Влияние погрешностей изготовления вала газотурбинного двигателя на его крутильные колебания


Авторы

Усманов А. Р.

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия

e-mail: ysman2d@gmail.com

Аннотация

В статье произведена оценка влияния неточностей изготовления вала газотурбинного двигателя на его крутильные колебания. В обзорной части были рассмотрены случаи, в которых присутствие производственных погрешностей может привести к возникновению эффектов, негативно сказывающихся на работе двигателя. Например, в вале, выполненном с отклонениями, может появиться дополнительный дисбаланс в работе, который приведет к увеличению рабочего прогиба вала. Такие эффекты свидетельствуют о необходимости правильного контролирования отклонений в размерах (допусков) изготавливаемых деталей, которое можно проводить с применением методов математического моделирования. В данной работе был произведен анализ крутильных колебаний выбранного ротора с применением метода конечных элементов. Была разработана конечно-элементная модель ротора и определена первая крутильная собственная частота и соответствующая ей собственная форма колебаний ротора. Сравнительная оценка полученных результатов и результатов расчета с применением упрощенного аналитического подхода показала, что конечно-элементная модель дает результаты, близкие к аналитическому методу. Далее конечно-элементная модель была использована для оценки влияния погрешностей изготовления вала на его крутильные колебания. Для этого в геометрической модели вала в составе рассмотренного ранее ротора была внедрена заданная разнотолщинность и расчет был повторен с теми же исходными данными. Результаты показали, что наличие разнотолщинности приводит к смещению места концентраций напряжений в сторону области утончения вала, что согласуется с предположениями. При этом максимальное значение напряжений увеличилось примерно на 12% (значение собственной частоты не изменилось). Таким образом, наличие неточностей изготовления валов может ощутимо влиять на их НДС при крутильных колебаниях. В работе продемонстрировано также, что изменение области концентраций напряжений вследствие наличия производственных погрешностей может привести, соответственно, к изменению мест появления трещин. Таким образом, разработанный метод можно применять для более точного определения таких зон.

Ключевые слова:

роторная динамика, производственные погрешности, допуск, крутильные колебания, вал

Библиографический список

  1. Болховитин М.С., Ионов А.В. Повышение качества изготовления штамповой оснастки для компрессоров газотурбинных двигателей // Труды МАИ. 2013. № 71. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=46719
  2. Смирнов М.М., Малюгин А.С. Разработка гибридных композитов на основе синтетических смол, модифицированных наночастицами металлов и керамики. Создание опытного производства // Труды МАИ. 2010. № 38. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=14540
  3. Маннапов А.Р., Зайцев А.Н. Особенности вырезки массивов малоразмерных близкорасположенных выступов методом импульсной электрохимической обработки // Труды МАИ. 2010. № 38. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=14609
  4. Ендогур А.И., Кравцов В.А., Солошенко В.Н. Принципы рационального проектирования авиационных конструкций с применением композиционных материалов // Труды МАИ. 2014. № 72. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=47572
  5. Леонтьев М.К., Иванов А.В. Модальный анализ динамических систем роторов // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2005. № 3. С. 31–35.
  6. Clark W., Kim J., Marangoni R.  Active Control of Dynamic Bearing Loads in Rotating Machinery Using Non-Invasive Measurements // Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air – American Society of Mechanical Engineers. 1994. V. 78873, P. V005T14A013.
  7. Брюханов С.А., Крисанов А.Е., Жариков В.В., Филянкин С.В. Влияние теплового дисбаланса на ротор насосно-компрессорного и турбинного оборудования // Евразийский союз ученых. 2015. № 12-5 (21). С. 35–37.
  8. Murillo-Marrodán A., García E., Barco J., Cortés F. Analysis of wall thickness eccentricity in the rotary tube piercing process using a strain correlated FE model // Metals. 2020. V. 21 (8), P. 1045. DOI: 10.3390/met10081045
  9. Choudhury T., Viitala R., Kurvinen E., Viitala R., Sopanen J. Unbalance estimation for a large flexible rotor using force and displacement minimization // Machines. 2020. V. 8 (3), P. 39. DOI: 10.3390/machines8030039
  10. Pennacchi P. Robust estimate of excitations in mechanical systems using M-estimators—Theoretical background and numerical applications // Journal of Sound and Vibration. 2008. V. 310 (4-5), P. 923-946. DOI: 10.1016/j.jsv.2007.08.007
  11. Nelson F.C. Rotor dynamics without equations // International Journal of COMADEM. 2007. V. 10 (3), P. 2.
  12. Zhao S., Ren X., Deng W., Lu K., Yang Y., Fu C. A transient characteristic-based balancing method of rotor system without trail weights // Mechanical Systems and Signal Processing. 2021. V. 148, P. 107-117. DOI: 10.1016/j.ymssp.2020.107117
  13. Усманов А.Р., Модестов В.С. Метод задания центробежных нагрузок валов при расчете дисбалансного поведения роторов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2023. № 16 (1). С. 132–139.
  14. Громов В.И., Якушева Н.А., Востриков А.В., Черкашнева Н.Н. Высокопрочные конструкционные стали для валов газотурбинных двигателей (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2021. № 1 (62). С. 3–12.
  15. Усманов А.Р., Модестов В.С. Центробежная нагрузка вала с учетом эффекта двоякой изгибной жесткости // Всероссийская научная конференция «Неделя науки ФизМех» (Санкт-Петербург, 3–7 апреля 2023): сборник статей. - Санкт-Петербург: Политех-Пресс, 2023. С. 316-318.
  16. Усманов А.Р., Модестов В.С. Влияние двоякой изгибной жесткости вала на его рабочий прогиб // XIII всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Санкт-Петербург, 21–25 августа 2023): сборник статей. - Санкт-Петербург: Политех-Пресс, 2023. С. 353-356.
  17. Usmanov A., Modestov V., Lukin A., Freidin A., Shtukin L., Yashchurzhinskaya O. Operational deflection of a three-dimensional shaft with dual stiffness // Mechanics Based Design of Structures and Machines. 2024. DOI: https://doi.org/10.1080/15397734.2024.2428753
  18. Урьев Е.В., Жуков С.В., Кистойчев А.В., Биялт М.А., Бочкарев Е.В., Кшесинский Д.С. О крутильных колебаниях валопроводов мощных паротурбинных агрегатов в условиях эксплуатации // Надежность и безопасность энергетики. 2017. № 10 (2). С. 126-134. 
  19. Попык К.Г. Динамика автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Высшая школа, 1970. – 328 с.
  20. Grimes R.G., Lewis J.G., Simon H.D. A shifted block Lanczos algorithm for solving sparse symmetric generalized eigenproblems // SIAM Journal Matrix Analysis Applications. 1996. V. 15 (1), P. 228-272. DOI: 10.1137/S0895479888151111


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2025

 Вход