Научная статья на тему 'Моделирование повреждения посторонними предметами полых лопаток вентилятора ГТД'

Моделирование повреждения посторонними предметами полых лопаток вентилятора ГТД Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
346
140
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
GAS-TURBINE ENGINE / FAN BLADES / DAMAGE / RESIDUAL PRESSURE

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Нихамкин М. Ш., Семенова И. В., Любчик О. Л., Гладкий И. Л.

The technique and results of numerical modeling the process of damage the hollow titanic fan blades from aviation gas-turbine engine by extraneous subjects getting to a flowing part: hailstones, ice, stones are stated. Mathematical statement of a problem is formulated, the technique of modeling by means of final elements method is described. The quantitative estimations of damage parameters received as a result of modeling are resulted. The analysis of mechanisms and laws of damage for blades, fields of residual pressure is carried out.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Нихамкин М. Ш., Семенова И. В., Любчик О. Л., Гладкий И. Л.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DAMAGE MODELING BY EXTRANEOUS SUBJECTS THE HOLLOW FAN BLADES OF GAS-TURBINE ENGINE

The technique and results of numerical modeling the process of damage the hollow titanic fan blades from aviation gas-turbine engine by extraneous subjects getting to a flowing part: hailstones, ice, stones are stated. Mathematical statement of a problem is formulated, the technique of modeling by means of final elements method is described. The quantitative estimations of damage parameters received as a result of modeling are resulted. The analysis of mechanisms and laws of damage for blades, fields of residual pressure is carried out.

Текст научной работы на тему «Моделирование повреждения посторонними предметами полых лопаток вентилятора ГТД»

УДК 621.3.002

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ ПОСТОРОННИМИ ПРЕДМЕТАМИ ПОЛЫХ ЛОПАТОК ВЕНТИЛЯТОРА ГТД

© 2011 М.Ш. Нихамкин1, ИВ. Семенова1, О.Л. Любчик1, И.Л. Гладкий2

1 Пермский государственный технический университет 2 ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь

Поступила в редакцию 18.03.2011

Изложены методика и результаты численного моделирования процесса повреждения полых титановых лопаток вентилятора авиационного газотурбинного двигателя посторонними предметами, попадающими в проточную часть: градом, льдом, камнями. Сформулирована математическая постановка задачи, описана методика моделирования с помощью метода конечных элементов. Приведены полученные в результате моделирования количественные оценки параметров повреждений. Проведен анализ механизмов и закономерностей повреждения лопаток, полей остаточных напряжений.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, лопатки вентилятора, повреждение, остаточные напряжения

Эксплуатационное повреждение посторонними предметами (ППП) рабочих лопаток вентиляторов авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) является одним их важнейших факторов, определяющих надежность и безопасность воздушных судов [1]. Повреждения, возникающие в результате соударения лопаток с градом, посторонними предметами с взлетно-посадочной полосы, могут стать концентраторами напряжений, которые снижают сопротивление лопаток многоцикловой усталости, приводят к их усталостным поломкам. Кроме того, ППП - причина значительных экономических потерь на восстановительные работы, задержку и отмену рейсов, выплату компенсаций [2]. Проблема особенно актуальна для полых лопаток вентиляторов, применяемых в современных двигателях большой двухконтурности. Для обеспечения стойкости к ППП таких лопаток имеющийся опыт исследования сплошных лопаток недостаточен.

Цель исследования: разработка методик расчетного моделирования соударения полых лопаток вентилятора с посторонними предметами, изучение механизмов, закономерностей и особенностей повреждения таких лопаток.

Объектом исследования является широ-кохордная крупногабаритная рабочая вентилятора полой конструкции с гофровым наполнителем (рис. 1) [3, 4]. Лопатка изготавливается из трех титановых листовых деталей: спинки, корыта.

Михаил Шмерович Нихамкин, доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой «Авиационные двигатели». E-mail: [email protected] Ирина Валерьевна Семенова, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Авиационные двигатели». E-mail: [email protected] Ольга Леонидовна Любчик, младший научный сотрудник кафедры «Авиационные двигатели». E-mail: [email protected]

Иван Леонидович Гладкий, кандидат технических наук, заместитель начальника отдела. E-mail: [email protected]

Объектом исследования является широ-кохордная крупногабаритная рабочая вентилятора полой конструкции с гофровым наполнителем (рис. 1) [3, 4]. Лопатка изготавливается из трех титановых листовых деталей: спинки, корыта и гофрового наполнителя методом совмещения сверхпластической формовки и сварки давлением (СПФ/СД). Высота лопатки более 700 мм, материал - титановый сплав ВТ6.

Рис. 1. Исследуемая лопатка вентилятора

Посторонние предметы, попадающие в газовоздушный тракт двигателя, их форма, размеры, кинематические параметры варьируются в

широких диапазонах. В соответствии с нормативными документами предусмотрена экспериментальная проверка на натурном двигателе стойкости лопаток к попаданию града, ледяных пластин, птиц. Статистика повреждения сплошных вентиляторных лопаток [5] показывает, что в случае соударения с льдом повреждения возникают на входной кромке и представляют собой локальные отгибы кромки в сторону спинки (вмятины), иногда с «вырывом» металла. Кусочки бетона, мелкие камни с взлетно-посадочной полосы оставляют на входной кромке повреждения, характеризующиеся меньшей, чем в случае льда, пластической деформацией и более выраженным разрушением.

В настоящей работе при моделировании процесса повреждения лопатки принимали, что посторонний предмет (1111) движется поступательно со скоростью V по направлению к входной кромке лопатки под некоторым углом а к хорде (рис. 2). Лопатка неподвижно закреплена в корневом сечении. В качестве повреждающих предметов в соответствии с данными эксплуатационной статистики и требованиями нормативных документов рассматривались следующие варианты: град (ледяной шар) диаметром 25 мм и 50 мм, ледяная плита (прямоугольный параллелепипед) размером 20*305*65 мм, камень (кварцевый шар) диаметром 10 мм. Скорость соударения принималась соответствующей условиям сертификационных испытаний: для града и камня в случае точки соударения 2/3Н от корневого сечения У=340 м/с, в случае точки соударения 1/3Н от корневого сечения У=380 м/с, для ледяной пластины У=193 м/с.

Для математического моделирования процесса повреждения лопаток в настоящей работе используется метод конечных элементов (МКЭ) в динамической трехмерной постановке [6, 7], позволяющий учитывать характерные особенности быстропротекающего процесса соударения, пластическое деформирование и разрушение материалов, контактное взаимодействие лопатки с 1111. Математическая постановка задачи включает в себя уравнения движения, геометрические соотношения для случая больших деформаций:

ри 1

2Ч =(и,

1 + и1 ,г + ит, 1 • и

*)

где р - плотность; и - компоненты перемещений, Оу и £ц - компоненты тензоров напряжений и деформаций.

Поведение материала лопатки описывается упругопластической моделью с линейным деформационным упрочнением и скоростным упрочнением по Куперу-Саймондсу [8]. Для учета влияния скорости деформации на предел текучести материала в этой модели вводится масштабирующий коэффициент:

в = 1 +

Ч /Р

V С у

Рис. 2. К постановке задачи соударения лопатки с посторонним предметом

где £ - скорость деформации, С, Р - константы материала.

Принималось, что разрушение материала лопатки происходит при достижении интенсивностью деформаций предельной деформации при одноосном растяжении ев.

Для материалов повреждающих предметов - льда и камня (кварца) - использовалась более простая модель линейной упругости с критерием разрушения:

а1 >ав,

где О! - первое главное напряжение, аБ - предел прочности.

Численное решение проводилось методом конечных элементов с явной схемой интегрирования по времени, реализованным в пакете Ь8-БУКЛ [9]. Для анализа процесса соударения с различными повреждающими предметами было разработано несколько конечно-элементных моделей лопатки и ПП, различающихся типом и размерами используемых конечных элементов. Существенное ограничение на количество степеней свободы конечно-элементной модели накладывает динамическая нестационарная постановка задачи.

Для решения задачи соударения с ледяной плитой конечно-элементная модель лопатки состояла из объемных элементов первого порядка аппроксимации. В области соударения применялись призматические 8-узловые элементы с характерным размером ! мм, на удалении от зоны соударения - тетраэдральные элементы. Модель ледяной плиты состояла из призматических элементов размером 2 мм. Общее количество элементов в системе лопатка - ПП составило около 190000. Для решения задачи соударения с градом и камнями использовалась конечно-элементная модель лопатки с уменьшенным количеством элементов. Она представляет собой фрагмент лопатки вблизи зоны соударения, размеры которого (приблизительно 100*100 мм) выбирались таким образом, чтобы они были значительно больше области повреждения, и чтобы в модель входило полностью одно ребро гофрового наполнителя. По поверхности «вырезки» из лопатки принимается условие отсутствия перемещений - приближение допустимое в силу локального характера напряженно-деформированного состояния лопатки. Модель состоит из 24000 тет-раэдальных элементов второго порядка аппроксимации.

При моделировании контактного взаимодействия лопатки с повреждающим предметом использовался реализованный в Ь8-ОУКЛ алгоритм «пенальти» [9]. В соответствии с рекомендациями [9] значение коэффициента пенальти выбиралось в пределах 5 Н/м. В исследованных случаях соударения лопатки с различными ПП имеет место схожий характер протекания процесса соударения: с момента контакта ПП с лопаткой начинается распространение волн напряжений, которое в зависимости от свойств ПП и его кинематических характеристик может сопровождаться пластическим деформированием и разрушением лопатки.

9

МПа 6003000-300 -600 -900

1

б)

Рис. 3. Повреждение лопатки ледяной плитой: а) эффективные пластические деформации; б) нормальные остаточные напряжения ог (вдоль входной кромки)

При соударении с градом лопатка не разрушается и не получает пластических деформаций, град хрупко разрушается. При соударении лопатки с ледяной плитой хрупкое разрушение плиты сопровождается упругопластическим деформированием лопатки. Процесс соударения ПП занял 380 мкс. На входной кромке образуется повреждение в виде вмятины (рис. 3,а), эффективная пластическая деформация достигают 9% на входной кромке со стороны спинки. Остаточные напряжения в лопатке после соударения показаны на рис. 3,б. В зоне соударения вблизи кромки со стороны спинки лопатки остаточные напряжения сжатия достигают -900 МПа, со стороны корыта -300 МПа. На границе вмятины возникают растягивающие остаточные напряжения, их значения достигают +300 МПа.

0.15 0 12 0.09 0 06 0.03 !

1

0-

Рис. 4. Повреждение лопатки камнем: а) эффективные пластические деформации; б) нормальные остаточные напряжения аг

При соударении лопатки с камнем процесс упруго-пластического деформирования лопатки сопровождается появлением на входной кромке разрывов (рис.4,а). Длина максимального разрыва /=3,4 мм. Глубина вмятины составила р=2,4 мм. Значение эффективной пластической деформации в зоне повреждения достигает 15%. Остаточные напряжения со стороны спинки сжимающие, достигают -270 МПа, со стороны корыта -150 МПа. Со стороны корыта на границе вмятины возникает зона растягивающих остаточных напряжений, их значения достигают +150 МПа (рис.4,б). Полученные результаты моделирования соударения с ПП согласуются с данными эксплуатационной статистики [5]. Характер остаточных напряжений в зоне повреждения согласуется с расчетными данными [10].

Разработанная методика численного моделирования процесса повреждения полых вентиляторных лопаток при попадании в двигатель посторонних предметов (града, льда, каменей) позволяет учитывать конструктивные особенности лопаток, скоростное упрочнение материала лопатки, пластические деформации и разрушение лопатки, нелинейный характер контактного

взаимодействия лопатки и ПП. Разработанная методика и полученные количественные оценки параметров повреждений могут быть использованы для сравнительной оценки стойкости лопаток различной конструкции к ППП, а также при подготовке к сертификационным испытаниям.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Сиротин, Н.Н. Конструкция и эксплуатация, повреждаемость и работоспособность газотурбинных двигателей. (Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок). - М.: РИА "ИМ-Информ", 2002. 442 с.

2. Bachtel, B. Foreign Object Debris and Damage Prevention, www.boeing.com

3. Валиахметов, О.Р. Использование наноструктурных материалов и нанотехнологий для создания полых конструкций / О.Р. Валиахметов, Р.М. Галлеев, В.А. Иванько и др. // Российские нанотехнологии. 2009. Т. 4, № 11-12. С. 56-65.

4. Иноземцев, А.А. Перспективная технология изготовления полой широкохордной лопатки вентилятора. Нанотехнологии и наноматериалы Пермского края: Сборник статей / А.А. Иноземцев, Р.Р. Мулюков, Р.В. Сафиуллин и др. // Под общей редакцией Анциферова В.Н. - Пермь, Пермский ЦНТИ, 2009. С. 61-65.

5. Morse, G.A. Investigating FOD Damage, Atlanta FOD Conference, FAST, Inc., 2004.

6. Guan, Yupu. Foreign Object Damage to Fan Rotor Blades of Aeroengine. Part II: Numerical Simulation of Bird Impact / Guan Yupu, Zhao Zhenhua, Chen Wei et al. // Chinese Journal of Aeronautics. 2008. 21. P. 328334.

7. Vasko, T.J. Fan blade bird-strike analysis and design. Proceedings of 6th International LS-DYNA Users Conference Simulation. 2000. P. 9.13-9.18.

8. Chen, X. Foreign object damage on the leading edge of a thin blade. Mechanics of Materials. 2005. 37. P. 447457.

9. Hallquist, J. LS-DYNA Theoretical Manual - Liver-more Software Technology Corporation, 1999. 498 p.

10. King, A. Residual stress evolution in the wide chord fan blade / A. King, A. Steuwer, P.J. Withers // Technical report ME780, ESRF 2004. P. 1-2.

DAMAGE MODELING BY EXTRANEOUS SUBJECTS THE HOLLOW FAN BLADES OF GAS-TURBINE ENGINE

© 2011 M.Sh. Nihamkin1, I.V. Semenova1, O.L. Lyubchik1, I.L. Gladkiy2 1 Perm State Technical University 2 JSC "Aviadvigatel", Perm

The technique and results of numerical modeling the process of damage the hollow titanic fan blades from aviation gas-turbine engine by extraneous subjects getting to a flowing part: hailstones, ice, stones are stated. Mathematical statement of a problem is formulated, the technique of modeling by means of final elements method is described. The quantitative estimations of damage parameters received as a result of modeling are resulted. The analysis of mechanisms and laws of damage for blades, fields of residual pressure is carried out.

Key words: gas-turbine engine, fan blades, damage, residual pressure

Mikhail Nihamkin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Deputy Head of the "AircraftEngines"Department. E-mail: [email protected]

Irina Semenova, Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer at the "Aircraft Engines"Department. E-mail: [email protected] Olga Lyubchik, Minor Research Fellow at the "Aircraft Engines"Department. E-mail: [email protected]

Ivan Gladkiy, Candidate of Technical Sciences, Vice-Chief of the Department. E-mail: [email protected]

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.