Прогнозирование и исследование условий возникновения флаттера рабочих колес компрессоров газотурбинных двигателей и установок на этапе их проектирования

Тенденции развития современного газотурбинного двигателестроения, определяемые требованиями экономичности, характеризуются ростом удельных параметров двигателя, уменьшением массы конструкции, увеличением нагрузок, действующих на узлы и детали. По сравнению с параметрами газотурбинного двигателя разработки 90-х годов двигатель нового поколения должен иметь в 1,5.2 раза меньшие удельные вес и объем, на 20.30% меньший расход топлива. При этом должен быть обеспечен качественно новый уровень его эксплуатационных характеристик: увеличенные на 50.60% надежность, ресурс двигателя, пониженная в 2 раза трудоемкость технического обслуживания, что в совокупности обуславливает снижение в 1,5 раза стоимости жизненного цикла. В 70-е годы на создание ГТД уходило 7. 10 лет, в настоящее время для обеспечения конкурентоспособности новый двигатель необходимо создавать за 4.6 лет.

Обеспечение динамической прочности авиационных двигателей относится к разряду наиболее сложных проблем, возникающих при разработке новых ГТД и их эксплуатации. К основным показателям качества двигателя, характеризующим степень его совершенства, относятся надежность и ресурс. Улучшение этих показателей связано с необходимостью снижения динамической на-груженности узлов двигателя, так как большинство дефектов ГТД вызвано действием переменных нагрузок.

Рабочая лопатка компрессора является одной из наиболее напряженных и ответственных деталей ГТД. Последствия разрушения лопаток являются очень тяжелыми для двигателя и самолета, вызывая выход из строя силовой установки, возможный пожар и повреждения фюзеляжа (рисунок 1,2). В результате анализа данных ИКАО (международная организация гражданской авиации) по наблюдению за состоянием авиационных ГТД установлено, что наиболее частой причиной отказов является неисправность деталей проточной части двигателя. При этом на долю лопаток приходится около 30% всех отказов. Из них приблизительно 42% составляют усталостные разрушения и еще 33% - сочетание малоцикловой усталости и вибрационных напряжений.

Рисунок 1. Последс твия разрушения силовой установки из-за обрыва части лопатки РК 1 ступени при автономных испытаниях вентилятора.

Рисунок 2. Характер повреждения мотогондолы самолета при обрыве лопаток компрессора двигателя.

Постоянное стремление к снижению весовых характеристик и повышению аэродинамической нагруженности лопаток способствует появлению флаттера (автоколебаний) лопаток. Аналогично другим видам по тери динамической устойчивости опасность флаттера заключена в быстром росте напряжений во всех элементах РК (лопатках, замках, дисках, бандажных полках), что может вызвать их разрушение за короткий промежуток времени. Поскольку при определенных условиях флаттер может возникать практически на любом режиме работы авиационного двигателя, предупреждение его появления (прогнозирование областей флаттера) представляет собой важную проблему, которая причиняет наибольшее беспокойство по сравнению с другими аэроупругими явлениями.

Под флаттером (автоколебаниями) лопаток РК компрессоров понимаются самовозбуждающиеся колебания лопаток с незатухающей амплитудой, поддерживаемые нестационарными аэродинамическими силами, которые возникают при колебательном движении лопаток из-за наличия обратных связей. Возникновение флаттера и амплитуда таких колебаний обусловлены упруго-массовыми характеристиками и условиями обтекания лопаток потоком воздуха, зависящими от частоты вращения ротора и соотношения параметров компрессора на напорной характеристике, а также от величины давления и температуры воздуха. При возникновении флаттера РК, как правило, реализуется бегущая по вращению волна деформации, распространяющаяся по тракту компрессора.

С флаттером лопаток компрессоров конструкторы авиационных ГТД впервые столкнулись в середине 50-х годов при создании реактивных двигателей второго поколения, и в настоящее время уже имеется много теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению флаттера, условий его возникновения и разработке мер борьбы с ним [45]. Так как флаттер представляет собой аэроупругое явление, проводились многочисленные теоретические исследования и измерения, как колебаний лопаток, так и потока при флаттере и вблизи границы его возникновения.

До середины 70-х годов основным способом расчета границ флаттера являлись аналитические модели, основанные на классическом представлении о взаимодействии упругих, инерционных и аэродинамических сил. При этом существовали два основных направления. Первое направление базировалось на вычислении работы нестационарных аэродинамических сил на собственных формах колебаний лопаточного венца в бегущей волне деформаций, по знаку которой делалось заключение о направлении подвода энергии — от потока к лопатке (флаттер) или от лопатки к потоку (демпфирование). Второе направление основывалось на составлении и исследовании полной системы уравнений аэроупругих колебаний системы «лопатка-диск-поток», решении задачи о собственных значениях этой системы и последующего определения знаков их действительных (или мнимых) корней уравнения.

Однако эти расчеты не позволяли удовлетворять потребностям практики из-за принятых для упрощения вычислений допущений. Вследствие этого параллельно разрабатывались критериальные оценки устойчивости РК компрессоров к флаттеру, основанные на обобщении экспериментальных данных. Первые работы, носили в основном, одноили двухпараметрический характер (число Струхаля и угол атаки) [1, 50, 57]. Однако, в связи с некоторыми неудачами [57], методика была признана несовершенной.

Принципиально другие подходы для прогнозирования флаттера, базируются на обобщении экспериментальных данных методами математической статистики. Первой открытой публикацией на данную тему следует считать работу [21]. По сути, предложенная им методика позволяет оценить вероятность возникновения флаттера по набору диагностических факторов (более 10) для отдельных видов флаттера. Результат же прогноза целиком зависит от банка экспериментальных данных по прототипу исследуемого объекта и вида проявляемого ранее флаттера. В настоящее время такой банк данных в ЦИАМ насчитывает более 200 случаев флаттера эксплуатируемых и опытных экземпляров компрессоров.

А.А. Хориковым (ЦИАМ) отмечается [45], что для принципиально новых проектируемых малоизученных ступеней (например, закапотированный винто-вентилятор с большим расстоянием между лопатками по отношению к их хорде) на этапе эскизного проекта и рабочего проектирования для поиска оптимальных конструкторских решений целесообразно использовать энергетический метод, суть которого состоит в вычислении работы нестационарных аэродинамических сил на упругих перемещениях лопатки при её колебаниях по собственным формам и определении её знака. Эта ситуация, также имеет место, для относительно мало изученных видов флаттера (например, сверхзвукового флаттера РК с консольными лопатками), так как объем проведенных экспериментальных исследований указанного вида флаттера весьма незначителен, что не позволяет построить многомерные распределения диагностических факторов с необходимой степенью надежности.

С конца 90-х годов, при бурном развитии вычислительной техники, все чаще ставится задача прямого моделирования флаттера с использованием газодинамических пакетов (Ansys CFX, Star-CD, Fluent, FlowVision и т. п.) в основе которых лежат численные методы решения уравнений Навье-Стокса. Большинство работ в этом направлении связано с решением задачи определения границ флаттера так называемым «квази-ЗБ» методом на основе энергетического подхода [7, 40, 48, 49]. То есть, расчет стационарного обтекания лопатки (решетки профилей) может быть выполнен в трехмерной постановке, а решение нестационарной задачи с учетом перемещений лопатки по заданной форме колебаний для отдельного сечения в двумерной постановке. Следует отметить, что это периферийное сечение в этих работах, выбрано преимущественно на основе статистических данных для эксплуатируемых компрессоров с рабочими лопатками, имеющими антивибрационные полки.

Современная тенденция проектирования компрессоров приводит к увеличению напорности ступеней, при ужесточающихся требованиях по уменьшению габаритов и массы. Обеспечить данные требования призваны рабочие колеса блисковой конструкции (лопатки изготавливаются заодно с диском из одной заготовки) с широкохордными профилями лопаток. У таких лопаток неравномерная по высоте кривизна профиля, большая закрутка и существенные компенсационные выносы сечений. Для таких конструкций использование двухмерных расчетов может привести к ошибочным результатам прогноза флаттера.

Резюмируя вышесказанное, проблема надежного прогнозирования флаттера рабочих колес компрессоров и создание методов проектирования, исключающих появление флаттера во всем эксплуатационном диапазоне работы компрессора, остается на текущий момент не разрешенной, а разработка методов ее решения является чрезвычайно актуальной задачей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, посвящённый решению важной научной проблемы, а именно изучению условий возникновения флаттера РК современных компрессоров в условиях работы исследуемой ступени при безотрывном обтекании. В результате этих исследований получены следующие новые научные и практические результаты:

1. На базе общей формулировки энергетического подхода к решению задачи о прогнозировании флаттера впервые разработан, исследован и научно обоснован численный метод прогнозирования флаттера РК компрессоров ГТД и ГТУ в условиях безотрывного обтекания их потоком воздуха, peaлизующий вычисление и определение знака интегральной работы нестационарных аэродинамических сил на упругих перемещениях трехмерного профиля лопатки, колеблющейся по собственной форме с учетом определенного сдвига фаз. Разработанный метод позволяет на ранних этапах проектирования компрессора прогнозировать режимы его работы, где возможно возникновение флаттера.

2. На базе разработанного метода прогнозирования флаттера РК создан алгоритм и дополнена схема проектирования современных компрессоров, включающая итерационную процедуру последовательного решения задач аэродинамики, прочности и аэроупругости и позволяющая разработчикам компрессоров уже на стадии их проектирования осуществлять отстройку от режимов возникновения флаттера, что обеспечивает уменьшение сроков и стоимости доводки компрессоров.

3. Изучены особенности и разработаны рекомендации по исследованию собственных форм колебаний РК компрессоров, при реализации которых наиболее вероятно возникновение флаттера. Исследованы закономерности изменения картины перемещений профильной части лопаток по частоте вращения ротора при колебаниях по собственной форме и влияние на изменение этой картины характера взаимодействия лопаток с диском.

4. На базе использования интерполяционных полиномов Лагранжа разработан подход, созданы и исследованы алгоритм и программное обеспечение для описания изменения формы межлопаточных каналов вследствие перемещений точек профиля лопатки при её колебаниях по собственным формам, что обеспечило возможность разработки алгоритмов и создания программы расчёта параметров нестационарного обтекания профилей лопаток компрессора, колеблющихся по собственным формам.

5. Решена задача о выделении нестационарной части давления от действующих на профиль лопатки аэродинамических сил на периоде собственных колебаний и разработана программа по вычислению работы нестационарных аэродинамических сил на периоде колебаний лопатки, по знаку которой можно судить об устойчивости исследуемого РК к флаттеру по заданной форме колебаний на расчетном режиме.

6. Исследовано влияние параметров численного моделирования в программном комплексе АШУБ на результаты прогноза потери устойчивости РК компрессора по разработанному методу. Показано, что повышение точности вычислений параметров, варьирование угла атаки в пределах допусков на регулирование направляющими аппаратами, влияния уровня турбулентности на входе в ступень, амплитуды колебаний лопатки не оказывают значимого влияния на результат прогнозирования условий возникновения флаттера. Наибольшее влияние оказывают выбор параметров дискретизации конечно-объемной газодинамической сетки и положения узловых линий при колебаниях по собственной форме. Определено, что для достоверного прогнозирования условий возникновения флаттера при безотрывном обтекании достаточно использовать модель исследуемой ступени, состоящую из трёх лопаточных профилей, а расчет работы нестационарных аэродинамических сил производить на третьем периоде колебаний, при дискретизации периода 100 итерациями.

7. Для РК 1-ой и 2-ой ступеней вентилятора эксплуатируемого двигателя семейства АЛ-31Ф выполнены расчеты устойчивости флаттера на различных режимах. Показано, что вклад работы в сечении бандажирован-ной лопатки на высоте 90% от обода диска является определяющим устойчивость к флаттеру всего РК, что подтверждает результаты многочисленных исследований подобных конструкций, рассмотренных в главе 1, и работоспособность разработанного метода. Однако, при смещении узловой линии формы колебаний, что возможно из-за разброса геометрических параметров лопаток в РК и при различных числах узловых диаметров, данное сечение уже не является определяющим, и поэтому для корректного прогноза возможности возникновения флаттера необходим анализ знака интегральной работы нестационарных аэродинамических сил на упругих перемещениях всей поверхности лопатки.

8. Спрогнозированные на базе разработанного в диссертации метода режимы работы двигателя семейства АЛ-31Ф, где должен был возникнуть флаттер РК 1-ой и 2-ой ступеней вентилятора, полностью подтвердились результатами испытаний указанного двигателя на автоколебания, что даёт основание сделать заключение об успешной верификации предложенного метода прогнозирования флаттера РК компрессоров современных двигателей.

Таким образом, проведенные исследования и разработанный метод прогнозирования флаттера РК компрессоров в условиях их безотрывного обтекания потоком воздуха позволили достичь цели диссертации и решить все поставленные в ней задачи.

Неоценимую помощь при работе над диссертацией оказали критические замечания и постоянная поддержка научного руководителя — доктора технических наук, профессора Колотникова М. Е., а также доцента кафедры гидромеханики механико-математического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова Веденеева В.В.

Автор выражает глубокую благодарность за поддержку и содействие работе, за замечания и пожелания научному консультанту по прочности — заведующему кафедры машиноведение и детали машин МАИ, доктору технических наук, профессору Фирсанову В.В.