Тема: ОЦЕНКА РЕСУРСА РАБОЧИХ ЛОПАТОК ВЕНТИЛЯТОРА ТРДД ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА

При эксплуатации газотурбинных двигателей в самолетном воздухозаборнике кроме потерь полного давления возникают неравномерность распределения скоростей по радиусу и окружности и пульсации скорости по времени. Статические неравномерности могут быть вызваны как конструктивными элементами воздухозаборника (стойками, поворотами и несимметричностью канала), так и режимом полета, приводящих к появлению угла между осью диффузора и направлением набегающего потока воздуха. Пульсации скорости в полете создаются главным образом в результате нестационарного взаимодействия скачков уплотнения с пристеночным пограничным слоем. На исполнительном старте пульсации порождаются срывами потока с входных кромок воздухозаборника. В некоторых условиях динамические пульсации могут превышать статические неравномерности потока воздуха.
Возможность появления переменных напряжений в конструкции рабочих колес вентилятора связана с действием на них нагрузок, изменяющихся во времени. Выделяют два основных вида колебаний, принципиально отличающихся по природе возникновения. Это вынужденные колебания и автоколебания. И те, и другие способны проявляться как опасные.
Вынужденные колебания являются следствием воздействия на объект сил, изменяющихся во времени, которые не зависят от динамического поведения колеблющегося объекта и не изменяются при предположении о недеформируемости его. Прежде всего это силы, связанные с окружной неравномерностью потока, набегающего на вращающееся колесо. Окружная неравномерность, даже будучи постоянной в не вращающейся системе координат, по отношению к вращающемуся рабочему колесу трансформируется в силовую нагрузку, изменяющуюся во времени. Вынужденные колебания могут вызываться и пульсациями потока, возникающими в результате срыва вихрей при обтекании элементов конструкции проточной части. Наиболее опасными вынужденными
колебаниями, а поэтому и представляющими особый практический интерес являются резонансные колебания, когда при приближении частоты возбуждения к той или иной собственной частоте колебательной системы амплитуды колебаний ее резко возрастают. Важной особенностью резонансных колебаний линейных и близких к ним систем с умеренным демпфированием является практическое совпадение формы колебаний системы с соответствующей собственной формой ее. При наличии у системы совпадающих (кратных) или близких собственных частот форма колебаний ее на резонансе способна проявляться как суперпозиция соответствующих собственных форм, соотношение которых определяется конкретными условиями возбуждения.
Учитывая, что неравномерность воздушного потока влияет на прочностные и газодинамические параметры двигателя (запас устойчивой работы, вибронапряжения в лопатках компрессора, пусковые свойства) она должна быть детально изучена в процессе доводки и особенно учитываться при эксплуатации. Для чего двигатель необходимо испытывать:
- на стендах в земных статических условиях с самолетным воздухозаборником или имитаторами на входе;
- на высотно-скоростном стенде;
- в составе летательного аппарата (при летных испытаниях).
Цель работы — разработка методики расчета процесса накопления усталостных повреждений и оценке ресурса по переменным напряжениям рабочих лопаток вентилятора (по усталости) с учетом эксплуатационной неравномерности воздушного потока.
Задачи исследования:
- определить влияние неравномерности воздушного потока на вибронапряжения в рабочих лопатках вентилятора;
- разработать методику оценки ресурса по переменным напряжениям рабочих лопаток вентилятора (по усталости) с учетом эксплуатационной неравномерности воздушного потока.
Научная новизна работы состоит в том, что разработана методика учета влияния эксплуатационных условий на характер и уровень переменных напряжений в лопатках вентилятора.
Теоретическая значимость работы состоит в том, что полученные теоретические положения развивают подходы к учету влияния эксплуатационных условий неравномерности воздушного потока на уровень и переменные напряжения в рабочих лопатках вентилятора и позволяют разработать алгоритм учета усталостных повреждений в рабочих лопатках вентилятора.
Практическая значимость работы состоит в том, что исследовано влияние эксплуатационной неравномерности воздушного потока на структуру и уровень переменных напряжений в лопатках вентилятора. Предложен подход к оценке безопасности, надежности и долговечности лопаток турбомашин, основанный на гипотезе параллельного накопления усталостного повреждения при колебаниях лопатки на разных режимах при колебаниях по различным формам колебаний.
Достоверность полученных результатов подтверждается данными при стендовой доводке экспериментального воздухозаборника с использованием турбореактивного двухконтурного двигателя НК-56. Полученные результаты применены при разработке вентилятора перспективного изделия в ПАО «Кузнецов».
Купить

Результатами настоящей диссертации является разработанная
методология обеспечения безопасности эксплуатации, надежности и ресурса по накоплению усталостных повреждений лопаток вентилятора газотурбинных двигателей оборудованных счетчиком наработки, который учитывает наработку двигателя на различных эксплуатационных режимах. Данный подход строится на гипотезе параллельного накопления усталостных повреждений при колебаниях лопатки на разных режимах работы двигателя. При этом подходе учитываются накопление усталостных повреждений по различным формам колебаний в наиболее напряженных частях лопатки при конкретной форме колебаний.
Исследована структура переменной напряженности лопаток авиационного двигателя в условиях эксплуатационной неоднородности воздуха на входе. Выполнен спектральный анализ окружной неоднородности воздушного потока, где были определены гармоники и фазы колебаний.
Наряду с гармониками, связанный со стационарной окружной неоднородностью воздушного потока, выявлен сравнительно высокий уровень переменных напряжений случайного характера в широком диапазоне частот, вызванный высокой нестационарностью. Построены графики переменных напряжений лопаток на различных режимах работы двигателя при двух характеристиках неоднородности воздушного потока.
Разработан алгоритм учета влияния эксплуатационных условий на характер и уровень переменных напряжений в лопатках компрессора, который при наличии большого количества экспериментальных (стендовых и лабораторных) данных и счетчика наработки, позволит обеспечить эксплуатацию двигателя по техническому состоянию.

Купить