книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 4 Динамика и прочность авиационных двигателей и энергетических установок

Рис. 6.15. Усиление внутреннего корпуса камеры сгорания

ребрами жесткости (шпангоутами)

ми деталями, учета совместного действия нагру­ зок проводят уточненный расчет устойчивости ме­ тодом конечных элементов.

Если оказывается, что устойчивость оболочки недостаточна, ее подкрепляют силовыми элемен­ тами: кольцевыми (шпангоутами) и продольными (стрингерами). В случае, если сжимающее напря­ жение, которое может вызвать потерю устойчиво­ сти, окружное - необходимы шпангоуты, если осе­ вое - стрингеры.

При действии на оболочку внешнего давления, например, ее усиливают шпангоутами (см. рис. 6.15). Критическое давление для такой усиленной обо­ лочки повышается по сравнению с (6.15) до вели­ чины [3]:

3/4

r K t f . + i )

( 6.21)

U ( l - v 2)

где Nm- число шпангоутов;

/ш - момент инерции поперечного сечения шпангоута.

В этом случае в дополнение к проверке общей устойчивости необходимо проверять оболочку на местную устойчивость. При этом рассматривается не вся оболочка, а ее участки между шпангоутами, критическое давление определяется соотношением (6.13). Количество и расположение шпангоутов под­ бирают таким образом, чтобы коэффициенты запа­ са по общей и местной устойчивости были близки­ ми и удовлетворяли требованиям нормативов.

Некоторые особенности имеет расчет на устой­ чивость жаровых труб камер сгорания ГТД. Они представляют собой оболочки сложной формы с многочисленными отверстиями для подвода вто­ ричного воздуха и охлаждения. Давление внутри жаровой трубы всегда несколько ниже, чем сна­ ружи, поэтому необходима проверка устойчивости

6.5. Расчет корпусов на непробиваемость

на действие внешнего давления. В приближенных расчетах жаровую трубу рассматривают как цилин­ дрическую оболочку, пренебрегают наличием от­ верстий, утолщения в местах подвода охлаждаю­ щего воздуха рассматривают как кольцевые ребра жесткости. Нагрев жаровой трубы не вызывает по­ явления температурных напряжений сжатия, если обеспечена свобода ее теплового расширения.

6.5. Расчет корпусов на непробиваемость

Вероятность разрушения роторов авиационных ГТД относительно мала по сравнению с вероятно­ стью других отказов, однако потенциальная воз­ можность связанной с этим катастрофы заставля­ ет специально рассматривать эту проблему. Запас энергии, которым обладает фрагмент разрушивше­ гося ротора (лопатка, фрагмент диска и др.), мо­ жет оказаться достаточным для того, чтобы про­ бить корпус двигателя и повредить при этом системы жизнеобеспечения самолета, вызвать по­ жар, попасть в кабину самолета и т.д. В связи с этим возникает необходимость анализа прочности кор­ пусов в случае удара разрушившейся части рото­ ра. Такой анализ называют расчетом корпуса на не­ пробиваемость.

Наиболее простая модель пробивания корпусов ГТД (см. рис. 6.16), основана на балансе кинетичес­ кой энергии Ек фрагмента разрушившегося ротора и работы А деформации и последующего разруше­ ния корпуса. Запас прочности по непробиваемости корпуса в рамках этой модели имеет вид:

Глава 6. Прочность корпусов и подвески двигателя

Кинетическая энергия определяется через мас­ су М и скорость V фрагмента как

Ek = MF72

Работа деформации и разрушения А включает в себя работу' изгиба и среза. Работа изгиба опре­ деляется размерами оборвавшегося фрагмента

ижесткостью корпуса. Работа среза - площадью по­ верхности среза и предельным напряжением со­ противления срезу. Она пропорциональна квадра­ ту толщины корпуса. В зависимости от материала, толщины корпуса и размеров ударяющего в него фрагмента ротора меняется преимущественный ме­ ханизм разрушения и соотношение долей работы среза и изгиба. Так, при низкой жесткости корпуса доля деформации изгиба, предшествующего сре­ зу, велика. В расчетах это соотношение учитыва­ ется входящими в модель эмпирическими коэффи­ циентами.

Для определения кинетической энергии Екне­ обходимо обоснованно определить какая часть ротора при его разрушении может отделиться

ипопасть в корпус. Анализ случаев нелокализованных разрушений, происходивших в эксплуата­ ции и в специальных экспериментах показывает, что корпуса двигателя можно разделить на четыре участка, для которых опасность нелокализованного разрушения и энергия разлетающихся фрагмен­ тов существенно различны. Это зона вентилятор­ ной ступени, зона компрессора, зона камеры сго­ рания, зона турбины. Наибольшей кинетической энергией обладают нелокализованные лопатки вентиляторных ступеней и фрагменты дисков тур­ бин.

Врасчетном анализе полагают, что при разруше­ нии вентиляторной ступени бесполочные лопатки отрываются в корневом сечении; лопатки, имеющие полки, отрываются над полкой. При разрушении компрессора происходит вырыв части обода диска. Опыт эксплуатации и эксперименты показали, что

вкачестве фрагмента обода следует принимать часть диска от шейки до внешнего радиуса. Причем в ок­ ружном направлении длина фрагментов должна быть такой, чтобы она включила 3 -5 замковых вы­ ступов. К массе фрагмента следует добавить массу 3 -5 лопаток соответственно.

При анализе непробиваемости корпуса турби­ ны рассматривают четыре вида схем: отрыв пера лопатки, отсоединение лопатки, отрыв части обо­ да диска, разрыв диска по радиальным сечениям. Лопатка турбины отрывается по корневому сече­ нию или по первому зубу елочного замка. Если лопатка выполнена заодно с диском, то принима­ ется вариант отрыва по корневому сечению. Если лопатка имеет замок, то в расчетах принимается,

что происходит отрыв пера с частью замка по пер­ вому зубу или по наиболее нагруженному сече­ нию. При изломе замкового выступа диска или при раскрутке ротора турбины выше рабочей ско­ рости вращения и значительной вытяжке диска мо­ жет иметь место отделение лопатки вместе с зам­ ком.

При вычислении кинетической энергии фраг­ мента следует иметь в виду, что скорость враще­ ния вентилятора и компрессора, как правило, не превышает максимальную рабочую. Скорость же вращения ротора турбины может превысить мак­ симальную рабочую, например, при нарушении кинематической связи между турбиной и компрес­ сором. В этом случае автомат защиты не всегда предохраняет ротор турбины от заброса скорости вращения, и за доли секунды может происходить разгон диска до разрушения. При этом происхо­ дит значительная вытяжка полотна диска. Лопат­ ки в связи с вытяжкой касаются корпуса и отла­ мываются на длине от 30 до 100 % от внешнего радиуса профильной части. Оставшейся длины обломков лопаток оказывается достаточно, чтобы разгон диска продолжался до его разрушения, по­ скольку ротор турбины освобожден от компрес­ сорной нагрузки.

Методика оценки непробиваемости корпусов по соотношению (6.22) позволяет в явном виде полу­ чить соотношения для расчета толщины корпуса, необходимой для удержания фрагмента заданных размеров при известной скорости удара. В отсут­ ствие опытных данных эта методика дает завышен­ ное значение толщины корпуса.

Для обеспечения требуемой безопасности по­ летов кроме расчетов непробиваемости корпусов проводится экспериментальное подтверждение локализации в корпусах двигателя фрагментов ро­ торов. Так, одно из наиболее дорогостоящих ис­ пытаний - проверка локализации разрушения при обрыве вентиляторной лопатки. В виду высокой стоимости таких испытаний, они должны носить именно подтверждающий характер и быть предва­ рительно смоделированы.

Моделирование обрыва рабочей лопатки венти­ лятора может быть проведено с применением мето­ да конечных элементов. Для этого требуется знание свойств материалов во всем диапазоне скоростей де­ формаций, характерных для условий соударения. Моделирование позволяет непосредственно найти траекторию движения оторвавшегося фрагмента лопатки, описать весь процесс ее соударения с кор­ пусом, другими лопатками, оценить в рамках при­ меняемых моделей возможность разрушения кор­ пуса и выхода оторвавшегося фрагмента за преде­ лы двигателя. Пример конечноэлементного анализа процесса удара рабочей лопатки вентилятора в кор-

Заключание

ЗАКЛЮ ЧЕНИЕ

Стремление к повышению экономичности дви­ гателей, предопределенное жесткой конкуренцией в области газотурбинных технологий, ведет к по­ стоянному повышению температур и нагрузок, дей­ ствующих на детали и узлы ГТД. В этих условиях обеспечение высоких показателей надежности, безопасности эксплуатации, ресурса должно идти как по пути разработки новых материалов и тех­ нологий, так и по пути совершенствования мето­ дов прочностного анализа и ресурсного проекти­ рования.

С появлением современных численных методов расчет напряженно-деформированного состояния деталей ГТД может проводиться с достаточно вы­ сокой точностью, однако это не означает автома­ тически решения с такой же точностью всей зада­ чи прочностного анализа. Должны быть решены еще две проблемы.

Первая из них - точное определение исходных данных для расчета напряженного состояния - на­ грузок и температур. Детальный пространствен­ но-временной анализ нагрузок, особенно динами­ ческих, представляет собой сложную мультидисциплинарную задачу, требующую тщательного исследования взаимодействия газодинамических

итепловых процессов. Расчет температурных по­ лей, определяющих температурные напряжения, должен проводиться с высокой точностью, что так­ же требует подробного газодинамического анали­ за. Во многих случаях для решения этих задач не­ достаточно только расчетов, требуется проведение сложных дорогостоящих экспериментов.

Вторая проблема - выбор критериев прочности

иоценка надежности и ресурса по имеющимся на­ пряжениям. Проблема состоит в недостаточном объеме информации о поведении материалов, про­ цессах разрушения при реальных условиях нагру­ жения и эксплуатации. Единственным, по-суще- ству, путем решения этой проблемы является проведение большого объема экспериментальных исследований.

Традиционная методология обеспечения проч­ ностной надежности и обоснования ресурса ГТД всегда включала в себя большой объем экспери­ ментальных исследований на натурном полнораз­ мерном двигателе в условиях стендовых и летных испытаний. В частности, проводился большой объем дорогостоящих эквивалентно-циклических испытаний. Это - так называемая первая страте­ гия управления ресурсом. При ресурсах в десятки тысяч часов эта стратегия становится неприемле­ мо дорогой. Поэтому в мировой практике двигателестроения в последние годы основной объем ре­ сурсных испытаний переносится на испытания

отдельных узлов и деталей на специальных уста­ новках (вторая стратегия). В перспективе предпо­ лагается еще более радикальное изменение мето­ дологии - постепенная замена испытаний натурных деталей и узлов расчетами и испытаниями матери­ ала на образцах (третья стратегия). Новая методо­ логия предполагает также эксплуатацию двигателя по техническому состоянию (а не по выработке на­ значенного ресурса), когда решение о продлении ресурса принимается на основании периодическо­ го контроля состояния основных деталей.

Реализация второй, а тем более третьей страте­ гии управления ресурсом предполагает решение ряда научных задач, обеспечивающих принципиаль­ ное повышение достоверности и точности инфор­ мации о реальных условиях работы деталей и уз­ лов, разработку математических моделей высокого уровня для анализа теплового и напряженного со­ стояния, накопления повреждений и разрушения, развитие методов эксплуатационной диагностики. Развитие этих направлений определяет перспекти­ вы прочностной надежности и ресурса, перспекти­ вы газотурбинных двигателей в целом.

Англо-русский словарь-минимум

allowable stress - допустимое напряжение amplitude - амплитуда

asymmetric - асимметричный bending - изгиб

boundary condition - граничное условие breakdown -поломка

compression - сжатие core - стержень crack - трещина

crack growth - рост трещины creep - ползучесть

cyclic - циклический damage - повреждение decrement -декремент defect - дефект

durability - долговечность dynamic - динамический elasticity -упругость environment -оболочка estimation -оценка

failure - поломка fatigue - усталость

fatigue limit - предел выносливости

finite element method (FEM) - метод конечных элементов flaw - дефект

forced vibration - вынужденные колебания fracture - разрушение

free vibration - свободные колебания frequency - частота

life prediction - предсказание долговечности loading - нагружение

low cycle fatigue - малоцикловая усталость

natural vibration mode - собственная форма колебаний operating load - действующая нагрузка

oscillation - колебания overload - перегрузка plasticity - пластичность pressure - давление random - случайное reliability - надежность

residual stress - остаточное напряжение resonance - резонанс

scale factor - масштабный фактор self-excited vibration - автоколебания specimen - образец

static - статический strain - деформация strength - прочность

strengthened - упрочненный stress - напряжение

stress concentration - концентрация напряжений stress history - история нагружения

stress intensity factor - коэффициент интенсивности напряже­ ний

structural analyses - прочностной расчет survivability - живучесть

tension - растяжение test - испытание

three-dimensional - трехмерный torsion - кручение

Список литературы

ultimate load - разрушающая нагрузка vibration - вибрация, колебания

Список литературы

1.Биргер И.А. , Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов М.,Наука, 1986. 560 с.

2.Биргер И.А., Шорр Б.Ф. Термопрочность деталей машин. М., Машиностроение, 1975г. - 454 с.

3.Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на проч­ ность деталей машин. М., Машиностроение, 1979г. - 702 с.

4.Вибрации в технике, т.1. Под ред. Болотина В.В. М.,Ма­ шиностроение, 1978,352 с.

5.Вибрации в технике, т.З. Под ред. Димтенберга Ф.М. М.,Машиностроение, 1980, 544 с.

6.Вибрации в технике, т.6. Под ред. Фролова К.В. М.,Машиностроение, 1981,456 с.

7.Демьянушко И.В., Биргер И.А. Расчет на прочность вра­ щающихся дисков, 1978г. - 247 с.

8.Хронин Д.В. Колебания в двигателях летательных аппара­ тов. М., Машиностроение, 1980,296 с.

9.Зенкевич О.К., Чанг И. Метод конечных элементов в тео­ рии сооружений и в механике сплошных сред. М., Недра, 1974г.-2 3 8 с.

10.Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.,

Мир, 1975.

11.Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. М.Мир, 1984, 624 с.

12.Котеров Н.И., Даревский В.М., Никулин М.В., Гой В.Ф. Методы расчета на прочность корпусов, оболочек, направ­ ляющих и сопловых аппаратов газотурбинного двигателя. Отв. ред. Биргер И.А. Труды ЦИАМ №769, М., ЦИАМ, 1977,

344с.

13.Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.К. Газовые тур­ бины двигателей летательных аппаратов. М., Машинострое­ ние, 1991.

14.Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползу­ чести. М.,Машиностроение. 1968, 400 с.

15.Научный вклад в создание авиационных двигателей. Т. 1. Под ред. В.А.Скибина и В.И. Солонина. М.Машиностроение. 2000. 725 с.

16.Нестационарные явления в турбомашинах / Августино­ вич В.Г., Иноземцев А.А, Шмотин Ю.Н. и др. Екатеринбург, УРО РАН, 1999.

17.Новиков Д.К. Проектирование гидродинамических дем­

пферов опор роторов двигателей летательных аппаратов. Самара, Издательсьво Самарского научного центра РАН, 2000,

164с.

18.Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов.

М., Мир, 1979. 92 с.

19. Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений. М., Мир, 1977. 301 с.

20.Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев, Наукова Думка, 1975.

21.Пановко Я.Г. Механика деформируемого твердого тела: современные концепции, ошибки и парадоксы. М., Наука, 1985. 288 с.

22.Рабинович В.П. Прочность турбинных дисков, 1966г. -

146с.

23.Сергеев С.И. Демпфирование механических колебаний.

М., Физматгиз, 1959, 408 с.

24. Скубачевскнн Г.С. Авиационные газотурбинные двигате-