Математическое моделирование и доработка численных методов расчета долговечности рабочих лопаток турбомашин с расстройкой статора

Исследование преднамеренной расстройки статора в турбомашинахактуальная задача, направленная на снижение амплитуды вынужденных колебаний рабочих лопаток, что способствует повышению их эксплуатационного ресурса. Идеально настроенный статор может вызывать резонансные явления, сопровождающиеся значительными механическими напряжениями и накоплением усталостных повреждений лопаточного аппарата в процессе эксплуатации. Управляемая расстройка статора и использование блочных моделей обеспечивает перераспределение энергии возбуждения газового потока, при котором снижается интенсивность динамического взаимодействия между рабочими лопатками и статором, а также уменьшаются резонансные эффекты. В процессе исследований вычисляли собственные частоты и формы колебаний рабочих лопаток с использованием оригинальной методики на основе метода конечных элементов, авторских программ и программы ANSYS. Численные результаты верифицировали путем сравнения с экспериментальными данными и сведениями других авторов. Исследование частотного отклика лопатки и собственных частот колебаний с учетом влияния вращения и температуры позволило выявить наиболее опасные резонансные режимы, возникающие под воздействием аэродинамических нагрузок, соответствующие первой гармонике возбуждения. Перераспределение окружного расположения лопаток статора уменьшает аэродинамические возмущения, что приводит к снижению максимальных динамических напряжений в рабочих лопатках ротора на 2,36 % и увеличению их долговечности на 9,14 %, что позволяет использовать результаты исследования в энергетической, транспортной, автомобильной и нефтехимической отраслях, в том числе в агропромышленном комплексе при проектировании и доводке роторных конструкций.

1. Numerical methods for calculating component modes for geometric mistuning reduced-order models / J. A. Beck, J. M. Brown, A. A. Kaszynski, et al. // Journal of engineering for gas turbines and power. 2021. Vol. 144. No. 3. Article V09BT29A016. URL: https://asmedigitalcollection.asme.org/gasturbinespower/article-abstract/144/3/031006/1119567/Numerical-Methodsfor-Calculating-Component-Modes?redirectedFrom=fulltext (дата обращения: 15.07.2023). doi: 10.1115/1.4052427.

2. Kaneko Y., Watanabe T., Furukawa T. Study on the reduction of the resonant stress of turbine blades caused by the stage interaction force // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2021. Vol. 143. No. 6. Article 061022. URL: https://asmedigitalcollection.asme.org/gasturbinespower/article-abstract/143/6/061022/1093904/Study-on-the-Reduction-ofthe-Resonant-Stress-of?redirectedFrom=fulltext (дата обращения: 12.11.2023). doi: 10.1115/1.4049471.

3. Воробьев И. А., Воробьева Л. А. Особенности усталостного разрушения сталей и сплавов // Вестник машиностроения. 2024. Т. 103. № 4. С. 296–298. doi 10.36652/0042-4633-2024-103-4-296-298.

4. Modal Analyses of an Axial Turbine Blisk With Intentional Mistuning/ B. Beirow, F. Figaschewsky, A. Kühhorn, et al. // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2017. Vol. 140. Article 012503. URL: https://asmedigitalcollection.asme.org/gasturbinespower/article-abstract/140/1/012503/374565/Modal-Analyses-of-an-Axial-Turbine-BliskWith?redirectedFrom=fulltext (дата обращения: 19.09.2017). doi: 10.1115/1.4037588.

5. Репецкий О. В, Нгуен В. М. Математическое моделирование влияния аэродинамической нагрузки на прочностные характеристики лопаток турбомашин // System Analysis and Mathematical Modeling. 2023. Т. 5. № 3. С. 275–287. doi: 10.17150/2713-1734.2023.5(3).275-287.

6. Репецкий О. В, Нгуен В. В. Численный анализ прочностных характеристик машиностроительных конструкций с расстройкой параметров // Вестник НГИЭИ. 2019. № 7. С. 27-38.

7. Zheng Y., Jin X., Yang H. Eff of Asymmetric Vane Pitch on Reducing Low-Engine-Order Forced Response of a Turbine Stage // Aerospace. 2022. Vol. 9. No. 11. Article 694. URL: https://www.mdpi.com/2226-4310/9/11/694 (дата обращения: 07.11.2022). doi: 10.3390/aerospace9110694.