Введение к работе
Актуальность. Практика доводки ГТД показывает, что одним из наиболее эффективных путей обеспечения динамической прочности и уменьшения влияния вибрации на повторно-статическую прочность рабочих колес является формирование у них строго определенных динамических свойств, при наличии которых резонансы с наиболее опасными гармониками (2...3) были бы невозможны, а с остальными-могли происходить только на заданных проходных режимах работы двигателя. Для сокращения или полного исключения материальных затрат, связанных с коррекцией выполненных в металле конструкций, такое формирование должно начинаться на этапе проектирования и завершаться для выявленных и представляющих опасность резонансов на этапе доводки двигателя. Как известно, реальные рабочие колеса всегда отличаются от идеальных, соответствующих номинальным чертежным размерам. Это вносит большую специфику в их динамическое поведение: появляется разброс резонансных напряжений, достигающий трехкратной величины, расширяется диапазон резонансных колебаний, который в дополнение ко всему может иметь значительное смещение от резонансной частоты колебаний идеализированной модели колеса. Данное обстоятельство вынуждает для повышения точности вычислений применять на этапе доводки расчетные методы, которые позволяют учесть реальные динамические характеристики конструкций. Разработка таких методов с целью повышения с их помощью надежности рабочих колес и эффективности вибрационной доводки авиационных двигателей представляет собой важную народохозяйственную задачу. Целью настоящей работы являются:
1. Выработка обобщенного подхода к расчету колебаний рабочих колес ГТД, в основе которого лежит:
построение расчетно-экспериментальной модели рабочего колеса, позволяющий учесть его реальные динамические характеристики после изготовления;
сочетание микромоделей, обеспечивающих высокий уровень детализации конструкций, с дискретным макромоделированием составных кольцевых элементов, дающим возможность наиболее естественным способом учесть свойства собственных движений систем, обладающих поворотной симметрией, и позволяющим существенно снизить порядок разрешающей системы уравнений;
единая концепция представления динамических характеристик под-конструкций рабочих колес вне зависимости от методов их определения и типов используемых моделей.
-
Повышение надежности рабочих колес ГТД, сокращение времени и материальных затрат на их доводку за счет разработки достоверных макромоделей и метода расчета колебаний и выполнения с нх помощью на различных этапах создания двигателя оптимизации конструкций колес по динамическим свойствам;
-
Выявление закономерностей в изменении динамических свойств реальных рабочих колес при уменьшении связанности колебаний лопаток. Метода исследований. Работа базируется на использовании математической н прикладной теорий упругости, фундаментальных свойств систем, обладающих поворотной симметрией, аппарата линейной алгебры,численных методов алгебры и решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования проводились на стендовом оборудовании отраслевой научно-исследовательской лаборатории №1 СГАУ и Самарского научно-технического комплекса (СНТК) им. Н.Д.Кузнецова. Экспериментальные данные обрабатывались с применением современной вычислительной техники. Научную новизну работы составляют :
обобщенный подход к расчету колебаний рабочих колес ГТД, осно-ванный на естественном сочетании волнового дискретного макромоделирования с микромоделированием конечных элементов и учет реальных динамических характеристик конструкций;
модифицированный метод волновых динамических жестхостей, бази рующийся на использовании дискретных волновых макромоделей по; конструкций и учитывающий реальные свойства рабочих колес, коте рыни те обладают после изготовления;
метод определения матриц волновых статических жесткостей и обо( щенных масс суперэлементов,связанный счисленным решением ди$ ференциальных и интегральных уравнений колебаний;
модель учета влияния поля центробежных сил и неравномерного п радиусу нагрева на колебания дисков и осесимметричных оболочеі
динамическая модель конической оболочки,учитывающая деформг мации сдвига от поперечных сил, влияние поля статических напр жений и возможность появления окружных сдвигов между волнаь усилий и перемещений;
динамическая модель диска, построенная на основе использовани: аналитического решения стационарной динамической задачи теорі упругости для цилиндра;
метод расчета резонансных частот вращения рабочих колес ГТД
динамическая модель кольцевого пояса связи, построенная с использованием МКЭ и позволяющая учитывать любой тип относи тельных проскальзываний в контактных стыках образующих его г
тнвнбрацноиных или бандажных полок;
- разработанные алгоритмы сопряжения суперэлементов, динамичес
кие свойства которых определены с использованием различных рас
четных моделей;
выявленные закономерности деформирования спектра собственных частот и характера искажения собственных форм рабочих колес при уменьшении связанности колебаний лопаток;
- вскрытый механизм формирования разброса резонансных напряже
ний в рабочих колесах со слабой связанностью колебаний лопаток.
Практическая иенпость. Разработанные модели и методы расчета, реализованные в виде комплекса вычислительных программ, позволяют формировать у рабочих колес заданные вибрационные свойствами. Это дает возможность повысить их надежность, увеличить долговечность, сократить затраты и время на доводку. Выявленные закономерности динамики рабочих колес со слабой связанностью колебаний лопаток позволяют давать качественное толкование резз'льтатам расчетных и экспериментальных исследований.
Созданные методы и модели расчета колебаний рабочих колес внедрены на ряде предприятий авиационной промышленности и используются при проектировании и доводке двигателей.В частности,с помощью них были успешно скорректированы на этапе доводки динамические свойства вентилятора изделия "Р", они применялись при проектировании рабочих колес компрессоров и турбин изделий "Д","ДА","ДМ","М", "НК-93" и других на предприятии СНТК им.Н.Д.Кузнецова. Апробация работы. Основные результаты работы доложены на VIII, X, XI и XII Всесоюзных конференциях по аэроупругости турбомашин ИПП АН УССР (Киев, 1981, 1987 г.г., Суздаль, 1985 г., Рига, 1989 г.), на VI и XI Всесоюзных конференциях по конструкционной прочности двигателей (Куйбышев, 1979, 1988 г.г.), на Всесоюзной конференции по компрессоростроению (Ленинград, 1981 г.), на Всесоюзной конференции по вибрационной прочности и надежности авиационных двигателей (Куйбышев, 1981 г.), на II Всесоюзной конференции по современным проблемам двигателей и энергетических установок летательных аппаратов (Москва, 1981 г.), на Всесоюзной конференции по вибрационной технике (Тбилиси, 1991 г.), на XXV Международном совещании по проблемам прочности двигателей (Москва, 1994 г.), на научно-техническом семинаре ЦИАМ "Проблемы динамики и прочности в авиадвигателестроении" (Москва, 1983 г.), на НТС кафедры ''Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов", на XXVI Международном научно-техническом совещании по динамике и прочности двигателей (Самара, 1996 г.).
Публикации по теме диссертации. Основные результаты работы освещены в 33 публикациях, из которых одна является депонированной монографией /15/, а пятнадцать- статьями, опубликованными в центральных и республиканских изданиях. Кроме того, предложенные конструктивные решения защищены 6 авторскими свидетельствами на изобретение. Личное участие автора. Автору принадлежит выбор направления исследований, их проведение и обобщение полученных результатов. Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, состоит в непосредственном его участии в них на всех стадиях: от общей постановки до выполнения исследований и внедрения полученных результатов. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и общих выводов по результатам исследований. Она изложена на 384 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 29 таблиц и 198 наименований в списке используемых литературных источников.
