Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2014

3. Дружинин Л.Н., Швец Л.И., Лагшин А.И. Математическое моделирование ГТД на современных ЭВМ при исследовании параметров и характеристик авиационных двигателей // Труды ЦИАМ. – 1979. – № 832. – М., 1979 – 45 с.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ И ДЕМПФЕРА СУХОГО ТРЕНИЯ

Н.А. Саженков, И.П. Конев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: sazhenkov_na@mail.ru, kaf-ad@cpl.pstu.ac.ru

Представлена экспериментальная и расчетная методики оценки эффективности межлопаточных демпферов сухого трения в процессе свободных затухающих колебаний. В качестве объекта экспериментального исследования использовались модельные рабочие лопатки турбины с межлопаточными фрикционным полуцилиндрическим демпфером. Получены экспериментальные данные о модальных характеристиках системы «блок лопаток–демпфер» и временные зависимости амплитуд свободных затухающих колебаний, при различных моделируемых уровнях центробежной нагрузки, действующей на демпфер, в диапазоне 0–149 Н.

Расчетным методом выявлены основные закономерности взаимодействия модельной лопатки и демпфера, в том числе поведение исследуемой системы при неполном контакте и проскальзывании пар сухого трения.

Цель исследования состояла в разработке экспериментальной методики, позволяющей в лабораторных условиях получать данные для верификации математических моделей и проводить оценку эффективности демпфирования натурных и модельных рабочих лопаток турбины демпферами различной конструкции. А кроме того, выявить основные закономерности взаимодействия системы колеблющихся турбинных лопаток и демпферов сухого трения.

141

В качестве объекта исследования были выбраны блок из двух лопаток-имитаторов (каждая выполнена заодно с кубическим основанием, играющим роль дисковой части) и полуцилиндрический демпфер (рис. 1, а).

Рис. 1. Объектисследования(а), экспериментальная установка для определения модальных характеристик объекта исследования (б)

Проведен экспериментальный модальный анализ с помощью системы трехкомпонентной лазерной виброметрии (рис. 1, б) [1]. Определены две первых изгибных (синфазная и асинфазная) формы колебаний модельных лопаток и соответствующие им собственные частоты (рис. 2, а, б).

аб

Рис. 2. Синфазная (разница фаз π) (а) и асинфазная (разница фаз 0) (б) формы колебаний блока модельных лопаток

142

На следующем этапе работы исследовано влияние эффективности демпфирования лопаток, колеблющихся с разницей фаз 0 С и 180 С по первой изгибной форме колебаний. Общий вид лабораторной установки представлен на рис. 3 а, б. Исследование эффективности проводилось при помощи анализа сигналов затухающих колебаний системы «лопатки – демпфер» при различных уровнях моделируемой центробежной нагрузки (рис. 4). Получены значения логарифмических декрементов затухания δ, %, для всех вариантов моделируемой центробежной нагрузки.

аб

Рис. 3. Определение эффективности демпфирования при свободных затухающих колебаниях блока модельных лопаток:

а – объект исследования; б – экспериментальная установка

Рис. 4. Экспериментальнополученныйоткликнаударноевозбуждениеобъекта

143

На этапе расчетного исследования проводилась отработка методики математического моделирования затухающих колебаний лопатки и демпфера сухого трения.

Разработанная в среде LS DYNA расчетная методика системно включает: конечно-элементную модель лопатки-имитатора, состоящую из 4084 8-узловых призматических 2 2 2 мм элементов первого порядка аппроксимации SOLID 185; конечно-элементную модель демпфера из 126 8-узловых призматических 2 0,5 2 мм элементов первого порядка аппроксимации SOLID 185; характеристики материалов: ρ = 8724 кг/м3, модуль упругости E = 2,1·1011 Па; демпфирование в материале не учитывается; трение учитывается по модели Кулона (Coulomb) с динамическим коэффициентом трения; решение производится в 3-D нестационарной постановке с явным интегрированием по времени. Проведено расчетное исследование влияния амплитуды возбуждающегоимпульсноговоздействиянаэффективностьдемпфирования.

По результатам математического моделирования нестационарного взаимодействия лопатки-имитатора и демпфера получены зависимости перемещений лопатки и изменения энергетических характеристик от времени. Результаты математического моделирования, изображенные на рис. 5, качественно согласуются с экспериментальными данными и теоретическими представлениями [2, 3].

а

Рис. 5. Зависимостиперемещенийиэнергетических характеристиксистемы «лопатка– демпфер» отвремени, полученныерасчетным методом:

а– перемещенияточкинаторце лопатки-имитатора(см. с. 145)

144

б

Рис. 5. Окончание. Зависимости перемещений и энергетических характеристик системы «лопатка – демпфер» от времени, полученные расчетным методом: б – А – кинетическая энергия; В – внутренняя энергия; С – полная энергия; D – энергия сил трения

Список литературы

1.Иноземцев А.А., Нихамкин М.Ш., Саженков Н.А. Экспериментальная оценка эффективности демпфирования лопаток турбомашин // Тяжелое машиностроение. – 2014. – № 2–3. – С. 24.

2.Wu J. Yuan R., Zhao, P., Xie Y. Experimental study of dynamic characteristics of dry friction damping of turbine blade steel // Applied Mechanics and Materials. – 2013. – No. 316. – P. 268–272.

3.Firrone C.M., Botto D., Gola M.M. Modeling a friction damper Analysis of The Experimental Data And Comparison With Numerical results // Proceedings of ESDS. – 2006, July 4-7. – Torino, Italy, 2006.

145

УСТАЛОСТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СТЕКЛОТЕКСТОЛИТА ВПС-48/7781

Н.А. Саженков, Д.А. Самодуров

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: sazhenkov_na@mail.ru, samodurovdanil@gmail.com

Разработана методика проведения усталостных испытаний образцов из стеклотекстолита с помощью резонансного высокочастотного пульсатора. Проведены испытания образцов из стеклотекстолита ВПС-48/7781, изготовленных с различным давлением формования. В процессе испытаний регистрировались значения прилагаемой статической и динамической нагрузки, частота нагружения.

Получены пределы выносливости и построены кривые усталости. Проведен анализ полученных результатов, приведены рекомендации для последующих испытаний.

Объектом исследования является однонаправленный текстолит ВПС-48/7781, планируемый к применению при изготовлении корпусных деталей двигателя ПД-14, изготовленный при трех уровнях давления формования: 5 атм, 3 атм и давлении, близком к вакууму.

На рис. 1 представлены геометрические параметры испытываемых образцов, рекомендуемые стандартом ASTM D 34791 [1]. Образцы имеют накладки толщиной 1,5 мм и длиной 56 мм для крепления образцов в захватах. Толщина монослоя материала образцов около 0,13–0,15 мм. Толщина образца около 2,2 мм.

1 Международный стандарт ASTM D 3479. Стандартный метод испытания для напряжения при усталости полимерных матриксных компо-

зитных материалов. ASTM International, West Conshohocken, PA, 194282959. USA, 2012.

146

Рис. 1. Геометрические размеры испытываемого образца: 1 – полимерный композит; 2 – накладка

Усталостные испытания стандартных образцов из полимерного композиционного материала ВПС-48/7781 проводились на испытательной машине электрорезонансного типа – высокочастотном пульсаторе ZwickHFP 5100 с максимально допустимой рабочей нагрузкой 200 кН (Руководство по эксплуатации машины для ис-

пытаний BRA350008014. Zwick/Roell, рег. 2, с. 11–21).

При установке образца в захваты испытательной установки принимается, что рассогласование в соосности захватов минимально и при затяжке образца в зажимных губках осевая линия образца лежит в одной плоскости с линией зацепления. Для точной установки образца, при которой происходит полное центрирование осевой линии образца и линии зацепления, используются специально разработанные центрирующие вкладыши.

Управление машиной, хранение и обработка данных, полученных в процессе испытания, формирование протоколов испытания и построение зависимостей напряжений, частот и усилий, действующих на образец, от времени и числа циклов нагружения осуществляется посредством программного обеспечения TestXpert 2.0.

В первой серии испытаний строилась кривая усталости, и определялся предел выносливости для образцов, формовавшихся при давлении, близком к вакууму, полученные кривые усталости приведены на рис. 2.

147

а

б

Рис. 2. Кривые усталости для образцов первой группы: a – в координатах a – N; б – в координатах max –N

Во второй серии испытаний строилась кривая усталости, и определялся предел выносливости для образцов, формовавшихся при давлении 3 атм, полученные кривые усталости приведены на рис. 3.

В результате испытаний на усталостную прочность стеклотекстолита ВПС-48/7781 с давлением формования в 5 атм, 3 атм и давлении, близком к вакууму, были получены пределы выносливости, которые составляют a = 57,2 МПа и max = 111 МПА для образцов

с вакуумной формовкой и a = 58,6 МПа и max = 130 МПа для образцов с формовкой в 3 атм. Образцы с формовкой в 5 атм испыта-

ниям не подвергались ввиду неспособности испытательной машины вывести эти образцы на рабочую частоту.

В ходе испытаний практически все образцы подвергались колебаниям в плоскости, перпендикулярной плоскости нагружения. Характерной областью поломки для всех разрушившихся образцов являются места крепления накладок, что могло стать следствием высоких локальных напряжений по причине поперечных колебаний, а не результатом воздействия продольной растягивающейсжимающей силы.

148

а

б

Рис. 3. Кривые усталости для образцов второй группы: a – в координатах a – N; б – в координатах max –N

Разработаны следующие рекомендации для доработки методики проведения усталостных испытаний плоских образцов из полимерных композиционных материалов:

применение приспособления для фиксации образца от колебаний в поперечной плоскости;

выявление допустимого диапазона параметров испытаний (коэффициента асимметрии, величины динамической и статической силы и т.д.);

изменение геометрических параметров полимерных композиционныхобразцов в сторону увеличения их поперечной жесткости.

149

РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАКОНА ЗАКРУТКИ И ТАНГЕНЦИАЛЬНОГО НАВАЛА ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ ЛОПАТОЧНОГО АППАРАТА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

В.А. Седунин, В.Л. Блинов, С.А. Серков

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия

Представлены результаты численного исследования влияния изменения закона закрутки и тангенциального навала при оптимизации проточной части двухступенчатого осевого компрессора. Показано, что за счет введения тангенциального навала и изменения закона закрутки возможно улучшение характера течения рабочего тела в компрессоре за счет выравнивания поля скоростей по высоте пера каждой лопатки и увеличение КПД.

В современном турбостроении окончательная доводка проточной части осевого компрессора (ОК) осуществляется путем трехмерной многокритериальной оптимизации лопаточного аппарата. Введение навала пера лопатки позволяет улучшить структуру течения в концевых областях, перераспределить нагрузку вдоль пера лопатки

исделать поток равномерным по высоте межлопаточного канала[1].

Вданной работе представлен пример одного из способов повышения эффективности компрессора – путем изменения тангенциального навала, закона закрутки и распределения работы по ступеням компрессора. Введение навала пера лопатки позволяет улучшить структуру течения в концевых областях, снизить интенсивность вихря перетекания в зазоре, сократить угол отставания на выходе из решетки, перераспределить нагрузку вдоль пера лопатки

исделать поток равномерным по высоте межлопаточного канала, что при 2D-проектировании сделать невозможно [2].

Вкачестве объекта исследования был выбран двухступенчатый осевой компрессор с входным направляющим аппаратом. Проектирование и построение геометрии пера лопатки осуществлялось с помощью специально написанного программного кода. Согласно [3] произ-

150