Разработка методики расчета показателей надежности газотурбинных двигателей

УДК 62-253.51

Е.П. Филинов

студент, кафедра конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева (национальный исследовательский институт)»

Я.А. Остапюк

студент, кафедра конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева (национальный исследовательский институт)»

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Аннотация. В данной работе приведена краткая, но эффективная методика расчета показателей надежности микрогазотурбинных двигателей. Практическим результатом исследования является уменьшение времени проведения прочностных расчетов и сохранение при этом высокой точности. Применение данной методики может быть осуществлено на авиационных предприятиях на начальных этапах при проектировании микрогазотурбинных двигателей.

Ключевые слова: авиация, двигатель, компрессор, запас прочности, напряжения, рабочее колесо.

E.P. Filinov, Samara State Aerospace University

Y.A. Ostapyuk, Samara State Aerospace University

DESIGN PROCEDURE OF RELIABILITY INDECES GAS TURBINE ENGINES

Abstract. In this paper provides a brief but effective method of calculation of the reliability of micro gas turbine engines. The practical result of this study is to decrease the time of the strength calculations while maintaining high accuracy. Application of this method can be carried out on aircraft factories in the early stages in the design of micro gas turbine engines.

Keywords: aircraft, engine, compressor, safety factor, voltage, impeller.

Развитие авиационного двигателестроения происходит в направлении интенсификации рабочего процесса и повышения требований к весу и надежности. Сочетание таких противоречивых требований ставит новые проблемы перед созданием современных газотурбинных двигателей. Одной из наиболее важных проблем является увеличение основных параметров двигателя для получения более высоких КПД и связанных с ним улучшения экономичности.

Однако с ростом основных параметров возрастает интенсивность газодинамических и тепловых процессов, что приводит к ужесточению условий работы ответственных деталей газотурбинного двигателя, одними из которых являются диски и рабочие лопатки компрессора, которые в процессе эксплуатации подвергаются сложному многофакторному нагружению и во многом ограничивают ресурс двигателя.

С целью исследования закономерностей влияния составляющих нагрузок на исчерпание ресурса диска и лопаток компрессора и прогнозирование их эксплуатационной долговечности проводится расчет предельного состояния лопатки и диска компрессора проектируемого микрогазотурбинного двигателя.

Базовый уровень

- Для проектируемого рабочего колеса составляется расчетная схема лопатки и диска, включающая в себя геометрическую модель со всеми необходимыми размерами, действующие нагрузки, условия закрепления, принятые допущения и ограничения. Модель диска может быть выполнена двухмерной (рис. 1).

- Выбирается материал для каждой детали и задаются соответствующие кривые де-

формирования (рис. 2).

Рисунок 1 - Геометрия рабочего колеса турбины микрогазотурбинного двигателя

Рисунок 2 - Кривые деформирования (диаграмма растяжения) материала АМг6 в пакете ANSYS

- Исходя из назначения двигателя, выбирается цикл нагружения с подробным обоснованием всех действующих режимов (рис. 3).

Рисунок 3 - Полетный цикл беспилотного летательного аппарата п©, где п - обороты двигателя [%], t - время работы двигателя [мин]

- Определяется коэффициент запаса долговечности по времени для диска и лопатки с помощью эквивалентных напряжений (рис. 4).

Рисунок 4 - Эквивалентные напряжения в плоской постановке задачи

Для определения корректности задания нагрузок и граничных условий было проведено сравнение результатов плоской и объемной постановок задачи. Распределение эквивалентных напряжений в обеих постановках было схожим и погрешность полученных максимальных значений эквивалентных напряжений составила:

д = °mra. °mre. = 212 197 ,Ю0 = 7 6%

197

где crmta и - напряжения в объемной и плоской постановке задачи соответственно.

Эквивалентные напряжения с учетом температурных нагрузок рассчитываются для всех режимов работы микрогазотурбинного двигателя. Для определения коэффициента запаса долговечности используется зависимость длительной прочности материала от напряжений. В качестве повреждающей характеристики от каждого режима работы будем использовать отношение: время работы двигателя на i -ом режиме т1 - к времени разрушения материала на этом

т:

же режиме т ,, то есть I i = — .

Täi

Просуммировав повреждения по всем режимам, получаем суммарное повреждение I = ^ ¡I = ж. Это означает, что используемый материал не пригоден для использования в

1 1

данных условиях. Коэффициент запаса долговечности получаем по формуле: КТ = — = — = 0 .

I ж

- Делается вывод о соответствии конструкции действующим нормам прочности.

Нормами прочности устанавливается условие, которому должен удовлетворять коэффициент запаса долговечности по времени КТ > 8. Исходя из полученных результатов, следует, что данная деталь неработоспособна и требует доработки.

Из рассмотренного примера видно, что данный метод значительно упрощает процедуру проведения расчета надежности газотурбинных двигателей и, в то же время, лишь незначительно снижает точность по сравнению с объемной постановкой задачи. Трудоемкость решения плоской постановки задачи в разы меньше, чем в трехмерной постановке. Соответственно снижается время расчета детали, что достаточно важно на этапе предварительного расчета, поскольку позволяет на начальном этапе внести необходимые коррективы в решаемую задачу.

В заключении хочется отметить, что приведенный метод, разработанный студентами Филиновым и Остапюком, под руководством доцента кафедры КиПДЛА А.С. Виноградова, широко применяется в студенческих научных работах, т.к. отличается простотой и удобством.

Список литературы:

1. Виноградов, А.С. Расчет показателей надежности деталей турбины авиационных двигателей [Текст]: учебное пособие / А.С. Виноградов. - Самара: СГАУ, 2011. - 66 с.

2. Ермаков, А.И. Лабораторный практикум по динамике и прочности авиационных ГТД с использованием пакета ANSYS [Текст]: ч. 1: учебное пособие / А.И. Ермаков, А.М. Уланов. -Самара: СГАУ, 2006. - 103 с.

3. Туманов, А.Т. Авиационные материалы [Текст]: в 9 т. Т. 2: Коррозионностойкие и жаростойкие стали и сплавы / А.Т. Туманов. - М:ОНТИ, 1975. - 368 с.

4. Фалалеев, С.В. Прочностное проектирование лопаток и дисков ГТД в конечно-элементном комплексе ANSYS [Текст]: учебное пособие / С.В. Фалалеев, П.В. Бондарчук. - Самара: Изд-во СГАУ, 2006. - 40 с.

5. Шалин, Р.Е. Авиационные материалы [Текст]: в 9 т. Т. 4, ч. 1: Алюминиевые и берил-лиевые сплавы. Деформируемые алюминиевые сплавы и сплавы на основе бериллия / Р.Е. Шалин. - М: ОНТИ, 1982. - 626 с.