ЧИСЕЛЬНИЙ АНАЛІЗ ВПЛИВУ РЕЖИМУ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ВЕНТИЛЯТОРА НА НЕСТАЦІОНАРНІ НАВАНТАЖЕННЯ ТА РЕЖИМИ КОЛИВАНЬ ЛОПАТОК
Бічна панель сторінки статті
Основний зміст сторінки статті
Анотація
Прагнення до підвищення ефективності газотурбінних двигунів призводить до необхідності конструювати лопатки осьових турбомашин більш тонкими, з великими кутами атаки і призначеними для роботи при високих швидкостях обертання. Однак, ці якості збільшують ризик прояву аеропружної нестійкості, такої як флатер або резонансні коливання. Флатер – це самозбуджуюча нестійкість під дією аеродинамічних сил, індукованих вимушеними коливаннями лопаток, які викликані, в свою чергу, зовнішніми обурюючими силами при обертанні лопаток в неоднорідному вгору за течією потоці. Для того, щоб виконати найважливіші вимоги надійності та безпеки експлуатації газотурбінних двигунів, необхідно вміти прогнозувати аеропружну поведінку лопаткових апаратів ще на стадії проектування. Останнім часом розвиваються нові підходи, засновані на маршевій за часом схемі, що включає інтегрування рівнянь аеродинаміки і динаміки пружних коливань. Хоча ці методи вимагають значних обчислювальних ресурсів, вони привертають коректністю постановки зв'язаної задачі аеропружності, що враховує взаємний вплив коливань лопаток і нестаціонарних аеродинамічних навантажень. На підставі аналізу сучасного стану проблеми аеропружності турбомашин і існуючих методів прогнозування флатера можна зробити висновок, що найбільш перспективним підходом у дослідженні аеропружної поведінки лопаткового вінця осьової турбомашини є підхід, заснований на тривимірній моделі нестаціонарної аеродинаміки та модальному аналізі руху лопатки. Запропонований чисельний метод розв'язання зв'язаної аеропружної задачі в тривимірному транзвуковому потоці ідеального газу дозволяє прогнозувати аеропружну поведінку лопаток, включаючи вимушені, самозбудні коливання і автоколивання з метою підвищення надійності лопаткових апаратів турбомашин.
Блок інформації про статтю
Посилання
Gnesin V. I., Kolodyazhnaya L. V. Aerouprugiy analiz lopatochnogo ventsa turbomashiny na osnove chislennogo resheniya svyazannoy zadachi aerodinamiki i uprugikh kolebaniy [Aeroelastic analysis of a turbomachine blade row based on the numerical solution of a coupled problem of aerodynamics and elastic vibrations]. Problemy mashinostroeniya. 1998, no. 3–4, pp. 29–40.
Gnesin V. I., Kolodyazhnaya L. V., Zhandkovski R., Demchenko A. V. Matematicheskoe modelirovanie i analiz aerouprugikh yavleniy v lopatochnom ventse turbomashin [The mathematic modeling and analysis of aeroelastic phenomena in turbomashine blade row]. Bulletin of the National Technical University "KhPI". Series: Hydraulic machines and hydraulic units. Kharkiv, NTU "KhPI" Publ., 2018, no. 17 (1293), pp. 17–24.
Gnesin V. I., Kolodyazhnaya L. V. Aeroelastic analysis of vibrating blade row using a coupled fluid-structure problem. Proc. of 14th Intern. Sump. on Air Breathing Engines. Florence, Italy, 1999, pp. 1–9.
Gnesin V. I., Kolodyazhnaya L. V., Kravchenko I. F., Merkulov V. M., Sheremet'ev A. V., Petrov A. V. Chislennyy analiz aerouprugogo povedeniya lopatochnogo ventsa ventilyatora aviatsionnogo dvigatelya [Numerical analysis of the aeroelastic behavior of an aircraft engine fan blade]. Problemy mashinostroeniya. 2017, vol. 20, no 3, pp. 3–11.
Kolotnikov M. E., Makarov P. V., Sachin V. M. Issledovanie dinamicheskoy napryazhennosti shirokokhordnogo ventilyatora pri stendovykh ispytaniyakh [Investigation of the dynamic tension of a wide-chord fan during bench tests]. Aviatsionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya. 2008, vol. 56, no. 9, pp. 58–64.
Stel'makh A. L., Zin'kovskiy A. P., Stel'makh Ya. A. Eksperimental'no-raschetnoe issledovanie dinamicheskoy ustoychivosti izgibno-krutil'nykh kolebaniy kompressornykh lopatok pri bezotryvnom i sryvnom obtekanii. Soobshchenie 3. Vzaimnye aerodinamicheskie svyazi [Experimental and computational study of the dynamic stability of flexural and torsional vibrations of compressor blades in a continuous and stall flow. Communication 3. Mutual aerodynamic connections]. Problemy prochnosti. 2010, no. 3, pp. 89–99.
Rządkowski R., Soliński M., Szczepanik R. The unsteady low-frequency aerodynamic forces acting on the rotor blade in the first stage of an jet engine axial compressor. Advances in Vibration Engineering. 2012, vol. 11, issue 2, pp. 193–204.
Soliński M., Rządkowski R., Szczepanik R., Drewczyński M. The unsteady low-frequency forces acting on the rotor blade in the first stage on an axial compressor of SO-3 jet engine. Journal of Vibration Engineering & Technologies. 2014, volpp. 385–393.
Petrie-Repar P., Fuhrer C., Grübel M., Vogt D. Two-Dimensional Steam Turbine Flutter Test Case. Proc. of the 14th International Symposium on Unsteady Aerodynamics, Aeroacoustics & Aeroelasticity of Turbomachines (8–11 September 2015, Stockholm, Sweden). Stockholm, ISUAAAT14 Organizing Committee Publ., 2015, pp. 33–43.
Petrie-Repar P., Makhnov V., Shabrov N., Smirnov E. Analysis of aLong Shrouded Steam Turbine. Proc. of ASME Turbo Expo 2014. Vol. 7B: Structures and Dynamics (16–20 June 2014, Düsseldorf, Germany). P. GT2014–26874. doi: 10.1115/GT2014-26874
Wang Wei-Ze, Xuan Fu-Zhen, Zhu Kui-Long, Tu Shan-Tung. Failure Analysis of the Final Stage Blade in Steam Turbine. Engineering Failure Analysis. 2007, vol. 14, pp. 632–641. doi: 10.1016/j.engfailanal.2006.03.004
Rzadkowski R., Surwilo J., Kubitz L., Lampart P., Szymaniak M. Unsteady Forces in Last Stage LP Steam Turbine Rotor Blades With Exhaust Hood. Proc. of ASME Turbo Expo 2016. Vol. 7B: Structures and Dynamics (13–17 June 2016, Seoul, South Korea). P. GT2016–57610. doi: 10.1115/GT2016-57610
Sanvito M., Pesatori E., Bachschmidt N., Chatterton S. Analysis of LP steam turbine blade vibration: experimental results and numerical simulations. 10th Int. Conf. on Vibrations in Rotating Machinery (11–13 September 2012, London). London, ImechE Publ., 2012, pp. 189–197.
Chassaing J. C., Gerolymos G. A. Compressor Flutter Analysis Using Time Nonlinear and Time Linearized 3D Navier-stokes Method. Proc. of the 9th International Symposium held in Lyon "Aeroacustics and Aeroelasticity of Turbomachines". Grenoble, France, Universitaires de Grenoble Publ., 2001.
Huang X. Q., He L., Bell D. L. Influence of Upstream Stator on Rotor Flutter Stability in a Low Pressure Steam Turbine Stage. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. 2006, vol. 220, issue 1, pp. 25–35.
Rzadkowski R., Gnesin V., Kolodyazhnaya L., Szczepanik R. Aeroelastic Behaviour of First Stage Compressor Rotor Blades With Foreign Object in Engine Inlet. Proc. of the 13th International Symposium on Unsteady Aerodynamics, Aeroacoustics & Aeroelasticity of Turbomachines (11–14 September 2012, Tokyo, Japan). Tokyo, ISUAAAT 12 Publ., 2012, pp. 3–4.
Kubitz L., Rzadkowski R., Gnesin V., Kolodyazhnaya L. Direct Integration Method in Aeroelastic Analysis of Compressor and Turbine Rotor Blade. Journal of Vibration Engineering & Technologies. 2016, vol. 4, issue 1, pp. 37–42.
Godunov S. K., Zabrodin A. V., Ivanov M. Ya., Krayko A. N., Prokopov G. P. Chislennoe reshenie mnogomernykh zadach gazovoy dinamiki [Numerical solution of multidimensional problems of gas dynamics]. Moscow, Nauka Publ., 1976. 400 p.
Gnesin V. I., Kolodyazhnaya L. V. Numerical Modelling of Aeroelastic Behaviour for Oscillating Turbine Blade Row in 3D Transonic Ideal Flow. Journal Problems in Mash. Eng. 1999, vol. 1, no. 2, pp. 65–76.
Rzadkowski R., Gnesin V. I., Kolodyazhnaya L. V. Rotor Blade Flutter in Last Stage of LP Steam Turbine. Proc. of the 14th International Symposium on Unsteady Aerodynamics, Aeroacoustics & Aeroelasticity of Turbomachines (8–11 September 2015, Stockholm, Sweden). Stockholm, ISUAAAT14 Organizing Committee Publ., 2015, pp. 1–6.