Введение к работе
Актуальность темы. При проектировании газотурбинных двигателей (ГТД), установок (ГТУ) и других энергетических машин рассматриваются вопросы непробиваемости корпусов при обрыве лопаток. Одной из наиболее часто повторяющихся опасных аварийных ситуаций, которые могут привести к катастрофическим последствиям, является обрыв лопаток роторов авиационных ГТД. Поэтому особое значение в обеспечении надежности ГТД имеет локализация обрыва лопаток в пределах корпуса. В случае недостаточной прочности корпуса двигателя оторвавшаяся лопатка может повредить самолет и вызвать катастрофу. По нормативным документам двигатели с недостаточной прочностью корпуса к эксплуатации не допускаются. Вопросами непробиваемости корпусов авиационных ГТД занимаются отечественные и иностранные организации, такие как ЦИАМ, ОАО „Кузнецов", НПО „Сатурн", Киевский политехнический институт, General Electric, Rolls-Royce и др. Диссертационная работа посвящена разработке расчетной методики моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) и термоуправляемого обрыва лопаток вращающегося рабочего колеса ГТД для проведения испытаний корпусов на непробиваемость. Данная актуальная задача требует проведения численного исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) и определения параметров подрезанного сечения лопатки, а также правильного выбора механической модели материала. При этом требуется расчет запасов прочности лопатки во всех участках подрезанного сечения. Для этой цели используется модифицированный критерий прочности, позволяющий учесть одновременное действие растяжения, изгиба и касательных напряжений.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка методики численного моделирования НДС и термоуправляемого нагружения лопатки на заданной максимальной частоте вращения ротора. При этом сложность задачи заключается в том, что при выходе на заданную частоту вращения лопатка должна обладать достаточным запасом прочности, а при ее нагреве (включении электронагревателя) указанный запас должен снижаться ниже единицы и приводить к обрыву. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи :
1. Газработка расчетной методики моделирования напряженно-
деформированного состояния ослабленной лопатки вращающегося
рабочего колеса ГТД с учетом нестационарного нагрева.
2. Газработка модифицированного критерия прочности, поз-
воляющего учесть одновременное действие растяжения, изгиба и касательных напряжений.
-
Определение параметров подрезанного сечения лопатки.
-
Численное исследование НДС лопатки при термоуправляемом обрыве.
5. Расчет запасов прочности участков подрезанного сечения
лопатки с учетом изменения температуры, действия растяжения,
изгиба и касательных напряжений.
Методы исследования основаны на использовании известных положений теории упругости, теории пластичности, сопротивления материалов, теории теплопередачи, метода конечных элементов и др.
Достоверность и обоснованность гарантируется корректным применением апробированных методов теории упругости, пластичности, прочности и теплопередачи; согласованием результатов расчетно-теоретического исследования с данными экспериментальных исследований.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
- разработана расчетная методика моделирования напряженно-
деформированного состояния и прочности ослабленной лопатки
вращающегося рабочего колеса ГТД с учетом нестационарного
нагрева при управляемом обрыве лопатки;
- разработан модифицированный критерий прочности, поз
воляющий учесть одновременное действие растяжения, изгиба и
касательных напряжений;
получены зависимости запасов прочности участков подрезанного сечения лопатки с учетом влияния касательных напряжения и изменения температуры.
получены характеристики локального напряженного состояния во всех участках подрезанного сечения лопатки.
Практическая ценность диссертационной работы заключается :
в разработке методики моделирования напряженно-деформированного состояния при обрыве лопаток вращающегося рабочего колеса ГТД в условиях теплового воздействия в программном комплексе ANSYS;
- в использовании модифицированного критерия прочности,
позволяющего учесть одновременное действие растяжения, изгиба и
касательных напряжений;
- в определении зависимостей запасов прочности участков подре
занного сечения лопатки с учетом влияния касательных напряжений
и изменения температуры;
- в рациональном выборе геометрии участков подрезанного
сечения лопатки для обеспечения гарантированного и надежного обрыва лопатки при испытаниях корпусов ГТД на непробиваемость. На защиту выносятся следующие положения:
Методика расчета НДС ослабленной лопатки вращающегося ротора при воздействии нагрева в условиях стендовых испытаний.
Критерий прочности по несущей способности, учитывающий совместное действие растяжения, изгиба и касательных напряжений.
Определение значений растягивающих усилий, изгибов и касательных напряжений в подрезанном сечении на основании расчетов в программе ANSYS.
Результаты расчетов запасов прочности сечений лопатки по предложенному критерию прочности.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы получены при ее выполнении по гранту 12-08-00332 РФФИ.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на X международной научно-технической конференции "Повышение качества, надежности и долговечности технических систем и технологических процессов"(г. Эйлат, Израиль, 2012); научной конференции "Ломоносовские чтения"(Секция механики МГУ им. М.В. Ломоносова, 2012), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Новые решения и технологии в газотурбостроении"(ЦИAM, 2010); IV международной научно-методической конференции (Гоа, Индия. 2013), II международной научно-технической конференции "Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении"(Москва, 2012); научно-технической конференции "Прочность конструкций ЛА "(ЦАГИ, 2012); Седьмом Международном Аэрокосмическом Конгрессе IAC12 (МГУ, 2012); Академических чтениях "Актуальные проблемы Российской космонавтики "(Москва, 2011); IV международной конференции "Деформация и разрушение материалов и наноматериалов" (Москва, 2012), на международных Конгрессах двигателестроителей (Рыбачье, Украина, 2011, 2012), на IV международной конференции "Проблемы динамики и прочности в турбомашиностроении"(ИПП, Киев, Украина, 2011).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 16 научных работах, из них в журналах по списку ВАК - две ([1], [2]).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы. Диссертация изложена на 98 страницах, содержит 63 иллюстраций, 14 таблиц. Библиография включает 56 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность за постоянную поддержку и содействие работе, за помощь и критические замечания во все время ее написания научному руководителю - доктору технических наук, с.н.с. Лепешкину А.Р., научному консультанту - доктору физ.-мат наук, профессору Георгиевскому Д.В. и за помощь при работе над диссертацией к.т.н. Балуеву Б.А. и к.т.н. Бычкову Н.Г.. Также автор выражает признательность д.т.н., профессору Темису Ю.М. за замечания и пожелания, которые оказали помощь при работе над диссертацией.
