Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Качество и конкурентоспособность газотурбинных двигателей характеризуется многими параметрами, основными из которых являются рентабельность эксплуатации и надёжность.
Проблема рентабельности эксплуатации решается за счёт повышения топливной экономичности и ресурса двигателя. Повышение топливной экономичности, как правило, осуществляется за счёт повышения параметров рабочего цикла и приводит к повышению температур и нагрузок в основных деталях двигателя. Увеличение ресурса обуславливает повышение циклической нагру-женности деталей двигателя, связанной с запусками, остановами и изменениями режимов работы в процессе полета. С увеличением ресурсов и параметров рабочего цикла газотурбинных двигателей (ГТД) всё большее значение в обеспечение надёжности приобретают вопросы малоцикловой долговечности основных деталей двигателя, в том числе деталей роторов. Согласно второй стратегии управления ресурсом эксплуатация двигателя производится по техническому состоянию без фиксированного назначенного ресурса двигателя до выработки назначенного ресурса любой из основных деталей. Последняя редакция «Норм прочности ГТД» требует оценку запасов по малоцикловой долговечности проводить с учётом реального профиля полёта и реальных эксплуатационных нагрузок. Таким образом, решение задачи создания экономичных ГТД больших ресурсов, имеющих высокую надежность и безотказность в работе, требует повышения качества проектирования основных деталей двигателей и более полного учёта условий эксплуатации двигателей.
В связи с этим особую актуальность, научное и прикладное значение приобретает разработка методики и алгоритмов оптимального проектирования основных деталей роторов ГТД с применением уточнённых методик оценки исчерпания малоцикловой долговечности деталей ГТД, учитывающих особенности эксплуатационного цикла нагружения.
Целью диссертационной работы является совершенствование процесса проектирования основных деталей роторов ГТД с учётом ожидаемых условий эксплуатации двигателей. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи.
1) Разработать методику многокритериального оптимального проектирования основных деталей роторов ГТД, включающую в себя:
формирование типового полетного цикла двигателя;
построение двумерных конечноэлементных моделей основных деталей роторов и роторов в целом;
определение нестационарного осесимметричного температурного состояния основных деталей роторов ГТД в типовом полётном цикле;
определение изменения осесимметричного напряжённо-деформированного состояния основных деталей роторов ГТД в типовом полётном цикле;
',НАЦИОНАЛЬНАЯ ( БИБЛИОТЕКА j
определение циклов нагружения основньж деталей роторов ГТД в типовом полётном цикле;
определение циклической долговечности основньж деталей роторов ГТД с помощью модифицированного автором уравнения Мэнсона (уравнения универсальньж показателей степени);
оптимизацию основньж деталей роторов ГТД с целью повышения их циклической долговечности.
Разработать программное обеспечение, реализующее методику многокритериального оптимального проектирования основньж деталей роторов ГТД.
Исследовать с помощью разработанного программного обеспечения основные детали роторов ГТД.
Методика выполнения исследований. Типовой полётный цикл (ТПЦ) формировался по данным технического задания на разработку двигателя и уточнялся по результатам эксплуатации двигателей. Тепловое состояние деталей роторов в полетном цикле определялось решением для ротора нестационарной задачи теплопроводности методом конечньж элементов в осесиммет-ричной постановке. Расчёт напряжённо-деформированного состояния деталей роторов по полетному циклу выполнялся методом конечньж элементов в осе-симметричной постановке решением в перемещениях упругой и упругопла-стических задач для всего ротора. Циклы нагружения деталей роторов определялись методом падающего дождя. Циклическая долговечность деталей роторов определялась по модифицированному эмпирическому уравнению Мэнсона, учитывающему размах деформаций, среднее напряжение, среднюю пластическую деформацию и свойства материала в цикле нагружения. Задача оптимизации основньж деталей ГТД при их проектировании решалась методом ЛП-поиска.
Научная новизна работы заключается в следующем:
задача проектирования основньж деталей ГТД сформулирована как задача многокритериальной оптимизации с использованием критериев массы, прочности, циклической долговечности и геометрии проектируемых деталей;
выполнено решение задачи прогнозирования циклического ресурса основньж деталей роторов ГТД с учетом ожидаемых условий эксплуатации, нестационарного теплового состояния и истории нагружения деталей роторов в полетном цикле;
уточнены используемые применительно к основным деталям роторов модели циклической долговечности;
выявлены определяемые условиями эксплуатации факторы нагружения основньж деталей роторов ГТД, наиболее существенные с точки зрения их циклического ресурса;
сформулированы рекомендации по конструктивным мероприятиям с целью повышения циклического ресурса основньж деталей роторов ГТД.
Практическая ценность работы состоит в разработке методик, алгоритмов и программ, позволяющих:
повысить качество проектирования основных деталей роторов ГГД;
сократить объем дорогостоящих экспериментальных исследований на этапе проектирования двигателей;
сократить сроки доводки при обеспечении необходимых прочностных и ресурсных характеристик основных деталей роторов;
обосновать конструктивные мероприятия по повышению циклического ресурса основных деталей роторов ГГД.
Внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО "Авиадвигатель", г. Пермь.
Достоверность результатов и выводов подтверждается значительным количеством тестовых расчётов, в которых полученные методом конечных элементов результаты хорошо согласуются с аналитическими решениями и экспериментальными данными, полученными другими авторами; результатами экспериментальных работ по обоснованию ресурса основных деталей роторов на установках испытания роторов (УИР).
Апробация работы. Основные положения разработанной методики и полученные в диссертационной работе результаты представлялись на научно-технических конференциях в ЦИАМ (г.Москва), ПГГУ (г.Пермь), ОАО "Авиадвигатель" (г. Пермь).
На зашиту автором выносятся математические модели, методики, алгоритмы, программы, результаты исследований и оптимизации прочностных и ресурсных характеристик основных деталей роторов ГГД.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано ГО печатных работ. Дополнительные сведения представлены в отчетах по опытно-конструкторским работам.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего Г25 наименований, и приложения. Работа содержит Г46 страниц машинописного текста, ГОГ рисунок и 4 таблицы.
