Расчетное определение последствий обрыва фрагмента лопатки на повреждения рабочего колеса и корпуса газотурбинного двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7.036:539.4

Р. П. Придорожный, А. В. Шереметьев, А. П. Зиньковский

РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ ОБРЫВА ФРАГМЕНТА ЛОПАТКИ НА ПОВРЕЖДЕНИЯ РАБОЧЕГО КОЛЕСА И КОРПУСА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Представлены результаты вычислительных экспериментов по определению влияния обрыва фрагмента лопатки на возможные повреждения рабочего колеса и корпуса газотурбинного двигателя, полученные с использованием трехмерной расчетной модели. Ее достоверность подтверждена хорошим согласованием данных расчетов и испытаний двигателя.

Введение и постановка задачи

При создании современных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) в рамках реализации стратегии продления срока эксплуатации по техническому состоянию одними из первоочередных задач являются обеспечение их надежности и безопасности полетов [1]. Решение этих задач в значительной мере определяется предупреждением опасных последствий от обрыва рабочих лопаток вследствие попадания птиц, посторонних предметов в работающий двигатель [2, 3] и др.

Опасные последствия для воздушного судна могут наступить в случае нелокализованного разрушения (т.е. когда фрагменты оборвавшейся лопатки выйдут за пределы двигателя). Поэтому, в соответствии с требованиями обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов, при проведении сертификационных испытаний двигателей одним из обязательных условий является проверка корпуса на гарантированную его непробиваемость от обрыва фрагмента лопатки. Учитывая значительную стоимость испытаний двигателей, решение указанной задачи может осуществляться как на основе аналитических зависимостей деформации колец и оболочек при ударе (при этом сравнивается кинетическая энергия фрагмента лопатки и потенциальная энергия корпуса) [4], так и с использованием современных пакетов прикладных программ на основе использования метода конечных элементов [5].

Использование современных вычислительных программных пакетов позволяет производить учет целого ряда факторов, определяющих развитие и последствия процесса обрыва фрагмента лопатки, а именно: траектории его полета; изменения поверхности контакта в процессе удара; сопротивления материалов высокоскоростному деформированию и развития упругопластических деформаций; взаимодействия фрагмента с другими частями ротора и последующего за этим развития процесса разрушения. Одним из важнейших преимуществ программных пакетов, предназначенных для анализа ударно-контактных взаимодействий деформируемых систем, применительно к анализу

напряженно-деформированного состояния рабочих колес ГТД является наличие эффективных и простых в использовании контактных алгоритмов, обеспечивающих моделирование как условий натяга по бандажным полкам лопаток, так и контактного взаимодействия при обрыве фрагмента лопатки с учетом критерия разрушения материала.

Целью настоящей работы является расчетное определение влияния обрыва рабочей лопатки на возможные повреждения корпуса двигателя и лопаточного аппарата рабочего колеса.

1 Объект исследования и его расчетная модель

Решение задачи осуществлялось на примере обрыва рабочей лопатки 4-й ступени турбины авиационного ГТД ТВ3-117ВМА-СБМ1. В соответствии с постановкой задачи была разработана трехмерная конечноэлементная модель системы, которая включала в себя рабочее колесо исследуемой ступени турбины и ее корпус. При этом были приняты такие допущения.

Во-первых, исходя из результатов предварительных расчетов, полученных на этапе проектирования двигателя, газодинамические нагрузки для данной ступени турбины настолько малы, что они практически не оказывают влияния как на напряженность лопаточного аппарата, так и возможную траекторию полета оторвавшегося фрагмента лопатки, вследствие чего они не учитывались при разработке расчетной модели.

Во-вторых, результаты анализа температурного состояния исследуемой ступени (см. рис.1,б) свидетельствуют о его возможном влиянии не только на механические свойства материала, но и на величину зазора между рабочим колесом и корпусом, как одного из факторов, определяющих последствия обрыва лопатки.

В-третьих, известно [6-8], что существенное влияние на механические свойства материалов при импульсном нагружении оказывает скорость деформации. Для учета скоростного деформирования материала фрагмента лопатки в процессе соударения была принята упругопластическая модель материала, а в качестве критерия разру-

© Р. П. Придорожный, А. В. Шереметьев, А. П. Зиньковский, 2009

шения — эффективная пластическая деформация, при которой оно происходит. Кроме того, при повышении скорости деформации происходит заметное увеличение сопротивления материалов деформированию, которое носит название динамического упрочнения материала. Для аналитического описания динамических свойств материала лопаток использовалась следующая функциональная зависимость, которая хорошо согласуется с данными испытаний образцов из материалов лопаток турбин и таким образом обеспечивает достаточную точность и достоверность результатов вычислительных экспериментов [7]:

^ _с О = О

. 1 1+(—)" Б

(1)

где О" — напряжение при скорости деформации г ; ос — напряжение при статическом на-гружении; Б и п — константы материала, определяемые экспериментально.

Учигывая изложенное, а также геометрическую и физическую нелинейность задачи, для построения трехмерной модели исследуемой системы были использованы объемные восьмиузловые конечные элементы с полной схемой интегрирования. При решении контактной задачи соударения элементов рассматриваемой системы, характеризующихся сложной конфигурацией и отличающихся как упругими, так и инерционными свойствами, для повышения точности и достоверности результатов расчетов непосредственно в зонах соударения осуществлялась более детальная их разбивка на конечные элементы. Целесообразность такого подхода объясняется тем, что указанная постановка задачи требует очень больших затрат машинного времени даже при использовании современных быстродействующих вычислительных машин.

Динамическое состояние разработанной трехмерной конечноэлементной модели исследуемой системы при воздействии нестационарной нагрузки F(t), обусловленной обрывом лопатки, описывается уравнением [9]:

[м ]•{(()}+ [*]•{«(()}+ [к ]•{(()}= { (()}, (2)

где [м], [в] и [к] — инерционная, диссипативная и упругая матрицы модели соответственно; [и(г )},{[(г)} и [и(г)} — вектор-столбцы ускорений, скоростей и перемещений соответственно; ? — время.

2 Результаты расчетов

С использованием разработанной конечноэле-ментной модели рабочего колеса и корпуса 4-й ступени турбины двигателя ТВ3-117ВМА-СБМ1 были проведены вычислительные эксперименты по определению последствий на их возможные разрушения и повреждения в результате обрыва фрагмента лопатки по периферийному, среднему

и корневому сечениям, а также ножке лопатки.

Предварительно, с целью определения исходного состояния системы с учетом распределения температур (рис. 1, а) и частоты вращения ротора, динамическому анализу предшествовал расчет ее статического напряженного состояния. Для этого в уравнении (2) принималось, что приложенная нагрузка F(t) является стационарной, т.е. не зависящей от времени, а инерционными и дисси-пативными силами пренебрегали.

Используя результаты статического анализа в качестве начальных условий, затем определялась динамическая реакция рассматриваемой деформируемой механической системы на заданное, зависящее от времени, возмущение.

Результаты проведенных вычислительных экспериментов по определению влияния обрыва лопатки по выбранным ее сечениям на распределение эквивалентных напряжений модели исследуемой системы и характер ее повреждений приведены на рис. 2, анализ которых показывает следующее.

Обрыв лопатки по периферийному сечению (рис. 2, а) приводит к незначительным повреждениям бандажных полок набегающих лопаток венца на оторвавшийся фрагмент лопатки и в месте его соударения с корпусом двигателя. Чуть более заметные повреждения корпуса и бандажных полок указанных лопаток наблюдаются при обрыве лопатки по среднему сечению (рис. 2, б).

Значительно более серьезные последствия наблюдаются при обрыве лопатки по корневому сечению. Фрагмент оборвавшейся лопатки после удара о корпус налетает на набегающую лопатку и приводит к практически полному разрушению ее бандажной полки и существенным повреждениям пера, особенно со стороны выходной кромки чуть выше среднего и в корневом сечениях вследствие существенных изгибных деформаций (рис. 2, в), что в дальнейшем может привести к разрушению и указанной лопатки. Что касается повреждения корпуса, то оно в этом случае является более значительным по сравнению с таковыми, которые имели место при обрыве лопатки в периферийном и среднем сечениях, но не выходит на внешнюю его поверхность.

Наиболее существенные повреждения системы имеют место в случае обрыва лопатки по ножке. Как видно (см. рис. 2, г), в этом случае происходит обрыв первой из набегающих лопаток по корневому, а второй — по периферийному сечениям и разрушение бандажной полки третьей из них. При этом повреждения последующих набегающих лопаток венца усугубляются воздействием предыдущих, что также может привести к их обрыву. Вследствие указанных особенностей разрушения лопаток наблюдаются более выраженные повреждения и корпуса двигателя.

1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2009

- 43 -

Рис. 1. Распределения температур (а) и статических эквивалентных напряжений (б) конечноэлементной модели рабочего колеса и корпуса 4-й ступени турбины двигателя ТВЗ-117ВМА-СБМ1

Рис. 2. Распределение эквивалентных напряжений и характер повреждений конечноэлементной модели рабочего колеса и корпуса 4-й ступени турбины двигателя ТВ3-117ВМА-СБМ1 при обрыве лопатки в периферийном (а), среднем (б) и корневом (в) сечениях, а также по ее ножке (г)

В целом, результаты проведенных расчетов показали, что при обрыве фрагмента лопатки исследуемой ступени турбины двигателя ТВ3-117ВМА-СБМ1 имеет место гарантированная его локализация корпусом двигателя, что соответствует требованиям нормативной документации по его эксплуатации. Однако при этом степень повреждения корпуса двигателя и лопаточного аппарата рабочего колеса зависит от размера рассматриваемого фрагмента лопатки.

3 Экспериментальная проверка

Для определения достоверности полученных результатов расчетных исследований было проведено их сравнение с данными проведенных на двигателе испытаний при наличии аналогичных повреждений лопатки рассматриваемой ступени турбины. Было установлено, что корпус в ходе испытаний не был пробит, и он обладает достаточной прочностью, чтобы удержать лопатку в случае ее обрыва по ножке. Кроме того, в процессе эквивалентно-циклических испытаний выбранного двигателя произошло разрушение рабочей лопатки по периферийному сечению. Проведенный после этого осмотр двигателя показал, что повреждение его корпуса незначительно, а на нескольких набегающих лопатках имели место лишь небольшие забоины. Непробиваемость корпусов турбины и отсутствие опасных последствий, вследствие обрыва рабочей лопатки по корневому сечению, продемонстрирована также случаем происшедшим в эксплуатации. При этом характер разрушений лопаток близок к прогнозируемому по результатам вычислительных экспериментов.

Таким образом, результаты сопоставления данных выполненных расчетов и проведенных экспериментальных исследований подтвердили правомерность разработанной расчетной модели для оценки повреждений лопаточного венца рабочего колеса турбины и корпуса ГТД при обрыве фрагмента рабочей лопатки.

Заключение

На основании проведенных исследований и анализа полученных результатов можно сформулировать следующие выводы:

1. Применение трехмерных расчетных моделей с учетом динамического упрочнения мате-

риала и критерия его разрушения позволяет обеспечить эффективное решение задачи по прогнозированию возможного влияния обрыва фрагмента лопатки на повреждения и разрушения рабочих колес и корпуса двигателя.

2. Достоверность разработанной расчетной модели подтверждена хорошим согласованием вычислительных и экспериментальных исследований двигателя.

Перечень ссылок

1. Муравченко Ф. М. Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей / Ф. М. Муравченко // Пробл. прочности. - 2008. - № 5. - С. 7-14.

2. Роль импульсных нагрузок для ГТД / [Ю. С. Воробьев, А. В. Колодяжный, М. В. Чер-нобрывко, Л. Крушка] // Ав1ацшно-косм1чна техшка i технолопя. - 2002. - Вып. 34. -С. 136-140.

3. Shorr B.F. Numerical and Experimental Analysis of the Bird Strike Fan Resistance / B. F. Shorr,

A. A. Inozemtsev, V. A. Rudavets // Bird Strike committee Europe Proceedings and Working Papers 22th Meeting, Vienna, 1994. - P. 491-498.

4. Богуслаев В. А. Прочность деталей ГТД, Монография / В. А. Богуслаев, В. Б. Жуков,

B. К. Яценко. - Запорожье : Изд-во ОАО «Мотор Сич», 1999. - 249 с.

5. Гладкий И. Л. Исследование последствий обрыва лопаток авиационных двигателей методом конечных элементов / И. Л. Гладкий // Вiбрацii в техшщ i технолопях. - 2004. -№ 5 (37). - С. 38-41.

6. Механическое поведение материалов при различных видах нагружения / [Трощенко В. Т., Лебедев А. А., Стрижало В. А. и др.]. - К. : Логос, 2000. - 571 с.

7. Скоростное деформирование элементов конструкций / [Воробьев Ю. С., Колодяжный А. В., Севрюков В. И., Янютин Е. Г.]/ - К.: Наук. думка, 1989. - 192 с.

8. Степанов Г. В. Упругопластическое деформирование и разрушение материалов при импульсном нагружении / Г. В.Степанов. - К. : Наук. думка, 1991. - 288 с.

9. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич; [пер. с англ. Б. Е. По-бедри]. - М.: Мир, 1975. - 539 с.

Поступила в редакцию 26.05.2009 Представлено резулътати обчислювальних експериментгв за визначенням впливу обриву фрагмента лопатки на можливi ушкодження робочого колеса та корпуса газотурбнного двигуна, отримат за використанням тривимiрноiрозрахунковог моделi. Ii достовiрнiстъ тдтверджена хорошим узгодженням даних розрахунтв та випробуваннями двигуна.

Results of computing experiments by definition of influence of breakage of the fragment of the blade on possible damages of the blade wheel and the casing of the gas turbine engine, received with use of three-dimensional calculation model are presented. Its reliability is confirmed by the good coordination of the given calculations and engine tests.

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2009

- 45 -