочим поверхностям

фланцевого соединения в окончательном решении

Список литературы

Муравченко Ф.М., Шереметьев А.В. Об особенностях прочностной доводки современных АГТД на заданный ресурс //Авиационно-космическая техника и технология: Сб. Научн. Тр.

- Харьков: Гос. аэрокосмич.Уни-т, 1999. - Вып.9

- С. 5-9.

2. Шереметьев А.В., Петров А.В. Использование компьютерного моделирования для учета технологической наследственности при установлении ресурсов деталей авиационных ГТД // Авиационно-космическая техника и технология. - 2005. - №.4(20). - С. 5053.

3. Муравченко Ф.М., А.В. Шереметьев А.В. О методе определения циклических ресурсов авиадвигателей //Сборник трудов Международной конференции. Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций, т.2: Киев, 2000. - С. 831-836.

4. Механическое поведение материалов при раз-

личных видах нагружения / В. Т. Трощенко, А. А. Лебедев, В. А. Стрижало и др. - К.: Логос.

- 2000. - 571 с.

5. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. - М.: Машиностроение,1993.

- 304 с.

Поступила в редакцию 26.05.2006 г.

Розглянутi можливост1 використовування комп'ютерного моделювання, розрахунко-вих моделей високого рiвню. Приведенi рiзнi варiанти конструк^й 3i зменшеним рiвнем напруги, що веде до збiльшення розрахункового циклiчного ресурсу.

The possibility of computer modeling the high-level calculating models are considered. There was shown the different design variants with the diminish stress level, leading to the service life incline.