Научный отчет № 5320

Название: Анализ пробиваемости и оптимизация конструкции корпусов компрессора при различных сценариях обрыва лопатки. Прогнозирование динамического поведения ротора при обрыве лопатки компрессора.
Авторы: Моссаковский П.А., Костырева Л.А., Инюхин А.В., Пыхалов А.А., Колотников М.Е.
Аннотация: В работе представлена разработанная расчетная методика и проведено исследование с ее использованием по оценке непробиваемости корпуса компрессора ГТД при обрыве лопатки на контрольном примере (верификационный натурный эксперимент по управляемому обрыву по корневому сечению рабочей лопатки 1 ступени КНД изделия 39 серии 3 семейства АЛ-31ФН на экспериментальном стенде ЦИАМ). Рассмотренный подход к оценке непробиваемости разработан в развитие существующих излишне консервативных полуэмпирических расчетных методик и представляет собой итерационную комбинированную экспериментально-вычислительную процедуру, использующую прямое компьютерное моделирование в сочетании с системой специальных натурных и виртуальных тестов для верификации расчетной математической модели. Реализация методики включала проведение и анализ результатов статических и динамических верификационных (натурных и виртуальных) экспериментов, проводимых для изучения механических свойств, идентификации параметров математических моделей материалов исследуемого изделия, включая критерии разрушения, и закона трения на контактных границах. Статические эксперименты включали тесты на одноосное растяжение вплоть до разрушения. Динамические верификационные испытания включали эксперименты по методу Кольского (одноосные сжатие и растяжение) при скоростях деформаций порядка 10³c-¹ в диапазоне изменения температур 20 – 300⁰С и баллистические ударные тесты по пробиванию пластин различной толщины из испытуемого материала твердым стальным ударником. В рамках методики также была поведена оптимизация геометрической и расчетной КЭ модели изделия. Сравнение характера и степени повреждений изделия и виртуальной модели в натурном эксперименте и расчете соответственно показали их хорошее согласование. В работе также представлена разработанная расчетная методика и проведен анализ роторной динамики с ее использованием (на том же контрольном примере) на различных режимах эксплуатации роторной системы (при раскрутке ротора, штатных режимах, вследствие дисбаланса, вызванного обрывом лопатки, и в условиях авторотации). Использованная в методике математическая модель основана на КЭ реализации динамических уравнений движения упругой системы под действием внешних изменяющихся во времени сил. Отличительной особенностью предложенного подхода является применение на каждом шаге интегрирования по времени решения контактной задачи, реализующей возможность учета контактного взаимодействия между деталями роторной системы. С этой целью специально разработан новый контактный конечный элемент – элемент сопряжения конструкций. Для всех рассмотренных режимов определены критические амплитуды и частоты роторной системы, построены АЧХ, определено НДС в валах, вычислены динамические нагрузки на опорах валов, дана оценка их долговечности. Показано значительное влияние типа контактного взаимодействия на частотный отклик роторной системы (жесткая связь, пружинный контакт, сухое трение). В отчет включены подготовленные учебно-методические материалы по использованию представленных расчетных методик.
Год публикации: 2016 г.
Объём: 175 с.
Научный руководитель: Моссаковский П.А.