Оптимизация корпусов ГТД по массе с обеспечением требований удержания оборвавшейся лопатки

Цель работы
Оптимизация корпусов ГТД с целью получения конструкции обеспечивающей требования по удержанию оборвавшейся лопатки вентилятора и минимальной массы.

Отказы и повреждения возникающие в процессе эксплуатации газотурбинных двигателей
обрыв рабочих лопаток компрессоров и турбин
трещины в направляющих и спрямляющих аппаратах компрес­соров
повреждения проточных частей компрессоров и турбин из-за попадания в них твердых предметов
обгорание направляющих и рабочих лопаток турбин
обрыв крепежа
трещины в дисках, диафрагмах и сопловых аппаратах турбин
деформации, трещины и прогорание камер сгорания и жаровых труб
неисправности рабочих и пусковых топливных форсунок
неисправности топливо-регулирующей аппаратуры
неисправности подшипников
неисправности контрольно-измерительной аппаратуры и систем управления

Актуальность проблемы обрыва лопатки

Энергетическая методика ЦИАМ

Испытание вентилятора на обрыв лопатки
Испытания изделия проводились в полном соответствии с программой. После выхода на заданную частоту вращения был включен нагреватель лопатки. Частота вращения поддерживалась постоянной с точностью ±5 об/мин.
При достижении температуры на поверхности среднего участка ослабленного сечения 188°С произошел обрыв лопатки (примерно, через 20 с. после включения нагрева).
В результате осмотра объекта испытаний были обнаружены повреждения корпуса вентилятора с трещинами (основная и сопутствующая). Максимальное выпучивание корпуса в радиальном направлении 35 мм. В контрольном экране разгонного стенда следов вылета лопатки не обнаружено.

Пример расчетной схемы задачи по оптимизации корпусов ГТД
Корпуса и лопатки выполнены из титана VT6.
Взаимодействие между лопатками и корпусом осуществляется за счет контактного взаимодействия.
Критерий разрушения для лопаток: пластические деформации > 10%
Граничные условия
Постановка задачи оптимизации
Критерий оптимизации: - масса корпуса
Ограничения: - пластические деформации (10%) (непробиваемость корпуса)
Параметры: - толщина корпуса

Фрагментация лопатки первой ступени вентилятора
t = 1.489 мс
t = 0.389 мс
t = 0.589 мс
t = 0.789 мс
t = 0.989 мс
t = 1.289 мс
t = 1.989 мс
I удар
II удар
III удар

Пластические деформации на поверхности первого корпуса вентилятора
Высокий уровень пластических деформаций на внутренней поверхности корпуса возникает из-за трения элементов оборвавшейся лопатки с корпусом. Происходит счесывание небольшого слоя металла из-за взаимодействия оборвавшейся лопатки с поверхностью корпуса.
Максимальное значение пластических деформаций на внешней поверхности корпуса равно 6%

Пластические деформации на поверхности второго корпуса вентилятора
Из-за трения материалов на внутренней поверхности пластические деформации > 10 %, но их распространение по толщине корпуса незначительно.
Максимальное значение пластических деформаций на внешней поверхности корпуса равно 4%

Пластические деформации на поверхности третьего корпуса вентилятора
На внутренней поверхности небольшое пятно от контактного взаимодействия фрагментов лопатки с корпусом. Из-за трения материалов на внутренней поверхности пластические деформации больше 10 %, но их распространение по толщине корпуса незначительно.
Максимальное значение пластических деформаций на внешней поверхности корпуса равно 3%

Результат оптимизации
Корпус первой ступени
Корпус второй ступени
Корпус третьей ступени

Выводы
Анализ результатов оптимизации показал, что максимальный выигрыш по массе составил 21.49% и был получен для корпуса первой ступени компрессора КНД.
Выводы
1. Разработан комплекс, позволяющий производить оптимизацию корпусов компрессоров и турбин в автоматическом режиме.
2. Применение данной методики позволило снизить суммарную массу проектируемых корпусов на 18.86% относительно расчёта по методике ЦИАМ