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

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: nikhamkin@mail.ru Ирина Валерьевна Семенова, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Авиационные двигатели». E-mail: semenova-irina-v@mail.ru Ольга Леонидовна Любчик, младший научный сотрудник кафедры «Авиационные двигатели». E-mail: olga-l-voronova@yandex.ru

Иван Леонидович Гладкий, кандидат технических наук, заместитель начальника отдела. E-mail: gladky@avid.ru

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: nikhamkin@mail.ru

Irina Semenova, Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer at the "Aircraft Engines"Department. E-mail: semenova-irina-v@mail.ru Olga Lyubchik, Minor Research Fellow at the "Aircraft Engines"Department. E-mail: olga-l-voronova@yandex.ru

Ivan Gladkiy, Candidate of Technical Sciences, Vice-Chief of the Department. E-mail: gladky@avid.ru