Введение к работе
Актуальность темы. Для оценки несущей способности дисков компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД) проводят разгонные испытания. Анализ разгонных испытаний дисков из алюминиевых и титановых сплавов в ряде случаев показывает существенное различие расчётных и экспериментальных разрушающих частот вращения. Это связано с тем, что ранее разработанные методики не могут обеспечить высокой точности определения параметров расчётного напряжённо-деформированного состояния (НДС) дисков, что приводит к увеличению погрешности расчёта разрушающей частоты вращения диска.
Распространённым способом решения данной проблемы является использование современных программных комплексов основанных на методе конечных элементов (например, ПК ANSYS). Однако универсальность программного комплекса требует его адаптации к решению конкретной задачи.
Вместе с тем на погрешность расчёта разрушающей частоты вращения диска влияет выбор критерия сравнения параметров расчётного НДС и предельного механического состояния материала диска (критерий прочности).
Проведение экспериментальных исследований требует значительных материальных и временных затрат. Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обуславливается важностью выбора критерия прочности и необходимостью разработки эффективного расчётного метода определения разрушающей частоты вращения с помощью моделирования условий испытаний, максимально приближенных к реальным.
Цель диссертационной работы. Оценка несущей способности дисков низкотемпературной части компрессоров ГТД на основе компьютерного моделирования разгонных испытаний.
Задачи исследования. Для достижения поставленной в диссертационной работе цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучение современного состояния вопросов по методам определения
несущей способности дисков компрессоров ГТД, анализ существующих
критериев прочности, анализ известных результатов экспериментальных
исследований дисков компрессоров ГТД.
Адаптация возможностей программного комплекса ANSYS для создания достоверной модели диска в процессе разгонных испытаний на основе метода конечных элементов.
Оценка влияния различных параметров модели диска на точность расчёта несущей способности дисков компрессоров ГТД.
Разработка метода определения разрушающей частоты вращения дисков на основе оптимизации компьютерного моделирования разгонных испытаний и апробация на современных дисках ГТД.
Метод исследования. При аналитическом исследовании использована теория предельного равновесия, методы математического анализа и математической статистики и квазистатистики, численного решения задач определения напряжённо-деформированного состояния вращающихся дисков с использованием прикладных программ, основанных на методе интегральных уравнений и методе конечных элементов.
Достоверность полученных результатов работы обеспечивается обоснованностью исходных положений, применением сертифицированного программного комплекса, удовлетворительной сходимостью результатов расчета с известными результатами экспериментов.
Научная новизна работы заключается в разработке новых положений расчётной оценки несущей способности дисков компрессоров ГТД, позволяющих повысить эффективность проектирования новых образцов газотурбинной техники:
1. Предложен метод компьютерного моделирования разгонных
испытаний дисков компрессоров ГТД базирующийся на исследовании
напряжённо-деформированного состояния дисков в наиболее опасных точках.
2. Предложен эффективный деформационный критерий оценки несущей
способности дисков компрессоров ГТД.
3. Разработана методика и критерий оценки предельной частоты
вращения дисков компрессора, предшествующей разрушению.
Практическая ценность заключается в разработке методики компьютерного моделирования разгонных испытаний, основанной на применении деформационных критериев прочности в качестве параметров сравнения максимального расчётного НДС и предельного механического состояния материала диска. Методика позволяет существенно повысить точность определения несущей способности дисков компрессоров ГТД, автоматизировать процесс выполнения расчетов и минимизировать объём экспериментальных работ. Методика может быть использована для расчёта несущей способности высокооборотных дисков в других областях промышленности.
Реализация результатов. Методика изложена в учебном пособии «Статическая прочность дисков ротора ГТД на основе математического моделирования их объёмного НДС» и используется в учебном процессе РГАТУ имени П.А. Соловьёва.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции молодых учёных и специалистов «Проблемы создания перспективных авиационных двигателей» (Москва, ЦИАМ, сентябрь 2005 г.), на III научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, МАИ, ноябрь 2005 г.), на
международной школе-конференции молодых учёных и специалистов «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» (Рыбинск, ноябрь 2006 г.), на VII всероссийской конференции молодых учёных «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, ИТПМ, май 2009 г.), на международной технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, июнь 2009 г.), на XIV международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, ПГУ, декабрь 2010).
Полностью работа докладывалась на заседаниях кафедры «Теоретическая механика и сопротивление материалов» РГАТУ имени П.А. Соловьёва.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 8 статей, из них 3 статьи опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК РФ, одно Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 3 тезиса докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения с общими выводами, изложенных на 145 листах машинописного текста и списка использованных источников из 107 наименований.
