Оценка прочности корпуса компрессора ГТД при ударе оторвавшейся лопатки

1
2
4
3
7
6
8
7
4
1
2
9
9
11
10
10
11
Компоненты 1, 2 и 3 – рабочие лопатки (с целью упрощения модели хвостовики всех лопаток компонента 3 объединены с диском); компоненты 4 и 5 – части диска, компонент 6 – внешняя обечайка корпуса, компонент 7 – внутренняя обечайка корпуса, компоненты 8 и 9 – направляющие аппараты (показаны только частично), компоненты 10 и 11 – тела, необходимые для ограничения движения и подавления автоколебаний части ротора осевого компрессора, используемой в расчёте. Компоненты 1-5 все вместе для удобства в дальнейшем будем называть ротором расчётной модели.
5
Общий вид модели, используемой в расчёте

Физические и механические свойства материалов модели

Модели материалов, размеры, типы элементов и количество узлов

Зависимость напряжений от деформации для сплава ВТ8
Поскольку для сплава ВТ8 в качестве исходных данных были получены диаграммы деформирования материала для ряда температур, то в расчёте для данного материала была использована кривая зависимости истинных напряжений (true stress) от эффективной пластической деформации (effective plastic strain).

Ограничения на движение и нагружение расчётной модели
В соответствии с исходными данными по наиболее опасному расчётному режиму ротору расчётной модели (компоненты 1-5) была задана скорость вращения 3169 рад/с (30262 об/мин, карты *INITIAL_VELOCITY_GENERATION, *BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION).
Для задания ограничений на вращение расчётной модели было создано два абсолютно твёрдых узловых тела (карта *CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY) А и Б. Во избежание возможных проблем перед созданием узлового твёрдого тела А в расчётную модель было добавлено простое упругое тело (компонент 10), узлы элементов которого и были использованы при создании узлового твёрдого тела А. Узловому твёрдому телу А запрещены любые движения. Из двух твёрдых узловых тел с помощью карты *CONSTRAINED_JOINT_REVOLUTE был получен цилиндрический шарнир (цилиндрический шарнир запрещает любое относительное движение, кроме вращения одного тела относительно другого).
Узлы, из которых созданы абсолютно твёрдые узловые тела А (слева) и Б (справа).

Узлы по краям направляющих аппаратов жёстко закреплены. Также, как и узлы по краям внешней обечайки корпуса.
Ограничения на движение расчётной модели
Жёсткое закрепление узлов

Демпфирование автоколебаний ротора расчётной модели
Для выполнения первого условия было создано абсолютно твёрдое тело (компонент 11) и ему задано вращение (3169 рад/с).

Демпфирование автоколебаний ротора расчётной модели
Для выполнения второго условия был проделан расчёт собственных частот для двух простых моделей – диска (компоненты 4 и 5) и рабочей лопатки (компонент 2) – также с использованием программы конечноэлементного анализа LS-DYNA.
Модели, использованные при расчёте собственных частот

Демпфирование автоколебаний ротора расчётной модели
Полученные значения собственных частот приведены далее в таблице. Поскольку однозначно сказать, какие именно частоты необходимо использовать при задании демпфирования очень проблематично, то было использовано суммарно 12 собственных частот и, соответственно, 12 карт *DAMPING_RELATIVE. Они выделены цветом.

Критерий разрушения моделей материалов

Контакты между компонентами и общая информация о расчётной модели
В расчёте используется общий контакт между всеми компонентами (карта *CONTACT_ERODING_SINGLE_SURFACE). При использовании данного контакта программа сама определяет зоны контакта. Также в расчёте используется контакт, соединяющий (склеивающий) рабочую часть рабочей лопатки (компонент 1) и её хвостовик (компонент 2) (карта *CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE). Хвостовики трёх лопаток (компонент 2) вставлены в пазы диска (компонент 4) и зафиксированы с помощью контровочных планок (контровочные планки объединены с диском). Соответственно при расчёте для этих компонентов используется общий контакт. Остальные рабочие части рабочих лопаток компрессора (компонент 3) имеют общие узлы с диском (контакт не требуется). Также и части диска (компоненты 4 и 5) имеют общие узлы. Внутренняя обечайка корпуса (компонент 7) и направляющие аппараты (компоненты 8 и 9) зафиксированы друг относительно друга благодаря пазам, имеющимся в исходной геометрии и сохранённым в расчётной модели, а также общему контакту между компонентами.
Общее расчётное время задачи – 1 мс.
Общее количество элементов в расчётной модели – 3552661.
Общее число узлов в расчётной модели – 1783349.
Общее время расчёта на компьютере (8-ми ядерный процессор AMD Ryzen 7 1700, 3ГГц; 64 ГБ оперативной памяти) – 24 часа 39 минут 35 секунд.
У всех используемых в расчётной модели элементов одна точка интегрирования на элемент.

Основные этапы расчёта
Расчёт можно разбить на три основные этапа:
1. В начальный момент времени к ротору расчётной модели прикладывается скорость вращения 3169 рад/с. Далее она поддерживается постоянной. Для подавления автоколебаний ротора используется карта *DAMPING_RELATIVE. Первый этап продолжается от момента времени 0 мс и до 0,25 мс.
2. На втором этапе расчёта демпфипрование не используется. Ротор расчётной модели продолжает вращение со скоростью 3169 рад/с. Второй этап продолжается от момента времени 0,25 мс и до 0,3 мс.
3. Третий этап расчёта начинается после деактивации контакта между рабочей частью рабочей лопатки (компонент 1) и её хвостовиком (компонент 2). Далее рабочая часть лопатки под действием центробежных сил летит по направлению к корпусу и происходит удар. Третий этап продолжается от момента времени 0,3 мс и до окончания расчёта в момент времени 1 мс.

Результаты расчёта
Эквивалентные (по Мизесу) напряжения (в элементах) в моменты времени 0,25 мс (слева) и 0,3 мс (справа), МПа
Как можно видеть, колебания напряжений отсутствуют, а, следовательно, автоколебания ротора расчётной модели были полностью подавлены с помощью карт *DAMPING_RELATIVE.

Результаты расчёта
Эквивалентные (по Мизесу) напряжения (слева в элементах, справа в узлах) в момент удара рабочей части рабочей лопатки о корпус (0,345 мс), МПа
У всех элементов, используемых в расчётной модели, одна точка интегрирования на элемент, и, соответственно, программа LS-DYNA определяет одно значение эквивалентного напряжения для всего элемента на каждом шаге расчёта. Далее через это значение и аналогичные значения в соседних элементах определяются напряжения в узлах элемента, что приводит к погрешностям. Поэтому напряжения на внутренней поверхности внутренней обечайки корпуса показаны здесь и далее в элементах, а не в узлах.

Результаты расчёта
Эквивалентные (по Мизесу) напряжения (слева в элементах, справа в узлах) в момент повторного удара рабочей части рабочей лопатки о корпус (0,54 мс), МПа

Результаты расчёта
Эквивалентные (по Мизесу) напряжения (слева в узлах, справа в элементах), МПа

Результаты расчёта
Наибольшие значения эквивалентных (по Мизесу) напряжений в элементах в моменты удара (слева, 0,345 мс) и повторного удара (справа, 0,54 мс), МПа