Название статьи:
Математическое моделирование влияния аэродинамической нагрузки на прочностные характеристики лопаток турбомашин
Авторы: Репецкий О.В., доктор технических наук, профессор, проректор по международным связям, Иркутский государственный аграрный университет имени А.А. Ежевского,
repetckii@igsha.ru,
Мань Н.В., аспирант, кафедра электрооборудования и физики, Иркутский государственный аграрный университет имени А.А. Ежевского,
manhzhucov@gmail.com В рубрике:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Год: 2023 Том: 5 Номер журнала: 3
Страницы: 275-287
Тип статьи: Научная статья
УДК: 519-7
DOI: 10.17150/2713-1734.2023.5(3).275-287
Аннотация:
Рабочие лопатки турбомашины постоянно подвергаются периодическим во времени нагрузкам, например, за счет нестационарного взаимодействия потока последовательных рядов лопаток статора и ротора. В лопатках турбин избежать резонанса практически невозможно, так как полоса частот силового возбуждения и собственные частоты диска-лопатки являются широкополосными диапазонами и диапазонами перекрытия. Анализ вынужденных колебаний лопаточного венца является важной частью проектирования газотурбинных двигателей. Для анализа усталости и прогнозирования срока службы лопатки турбомашины требуется история напряженной нагрузки на лопатку. Однако лопатка, предназначенная для безопасной работы при определенных постоянных скоростях вращения ротора, может подвергаться разрушительным нагрузкам во время пуска и остановки. Во время таких операций лопатка испытывает кратковременные резонансные напряжения при прохождении критического значения, которое может находиться в диапазоне скоростей, через который ускоряется ротор. Усталость из-за этих переходных воздействий может накапливаться и приводить к отказу. В этой связи разработка математических моделей аэродинамических нагрузок и применение их для решения задач обеспечения вибрационной надежности лопаточного аппарата, является актуальной задачей. В данной работе представлена методика оценки аэродинамических нагрузок и усталостных повреждений при работе с переменной скоростью. Переходные резонансные напряжения для лопатки были определены с помощью численной процедуры. Описана процедура оценки усталостных повреждений. Поверхность усталостного разрушения формируется на осях S-N-средних напряжений, и для оценки накопления усталости используется правило Goodman.
Ключевые слова: академическое рабочее колесо, долговечность, математические модели, аэродинамическая нагрузка, резонанс
Список цитируемой литературы: - Vyas N.S. Fatigue Life Estimation Procedure for a Turbine Blade Under Transient Loads / N.S Vyas, J.S Rao // Journal of engineering and gas turbines power. - 1994. - Vol. 116. - P. 199-206.
- Репецкий О.В. Компьютерный анализ динамики и прочности турбомашин / О.В. Репецкий. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. - 301 c.
- Паровые и газовые турбины для электростанций / А.Г. Костюк, В.В. Фролов, А.Е. Булкин, А.Д. Трухний. - Москва : Издательский дом МЭИ, 2016. - С. 557.
- Dirk W. Comparison of Transient Blade Row Methods for the CFD Analysis of a High-Pressure Turbine / W. Dirk, M. Derek, M. Ronald // Proceedings of ASME. - 2014. - Vol. 2D. - P. 11.
- Vyas N.S. Transient Stress Response of a Turbine Blade Under Non-Linear Damping Effects / N.S. Vyas, J.S. Rao // Gas turbine and aeroengine congress and exposition. - 1990. - Vol. 5. - P. 1-7.
- Stuart C. A Comparison of Advanced Numerical Techniques to Model Transient Flow in Turbomachinery Blade Rows / C. Stuart, B. Mark, Z. Laith // ASME Turbo Expo 2011 : Turbine Technical Conference and Exposition. - 2011. - Vol. 7. - P. 1241-1250.
- Dirk W. Сomparison of Transient Blade Row Methods for the CDF Analysis of a High-Pressure Turbine / W. Dirk, M. Derek, M. Ronald // Proceedings of ASME Turbo Expo 2014 : Turbine Technical Conference and Exposition GT2014, Düsseldor, 16 June 2014. - Düsseldor, 2014. - P. 1-11.
- Life Calculation of First Stage Compressor Blade of a Trainer Aircraft / J.S. Rao, N. Rangarajan, R. Ratnakar, R. Rzadkowski // ASME Turbo Expo 2012 : Turbine Technical Conference and Exposition, Copenhagen, 11 June 2012. - Copenhagen, 2012. - P. 1-8.
- Aravin D. A Comparative Study of Transient Blade Row and Blade Count Scaling Approaches for Numerical Forced Response Analysis in a Transonic Turbine. / D. Aravin, V. Klemens, F. Magnus // Proceedings of 12th European turbomachinery conference, Stockholm 3 April 2017. - Stockholm, 2017. - P. 1-11.
- Winhart B. Application of the Time Transformation Method for a Detailed Analysis of Multistage Blade Row Interactions in a Shrouded Turbine / B. Winhart, D. Micallef, D. Engelmann // Proceedings of 12th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics ETC12, Stockholm 3 April 2017. - Stockholm, 2017. - P. 1-12.
- Experimental and Computational Analysis of a Multistage Axial Compressor Including Stall Prediction by Steady and Transient CFD Methods / C. Cornelius, T. Biesinger, P. Galpin, A. Braune // Journal of Turbomachinery. - 2013. - Vol. 136, No. 6. - P. 1-12.
- Репецкий О.В. Численный анализ прочностных характеристик машиностроительных конструкций с расстройкой параметров / О.В. Репецкий, В.В. Нгуен. - EDN CCKPCU // Вестник НГИЭИ, 2019. - № 7. - С. 27-38.
- Репецкий О.В. Применение методов моделирования аэродинамических сил на рабочих лопатках турбомашин // О.В. Репецкий, В.М. Нгуен. - EDN WJAOAP // Актуальные вопросы аграрной науки. - 2022. - № 43. - C. 60-68.
- Repetskiy O.V. Modeling and Simulation of Dynamic Processes With the Help of Program Package BLADIS+ / O. Repetskiy, I. Ryjikov. - DOI 10.1007/978-1-4020-8735-6_41. - EDN RHOYCP // Innovations and advanced techniques in systems, Computing sciences and software engineering : Collected Papers. - Bridgeport, 2008. - P. 219-220.
- Sato W. A Study of Aerodynamic Excitation Forces on a Radial Turbine Blade Due to Rotor-Stator Interaction / W. Sato, A. Yamagata, H. Hattori // IHI engineer review. - 2017. - Vol. 50, No. 2. - P. 42-48.
- Ubulom I. Influence of Fluid-Structure Interaction Modelling on the Stress and Fatigue Life Evaluation of a Gas Turbine Blade / I. Ubulom // Proceedings of the institution of mechanical engineers, part a: journal of power and energy. - 2021. - Vol. 235. - P. 1019-1038.
- Кузьминов А.В. Метод расчета турбулентных течений несжимаемой жидкости на основе двухслойной (k − ε)-модели / А.В. Кузьминов, В.Н. Лапин, С.Г. Черный. - EDN KZBMDD // Вычислительные технологии, 2001. - Т. 6, № 5. - С. 73-86.