Математическое моделирование и численный анализ ресурсных характеристик рабочих лопаток осевых турбомашин от расстройки статора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Нгуен Ван Мань

• Нгуен Ван Мань
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Ван Мань

ВВЕДЕНИЕ

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ РАБОЧИХ КОЛЁС ТУРБОМАШИН С УЧЕТОМ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И РАССТРОЙКИ ПАРАМЕТРОВ

1.1 Виды основных отказов рабочих лопаток и рабочих колёс турбомашин

1.1.1 Лопатки, диски осевого компрессора и их напряжённо-деформированное состояние при эксплуатации

1.1.2 Виды отказов рабочих лопаток газовых турбин

1.1.3 Аэродинамические проблемы в турбомашине

1.2 Актуальность исследования влияния аэродинамических характеристик и расстройки параметров на многоцикловую усталость рабочих колёс турбомашин

1.3 Обзор численных и экспериментальных исследований влияния аэродинамических характеристик и расстройки параметров на многоцикловую усталость рабочих колёс турбомашин

1.3.1 Результаты исследований влияния аэродинамических характеристик и расстройки параметров на многоцикловую усталость рабочих колёс турбомашин

1.3.2 Численно-экспериментальные методы исследований аэродинамических характеристик и расстройки параметров на многоцикловую усталость рабочих колёс турбомашин

1.4 Выводы

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И РАЗВИТИЕ ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ РАБОЧИХ КОЛЁС ТУРБОМАШИН С УЧЕТОМ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

2.1 Разработка численных методов для исследования аэродинамических

характеристик осевых компрессоров турбомашин

2.1.1 Основные уравнения и численные методы для решения уравнений аэродинамики

2.1.2 Применение метода конечных объёмов для моделирования нестационарного течения в ступени турбины

2.2 Разработка численных методов для исследования динамических и ресурсных характеристик деталей турбомашин

2.2.1 Задачи определения динамических характеристик рабочих колёс турбомашин

2.2.2 Основные алгоритмы метода конечных элементов при исследовании усталостной прочности лопаток и других деталей турбомашин

2.2.3 Концепция и метод определения многоцикловой усталостной долговечности по напряжениям

2.3 Разработка математических моделей аэродинамических нагрузок, возникающих на рабочих лопатках при существовании кромочного следа за направляющими лопатками статора

2.4 Программная реализация метода исследования прочностных характеристик рабочих колёс турбомашин под действием аэродинамических нагрузок

2.5 Разработка математической модели для расчета аэродинамических сил от изменения расположения лопаток статора по окружности диска

2.6 Программная реализация метода исследования влияния расположения лопаток статора по окружности диска на ресурсные характеристики рабочих колёс турбомашин

2.7 Выводы

3 ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ ВЛИЯНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТАТОРА НА МНОГОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ МОДЕЛЕЙ РАБОЧИХ КОЛЁС ТУРБОМАШИН

3.1 Математическое моделирование аэродинамических нагрузок,

возникающих на рабочих лопатках при существовании кромочного следа

3.1.1 Развитие численных методов для анализа аэродинамических

характеристик ступеней компрессора

3.1.2 Результаты численного исследования аэродинамических нагрузок, возникающих на рабочих лопатках при существовании кромочного следа за направляющими лопатками статора

3.2 Результаты численного исследования динамических и ресурсных характеристик рабочих колёс турбомашин

3.2.1 Верификация разработанных математических моделей и созданного программного обеспечения на тестовых моделях пластин и академических рабочих колёс осевых турбомашин

3.2.2 Численный расчет ресурсных характеристик академических рабочих колёс осевых турбомашин

3.2.3 Влияние изменения геометрических параметров лопаток статора на аэродинамические характеристики и долговечность рабочих колёс

3.3 Выводы

4 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО УВЕЛИЧЕНИЮ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ДЛЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ТРАНСПОРТНЫХ ТУРБОМАШИН

4.1 Численное исследование использования модифицированного статора для снижения уровня возбуждающих сил и увеличения ресурса рабочих лопаток

4.1.1 Исследование использования модифицированного статора с изменением фазы между блоками лопаток

4.1.2 Исследование использования модифицированного статора с изменением расстояния между лопатками внутри блока

4.1.3 Исследование использования модифицированного статора комбинацией двух вышеописанных способов

4.1.4 Исследование использования модифицированного статора с произвольным смещением всех лопаток базовой конфигурации

4.2 Разработка рекомендаций по увеличению усталостной прочности с учетом преднамеренной блочной рассройки аэродинамических параметров

модельных и реальных рабочих колёс

4.2.1 Модельное академическое колесо

4.2.2 Реальное колесо фирмы Роллс - Ройс

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. СВИДЕТЕЛЬСТВА О РЕГИСТРАЦИИ ПРОГРАММ ДЛЯ ЭВМ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование и численный анализ ресурсных характеристик рабочих лопаток осевых турбомашин от расстройки статора»

ВВЕДЕНИЕ

В современных турбомашинах наблюдается тенденция к улучшению таких качественных показателей, как мощность, производительность и КПД. Достижение этих целей требует увеличения скорости вращения ротора, повышения степени сжатия воздуха в компрессоре, увеличения температуры газа перед турбиной и других параметров. С другой стороны, такие изменения вызывают значительное увеличение аэродинамических нагрузок. Одной из актуальных задач является снижение напряжений в рабочих лопатках турбомашин с помощью преднамеренной настройки параметров статора.

На практике приблизительно 80-90% отказов рабочих лопаток и дисков турбомашин это разрушения от вибраций и многоцикловой усталости. Множество деталей и конструкций турбомашин прекрасно выполняют свои функции в начальный период эксплуатации, но затем они часто разрушаются по усталостным причинам. Усталостные разрушения деталей турбомашин не только значительно увеличивают затраты на эксплуатацию, но и зачастую могут вызывать нарушения безопасности работы турбомашин, приводить к авариям и катастрофам. Таким образом, к числу наиболее важных показателей, характеризующих надёжность турбомашин, относится усталостная долговечность рабочих колёс, а именно лопаток и дисков, как наиболее высоконагруженных элементов конструкций. Одной из главных причин усталости рабочих колёс является переменная циклическая аэродинамическая сила, возникающая на рабочих лопатках из-за кромочных следов потока газа или пара за направляющими лопатками статора. При модификации геометрии направляющих решёток в виде преднамеренной расстройки можно уменьшить аэродинамическую нагрузку от течения газа перед рабочими лопатками и снизить амплитуды их колебаний или изменить частоты возбуждения рабочих лопаток. С помощью этого подхода уменьшается динамическое напряжение и увеличивается долговечность рабочих лопаток турбокомпрессоров.

До сих пор явление аэродинамической расстройки от направляющих лопаток и её влияние на долговечность рабочих колёс практически не изучено.

Известно лишь несколько трудов таких авторов, как: B. Beirow, J. P. Clark, M. H. Hirschberg, Y. Kaneko, H. Kemp, T. Sun, M. Zhang, В. Л. Блинов, Г. С. Коленько, Ю. П. Кухтин, А. С. Ласкин, Р. Ю. Шакало. В этой связи разработка и развитие математических моделей, численных методов и программ расчёта позволяет точнее определить влияние аэродинамических сил от незначительной расстройки параметров лопаток статора на динамические и ресурсные характеристики рабочих колёс турбомашин. Это существенно снижает трудоёмкость и затраты времени на проектирование и доводку новых конструкций турбомашин и позволяет продлить их долговечность в эксплуатации, что является актуальной проблемой современного энергетического и транспортного двигателестроения.

Целью диссертационной работы является развитие математических моделей на основе метода конечных элементов (МКЭ) и численно-аналитических методов анализа динамической нагрузки и долговечности; создание эффективного программного комплекса и исследование долговечности рабочих колёс турбомашин с учетом аэродинамического влияния и преднамеренной расстройки параметров статора.

В соответствии с целью выделены следующие задачи:

1) разработка математической модели аэродинамической нагрузки рабочих лопаток ротора от кромочных следов и расположения сопловых лопаток. Развитие численных методов конечных элементов и конечных объёмов для математического моделирования модифицированных направляющих лопаток статора и расчёта долговечности рабочих лопаток. Оценка влияния изменений в статоре на аэродинамические характеристики ступени и уровень нагрузок на рабочие лопатки;

2) создание эффективного программного обеспечения для расчёта влияния различных видов направляющих решёток на долговечность модельных и реальных рабочих колёс турбомашин;

3) комплексный анализ долговечности и разработка рекомендаций для увеличения надёжности ступеней энергетических и транспортных турбомашин

путём введения преднамеренной расстройки лопаток статора и аэродинамических параметров;

Объектом исследований являются ступени компрессоров и турбин энергетических и транспортных турбомашин с учётом расстройки параметров статора, аэродинамических нагрузок, механических колебаний, вращения и других эксплуатационных факторов.

Предметом исследований является анализ влияния расстройки лопаток статора на долговечность рабочих лопаток осевых колёс турбомашин с учётом эксплуатационных нагрузок.

Методы исследования. В качестве базового метода исследований выбран метод конечных элементов (МКЭ) для решения задач собственных и вынужденных колебаний (в главе 3), а также исследования долговечности рабочих колёс турбомашин. В диссертационной работе использованы теория упругости, теория колебаний, механика деформируемого твердого тела, методы вычислительной газовой динамики, которые представлены в главе 2. Применены теория матриц, методы решения алгебраической системы уравнений и численное интегрирование в главе 3.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов расчёта вибрационных характеристик деталей турбомашин подтверждена экспериментом, сравнением с аналитическими решениями и численными данными других авторов.

Научная новизна соответствует следующим пунктам паспорта специальности 1.2.2 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ по техническим наукам:

Пункт 2. Разработка, обоснование и тестирование эффективных вычислительных методов с применением современных компьютерных технологий.

1. предложена и обоснована математическая модель аэродинамической нагрузки, возникающей на рабочих лопатках ротора от кромочного следа за сопловыми лопатками и их расположения по ободу статора. Применён и адаптирован вычислительный метод анализа на основе

МКЭ для расчёта колебаний и долговечности рабочих колёс энергетических и транспортных турбомашин на эксплуатационных режимах работы;

Пункт 3. Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента.

2. создан комплекс оригинальных проблемно-ориентированных программ (CALC_AERO и USE_MOD_VANES) для проведения вычислительного эксперимента по расчёту аэродинамических сил и исследования прочностных характеристик высоконагруженных элементов осевых роторов турбомашин с помощью программных средств ANSYS и Python;

Пункт 8. Комплексные исследования научных и технических проблем с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.

3. проведено комплексное исследование долговечности осевых рабочих колёс энергетических и транспортных турбомашин по увеличению ресурсных характеристик рабочих лопаток роторов при проектировании новых изделий с учётом аэродинамического воздействия и преднамеренной расстройки параметров статора.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. математические модели для расчёта аэродинамической нагрузки, возникающей на рабочих лопатках от кромочного следа и расположения по ободу сопловых лопаток статора, и вычислительные методы на основе МКЭ для анализа долговечности осевых турбомашин;

2. комплексы авторских программ (CALC_AERO и USE_MOD_VANES), предназначенных для расчёта аэродинамической нагрузки и анализа изменения уровня возбуждения и долговечности на рабочих лопаток при использовании модифицированного статора;

3. результаты численных исследований влияния аэродинамических характеристик и геометрических параметров направляющих решёток статора на ресурсные характеристики рабочих лопаток и облопаченных дисков модельных

и реальных компрессоров осевых турбомашин.

Теоретическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в развитии математических моделей и численных методов для исследования переменных аэродинамических нагрузок и анализа влияния преднамеренной расстройки статора на вибронапряжения и долговечность рабочих лопаток энергетических и транспортных турбомашин.

Практическая значимость работы. Создан комплекс программ для расчёта аэродинамических нагрузок и исследования их влияния на долговечность осевых рабочих колёс турбомашин. Определены закономерности изменения аэродинамических сил на рабочих лопатках при варьировании геометрических параметров и вариантов установки лопаток статора при существенном снижении трудоёмкости вычислительного эксперимента и затрат времени ЭВМ. Полученные результаты исследований долговечности рабочих лопаток по различным видам модификации статора оформлены в виде рекомендаций для фирм - производителей газотурбинных двигателей, что позволяет использовать их при проектировании новых изделий осевых турбомашин в области энергетического и транспортного машиностроения с повышенными ресурсными характеристиками.

Реализация результатов работы. Материалы и результаты диссертационного исследования внедрены и используются в учебно-научном процессе на энергетическом факультете Иркутского государственного аграрного университета имени А.А. Ежевского и в АО «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции молодых учёных «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК» (Иркутский ГАУ, п. Молодёжный, 2021-2023); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные вопросы агропромышленного комплекса России и за рубежом» (Иркутский ГАУ, Молодёжный, 2021); Национальной научно-практической

конференции с международным участием «Актуальные вопросы инженерно-технического и технологического обеспечения АПК» (Иркутский ГАУ, Молодёжный, 2021); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы и перспективы устойчивого развития агропромышленного комплекса» (Иркутский ГАУ, Молодёжный, 2022); International Scientific and Practical Conference «Digital and Information Technologies in Economics and Management (DITEM 2022)» (Москва, 2023); Национальном форуме с международным участием «Цифровые технологии в образовании, науке и сельском хозяйстве» (Иркутский ГАУ, Молодёжный, 2023); научно-практической конференции «Научно-исследовательская деятельность аспирантов в решении приоритетных задач развития агропромышленного комплекса» (Иркутский ГАУ, Молодёжный, 2023); Международной научно-практической конференции «Климат, экология и сельское хозяйство Евразии» (Иркутский ГАУ, Молодёжный, 2022-2023); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Цифровизация: Теория и Практика» (БГУ, Иркутск, 2023); International Conference on Simplicity and Complexity in SMART Automatics and Energy Systems «SMART-SYSTEMS» (Владивосток, 2024); International multidisciplinary conference on industrial engineering and modern technologies «FarEastCon-2024» (Владивосток, 2024). Автор получил диплом III степени международной научно-практической конференции молодых учёных «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК» в Иркутском ГАУ.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 25 научных работах, в том числе 6 публикаций в изданиях из списка ВАК, из них 4 - по специальности 1.2.2.; 1 публикации в изданиях, индексируемых в базах Web of Science и Scopus. Имеются 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 125 наименований. Общий объем работы составляет 143 страницы, которые содержат 24 таблицы, 64 рисунка и 3 приложения.

Личный вклад автора. Результаты, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены объект и предмет исследования, цель исследования, задачи и методы их решения, представлена научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, а также краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе описан обзор численных исследований прочности и долговечности высоконагруженных элементов осевых роторов турбомашин с учётом аэродинамических характеристик и расстройки параметров. Представлен анализ работ в области исследований использования модифицированного статора для изменения аэродинамических характеристик и прочности рабочих колёс турбомашин. Представлены основные результаты исследований явления преднамеренной расстройки, выполненные отечественными и зарубежными авторами.

Во второй главе даётся краткий анализ преимуществ и недостатков численных методов, которые могут быть использованы для решения вышеперечисленных задач. Для анализа ресурсных характеристик рабочих лопаток под действием аэродинамических нагрузок необходимо решение ряда задач, таких как: системы уравнений газодинамики; расчёт и анализ аэродинамических характеристик нестационарного течения газа или пара в ступенях компрессора; математическое моделирование возбуждающих аэродинамических сил; исследование динамики и долговечности рабочих колёс от расстройки статора.

Для анализа аэродинамических характеристик ступеней компрессора из существующих численных методов выбран и обоснован метод конечных объёмов (МКО), который является самым простым и эффективным средством решения проблемы моделирования течений в областях сложной геометрии. Данная глава содержит описание сущности, вариантов применения МКО в

гидродинамике, основных принципов и алгоритмов при реализации МКО и видов конечных объёмов. Также описаны известные и развиты оригинальные математические подходы на основе МКО для решения задач нестационарного течения газа или пара в ступенях компрессора, включая в себя развитие методов нестационарного лопаточного венца, которые дают возможность проведения расчётов на подвижной расчётной сетке с учётом вращения ротора.

Для определения динамических характеристик конструкции и прогнозирования ресурса рабочих колёс турбомашин используются следующие основные численные методы: метод исключения Гаусса (анализ статического напряженно-деформированного состояния); метод Якоби (расчет собственных колебаний); метод суперпозиции мод (расчет вынужденных колебаний), метод «дождя», метод учета средних напряжений Гудмана, гипотеза Пальмгрен -Майнера (оценка долговечности). Для решения задачи прогнозирования ресурса рабочих колес турбомашин разработанные алгоритмы были интегрированы на основе метода конечных элементов (МКЭ). В данной главе представлены известные и развиты некоторые математические подходы на основе МКЭ для анализа статического и динамического состояния высоконагруженных деталей турбомашин под действием аэродинамических нагрузок.

Также в главе описаны разработанные математические модели аэродинамических сил, действующих на рабочие лопатки турбомашин в процессе эксплуатации от лопаток статора. На основе разработанных математических моделей автором создан комплекс оригинальных проблемно-ориентированных программ. Первая программа CALC_AERO предназначена для вычисления коэффициентов аэродинамических сил в созданной математической модели, возникающих от кромочного следа направляющих лопаток статора. Вторая программа USE_MOD_VANES применена для расчета уровня возбуждающих сил при геометрической модификации расположения лопаток статора по ободу диска. Разработан программный интерфейс для стыковки авторских программ с системой ANSYS для исследования ресурса

рабочих лопаток турбомашин с учетом аэродинамического влияния и расстройки параметров статора.

В третьей главе представлены результаты численного расчета коэффициентов аэродинамических сил, действующих на рабочие лопатки в резонансных условиях. Также в главе рассматривается применение полученных результатов моделирования для анализа долговечности рабочих лопаток под действием аэродинамических нагрузок. Предложены различные варианты для верификации созданных и применяемых автором конечно-элементных моделей при расчёте статического НДС, собственных частот и форм колебаний и долговечности моделей рабочих колёс без и с расстройкой геометрических параметров. Кроме этого, проведено исследование влияния изменения параметров лопаток статора на ресурс рабочих лопаток и рабочего колеса. Полученные результаты вычислительного эксперимента академических конструкций и верификации созданных математических моделей и программного обеспечения позволили распространить их на анализ реальных конструкций.

В четвертой главе представлены результаты численного анализа влияния модификации расположения лопаток статора на снижение уровня аэродинамических возбуждающих сил, действующих на рабочие лопатки компрессора турбомашин. Модифицированный статор был разработан с использованием блочных моделей лопаток. В рамках модификации блоки лопаток статора смещены относительно друг друга, либо изменены расстояния между лопатками внутри блока. Данные изменения приводят к фазовому отклонению газового импульса при его прохождении через решетку направляющих лопаток статора, и возникает эффект подавления силы на рабочих лопатках. Оценка уровня аэродинамических сил на рабочие лопатки выполнялась с использованием авторской программы USE_MOD_VANES. Это позволило разработать новые варианты конфигураций статора, направленные на повышение ресурсных характеристик конструкций. Также проведен численный анализ влияния различных типов геометрической модификации статора на долговечность рабочих колёс. На основании полученных

результатов предложены рекомендации для конструкторов энергетических и транспортных турбомашин по увеличению ресурсных характеристик при проектировании и доводке новых высоконагруженных деталей турбомашин.

Разработанное программное обеспечение и методики численного анализа внедрены в конструкторскую и проектную деятельность АО «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения».

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ЧИСЛЕННЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ РАБОЧИХ КОЛЁС ТУРБОМАШИН С УЧЕТОМ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И РАССТРОЙКИ

ПАРАМЕТРОВ

1.1 Виды основных отказов рабочих лопаток и рабочих колёс

турбомашин

1.1.1 Лопатки, диски осевого компрессора и их напряжённо-деформированное состояние при эксплуатации

В газотурбинных установках компрессор имеет, как правило, осевую многоступенчатую конструкцию (рис. 1.1). Благодаря такой конструкции компрессор обладает высоким коэффициентом полезного действия, высокой надежностью и высокой производительностью.

Рабочие лопатки Лопатки статора

Рис. 1.1 Устройство осевого компрессора Компрессор состоит из нескольких ступеней, количество которых варьируется в зависимости от необходимого уровня повышения давления и его назначения. Это может быть от одной-двух до 14 и более ступеней. Каждая ступень включает два ряда лопаток специального профиля. Первый ряд представляет собой рабочее колесо, которое установлено на одной оси с турбиной и приводится в движение. Рабочие лопатки являются подвижными

элементами ротора. Второй ряд состоит из направляющих лопаток, которые включают неподвижные лопатки, соединенные с корпусом компрессора. При прохождении газа или пара через ступень осевого компрессора происходит сложное движение: это включает как абсолютное движение набегающего потока, так и относительное движение по отношению к лопаткам с учётом вращения рабочих колёс, как следует из работы Э.Л. Айрапет [1].

Во время эксплуатации ротор компрессора вращается со скоростью до 17000 об/мин при температуре до 1600°С. Следовательно, рабочие лопатки одновременно подвергаются воздействию значительных центробежных сил и высоких температур. Кроме того, газ, проходя через ступень осевого компрессора с большей скоростью и высоким давлением, также оказывает значительное воздействие на рабочие лопатки, действуя на них значительными аэродинамическими силами. При эксплуатации двигателя в лопатках осевого компрессора и турбины возникают различные напряжения (Л.П. Гецов [11], Л.Б. Лозицкий [30]):

- растяжения, изгибы и кручение, вызванные центробежными силами;

- изгибы и кручения, возникающие под воздействием аэродинамических сил при обтекании текущим газом.

- температурные напряжения, возникающие из-за нестационарного теплового воздействия или наличия стационарных неоднородных температурных распределений по сечению.

Во время эксплуатации осевых компрессоров и газовых турбин в дисках возникают различные типы напряжений. Как отмечено в работе И. И. Мееровича [32], основными факторами, вызывающими напряжения, являются:

- центробежные силы, воздействующие на массу диска и прикреплённых к нему лопаток, вызывают растягивающие напряжения;

- температурные градиенты, возникающие из-за неоднородного нагрева дисков по толщине и радиусу, приводящие к температурным напряжениям;

- газодинамические силы, которые вызывают изгиб дисков под воздействием потока газа;

- вибрационные эффекты, возникающие из-за динамических процессов, которые могут дополнительно нагружать конструкцию.

Такие комплексные нагрузки требуют детального анализа и тщательного проектирования, чтобы обеспечить долговечность и надёжность работы роторных дисков в условиях эксплуатации.

1.1.2 Виды отказов рабочих лопаток газовых турбин

Рис. 1.2 Повреждаемость деталей ротора парового компрессора:

а) типы повреждаемых деталей: 1- рабочие лопатки компрессора; 2 - вал ротора; 3- муфта; 4- концевые уплотнения; 5- диафрагменные уплотнения; 6-бандаж; 7 - диск.

б) причины повреждаемости рабочих лопаток компрессора: 1 -усталостное разрушение; 2 - эрозионный износ; 3 - коррозионный износ; 4-прочее.

В исследовании А.Ф. Медникова [31] представлены статистические данные о повреждениях деталей ротора отечественных паровых компрессоров за период с 1991 по 1998 годы. Выявлено, что до 46,8% повреждений роторов приходится на рабочие лопатки, в то время как на вал ротора - 17% (рис. 1.2 а). Анализ причин повреждаемости рабочих лопаток компрессора показывает, что около 50% их поломок связано с исчерпанием запасов прочности и усталостью металла, а 50% - с усталостным разрушением (рис. 1.2 б).

Механические повреждения

Газотурбинные двигатели в процессе работы потребляют значительные

объемы воздуха. При этом любые твердые частицы, захваченные воздушным потоком, способны вызывать повреждения вследствие эрозионного воздействия или механических ударов. В большинстве случаев использование фильтрующих систем оказывается нецелесообразным, однако в некоторых приложениях применяются грубые экраны для предотвращения попадания крупных частиц.

Повреждения, вызванные попаданием посторонних предметов, таких как мелкие твердые частицы, во время взлета и посадки воздушных судов, могут существенно нарушить аэродинамическую форму рабочих профилей компрессора и турбины авиационных двигателей (T.J. Carter [75]). Размер частиц, например, гравия или песка, как правило, составляет несколько миллиметров, а скорости их столкновения зависят преимущественно от скорости вращения лопаток и варьируются в диапазоне 100-350 м/с в зависимости от типа двигателя. Повреждения чаще всего возникают при контакте частицы с вращающейся лопаткой. Наиболее уязвимой областью является передняя кромка лопаток, где повреждения проявляются в виде вмятин или выемок, что приводит к деградации эксплуатационных характеристик двигателя.

Повреждение при высокой температуре

Термомеханические усталостные повреждения возникают вследствие совокупного воздействия внешних механических нагрузок, а также циклических растягивающих и сжимающих напряжений, обусловленных температурными градиентами в материалах конструкции. Данный эффект особенно выражен в отношении лопаток компрессора, в частности охлаждаемых. Лопатки компрессора, которые перед запуском двигателя не подвергались процессу предварительного охлаждения, характеризуются отсутствием остаточных напряжений и находятся в равновесном состоянии при исходной температуре окружающей среды.

Процессы нагрева и охлаждения лопаток компрессора приводят к неравномерному распределению температуры, что вызывает появление циклов термического напряжения. Эти циклические тепловые нагрузки оказывают

воздействие на материал лопатки, провоцируя термическую усталость, которая проявляется в виде образования и распространения трещин. В современных газовых компрессорах, функционирующих при всё более высоких температурах с целью повышения эффективности, тяги и топливной экономичности, термическая усталость становится особенно актуальной. Кроме того, увеличение времени эксплуатации оборудования усиливает влияние данного явления, что делает термическую усталость одной из ключевых причин разрушения лопаток компрессора.

Повреждение от ползучести материалов

Все лопатки компрессора подвержены ползучести как естественному следствию работы при высоких температурах и напряжениях, и ползучесть в конечном итоге является процессом, ограничивающим срок службы всех лопаток. При нормальной эксплуатации ползучесть проявляется в виде растяжения лопатки, при котором лопатка удлиняется в процессе эксплуатации. Растяжение лопатки регулярно измеряется во время проверок, а длина обрезается, чтобы восстановить правильный зазор между наконечниками. Лопатка разрушается, когда накопленная деформация достигает заранее определенного значения. Лопатки выходят из строя из-за ползучести, когда рабочие температуры двигателя превышают предел на короткое время или когда процедуры проверки не соблюдаются должным образом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Ван Мань, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айрапет Э Л. Колебания машин, конструкций и их элементов/ Э. Л. Айрапет ров [и др.]. - М.: Москва «Машиностроение», 1980. - 544 с.

2. Андрей В. С. Метод определения характеристик сопротивления усталости деталей сложной формы/ В. С. Андрей // Транспорт Урала. - 2004. -№ 3. - С39-43.

3. Барриентос К. А. Метод снижения аэродинамических сил, возбуждающих колебания лопаток турбин: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.01/ К. А. Барриентос. - Москва. - 1984. - 188 с.

4. Биргер И. А. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей/ И. А. Биргер [и др.]. - М.: Машиностроение, 1981. -222 с.

5. Блинов В. Л. Разработка принципов параметрического профилирования плоских решеток осевых компрессоров ГТУ на основании результатов многокритериальной оптимизации: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.12 / В. Л. Блинов. - Екатеринбург, 2014. - 168 с.

6. Борискин О. Ф. Автоматизированные системы расчета колебаний методом конечных элементов/ О. Ф. Борискин. - Иркутск: Изд. Иркут. Ун-та, 1984. - 188 с.

7. Борискин О. Ф. Конечно-элементный анализ колебаний машин/ О. Ф. Борискин, В. В. Кулибаба, О. В. Репецкий. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1989. - 144 с.

8. Буй М. К. Разработка численных методов и программного обеспечения для прогнозирования усталостной прочности деталей турбомашин: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.18/ Буй Мань Кыонг. - Иркутск, 2011. - 220 с.

9. Буюкли Т. В. Моделирование динамического поведения лопаток компрессоров авиационных двигателей в нестационарном потоке воздуха: дис. ... канд. техн. наук: 05.07.05/ Т. В. Буюкли. - Иркутск. - 2011. - 132 с.

10. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов/ В. Вейбулл.- М.: Машиностроение, 1964. - 276 о

11. Гецов Л. Б. Детали газовых турбин/ Л. Б. Гецов. - Л.: Машиностроение, 1982. - 285 с.

12. До М. Т. Численный анализ влияния расстройки параметров на динамические характеристики рабочих колёс турбомашин: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.18/ До Мань Тунг. - Иркутск. - 2014. - 197c.

13. Ермаков А. И. Влияние связанности колебаний на собственные формы рабочего колеса с неидентичными лопатками/ А. И. Ермаков,

A. В. Урлапкин, Д. Г. Федорченко // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, 2014. - № 5. - С. 76-81.

14. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. -М.: Мир, 1975. - 541 с.

15. Иванов В. П. Колебания рабочих колёс турбомашин/ В. П. Иванов.

- М.: Машиностроение, 1983. - 224с.

16. Ильина В. А. Численные методы для физиков-теоретиков/

B. А. Ильина, П. К. Силаев. - Москва-Ижевск: Ин-т компьютерных исследований, 2003. - 132 с.

17. Караджи С. В. Сравнение аэродинамических характеристик лопаточных венцов с различной формой оси лопатки/ С. В. Караджи, Р. З. Тумашев// Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies.

- 2012. - Vol.3. - С.245-257

18. Квитка А. Л. К расчёту лопаток ГТД методом конечных элементов/

A. Л. Квитка, П. П. Ворошко, Л. А. Заслоцкая// Проблемы прочности. - 1976. -№6. - С. 60 - 64.

19. Киреев В. И. Численные методы в примерах и задачах/

B. И. Киреев, Ф. В. Пантелеев. - М.: Москова «Высшая школа», 2008. - 477 с.

20. Киселев А. С. Прогнозирование ресурса рабочих лопаток турбин авиационных ГТД: дис. ... канд. техн. наук: 05.07.05/ А. С. Киселев. - Казань. -2011. - 140 с.

21. Ковеня В. М. Методы конечных разностей и конечных объёмов для решения задач математической физики/ В. М. Ковеня, Д. В. Чирков.: Учебное пособие. - Новосибирск, 2013. - 87 с.

22. Ковыршин С.В. Анализ гипотез повреждаемости конструкций / С. В. Ковыршин, О. В. Репецкий // Весник ИрГТУ. - 2001. - № 1. С. 69-81.

23. Когаев В. П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность/ В. П. Когаев, Н. А. Махутов, А. П. Гусенков. -М.: Машиностроение. - 1985. - 224 с.

24. Коленько Г. С. Нестационарные и осредненные аэродинамические нагрузки, действующие на рабочие лопатки разной геометрии/ Г. С. Коленько, А.С. Ласкин// Научно-технические ведомости СПБПУ. Естественные и инженерные науки. - 2020 - Т. 26 - № 1. - С.15-28.

25. Колотников М. Е. Предельные состояния деталей и прогнозирование ресурса газотурбинных двигателей в условиях многокомпонентного нагружения / М. Е. Колотников. - Рыбинск: РГАТА. -2003. - 136 с.

26. Костюк А. Г. Динамика и прочность турбомаши/ А. Г. Костюк. -М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 476 с.

27. Костюк А. Г. Паровые и газовые турбины для электростанций/ А. Г. Костюк, В. В. Фролов, А. Е. Булкин, А.Д. Трухний. - М.: Издательский дом МЭИ, 2016. - С. 452-473.

28. Кузнецов Ю. А. Численные методы и математическое моделирование/ Ю. А. Кузнецов. - Академия наук ССР: Сбор, 1986. - 174 с.

29. Кухтин Ю. П. Снижение вибронапряженности попарно бандажированных рабочих лопаток турбины/ Ю. П. Кухтин, Р. Ю. Шакало// Aerospace technic and technology. - 2020. - No.7. - С.52-58.

30. Лозицкий Л. П. Конструкция и прочность авиационных двигателей/ Л. П. Лозицкий [и др.]. - Москва «Воздушный транспарт», 1992. - 535 с.

31. Медников А. Ф. Определение длительности инкубационного периода процесса каплеударной эрозии рабочих лопаток последних ступеней проектируемых паровых турбин большой мощности: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.12/ А. Ф. Медников. - Москва. - 2012. - 136 с.

32. Меерович И. И. Распределение напряжений в компрессорных лопатках при колебаниях / И. И. Меерович. - М.: Оборонгиз, 1961. - 106 с.

33. Нгуен В. В. Разработка математических моделей, методик и программного обеспечения для создания турбомашин повышенного ресурса с помощью преднамеренной расстройки: дис. ... канд. техн. наук: 1.2.2/ Нгуен Ван Винь. - Иркутск. - 2023. - 176с.

34. Нгуен Т. К. Математические модели и программный комплекс для оценки влияния расстройки параметров рабочих колёс энергетических турбомашин на их долговечность: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.18/ Нгуен Тьен Кует. - Иркутск. - 2018. - 153с.

35. Образцов И. Ф. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов/ И. Ф. Образцов, Л. М. Савельев, X. С. Хазанов. - М.: Высш. школа, 1985. - 392 с.

36. Репецкий О. В. Анализ динамических характеристик элементов турбомашин/ О. В. Репецкий, В. В. Нгуен// Вестник НГИЭИ. - 2020. - № 2 (105). - С. 5-17.

37. Репецкий О. В. Анализ ресурсных характеристик транспортных турбомашин с расстройкой параметров с использованием системы ANSYS и авторского программного интерфейса / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Вестник НГИЭИ. - 2024. - № 8. - С. 32-47.

38. Репецкий О. В. Верификация разработанных математических моделей и созданного программного обеспечения на тестовых моделях пластини академических рабочих колесах осевых турбомашина / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2024. - № 2. - С. 134-144. - DOI: 10.26731/1813-9108.2024.2(82).134-144.

39. Репецкий О. В. Компьютерный анализ динамики и прочности турбомашин/ О. В. Репецкий. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. - 301с.

40. Репецкий О. В. Литературный обзор численно-экспериментального анализа динамики и прочности роторов турбомашин с учетом аэродинамических характеристик и демфирования / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Байкальский Вестник ДААД. - 2021. - № 1. - С. 128-144.

41. Репецкий О. В. Математическое моделирование влияния аэродинамической нагрузки на прочностные характеристики лопаток турбомашин / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // System Analysis and Mathematical Modeling. - 2023. - Т. 5. - № 3. - С. 275-287.

42. Репецкий О. В. Обзор теоретических анализов на методы снижения уровня возбуждения на рабочих лопаток за счет изменения расстояния между лопатками статора / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Научно-исследовательская деятельность аспирантов в решении приоритетных задач развития агропромышленного комплекса: Материалы научно-практической конференции, посвященной 70-летию аспирантуры Иркутского ГАУ, п. Молодежный, 06 декабря 2023 года. - п. Молодежный: Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, 2023. - С. 124-128.

43. Репецкий О. В. Применение методов моделирования аэродинамических сил на рабочих лопатках турбомашин/ О. В. Репецкий, Н. В. Мань // Актуальные вопросы аграрной науки. - 2022. - № 43. - 7 с.

44. Репецкий О. В. Проблемы компьютерного анализа усталостной прочности лопаток турбомашин с учетом аэродинамики и демфирования / В. М. Нгуен, О. В. Репецкий // Климат, экология, сельское хозяйство Евразии: Материалы X международной научно-практической конференции, Молодежный, 27-28 мая 2021 года. - Молодежный: Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского. - 2021. - С. 104105.

45. Репецкий О. В. Разработка математических методов снижения аэродинамического воздействия на рабочие лопатки турбомашин / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // System Analysis and Mathematical Modeling. -2024. - Т. 6. - № 3. - С. 357-366.

46. Репецкий О. В. Разработка методики исследования влияния изменения геометрических параметров на аэродинамические характеристики рабочих колёс турбомашин / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Научные исследования и разработки к внедрению в АПК: Материалы международной научно-практической конференции молодых ученых, п. Молодежный, 16-17

марта 2023 года. - п. Молодежный: Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, 2023. - С. 297-304.

47. Репецкий О. В. Разработка методики моделирования развития усталостных трещин на примере рабочих лопаток турбомашин/ О. В. Репецкий,

B. М. Нгуен // Актуальные вопросы инженерно-технического и технологического обеспечения АПК: Материалы X Национальной научно-практической конференции с международным участием, посвящённой 90-летию со дня рождения Заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора технических наук, профессора Терских Ивана Петровича, Молодёжный, 06-08 октября 2022 года / Редколлегия: Н.Н. Дмитриев [и др.]. - Молодёжный: Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, 2022. -

C. 137-144.

48. Репецкий О. В. Разработка методов определения влияния аэродинамики на прочность рабочих лопаток / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Научные исследования и разработки к внедрению в АПК: Материалы международной научно-практической конференции молодых ученых, Иркутск, 25-26 марта 2021 года. - Молодежный: Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, 2021. - С. 321-326.

49. Репецкий О. В. Расчет вляния существования дефекта на напряжённо-деформированное состояние лопаток осевого компрессора / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Климат, экология, сельское хозяйство Евразии: материалы XI Международной научно-практической конференции, Иркутск, 28-29 апреля 2022 года. - п. Молодежный: Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, 2022. - С. 280-289.

50. Репецкий О. В. Сравнение методов моделирования нестационарного течения в компрессорах турбомашин / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Актуальные вопросы аграрной науки. - 2022. - № 42. - С. 57-66.

51. Репецкий О. В. Факторы демпфирования вибрации лопаток турбомашин / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Актуальные вопросы инженерно-технического и технологического обеспечения АПК: Материалы IX Национальной научно-практической конференции с международным участием,

Иркутск, 23-24 сентября 2021 года. - Молодёжный: Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, 2021. - С. 134-141.

52. Репецкий О. В. Численное исследование влияния изменения углового зазора между лопатками статора на аэродинамические силы и аэропрочность рабочих лопаток турбомашин / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Цифровые технологии в образовании, науке и сельском хозяйстве: Материалы национального форума с международным участием, Иркутск, 26-29 сентября 2023 года. - Молодежный: Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, 2023. - С. 96-101.

53. Репецкий О. В. Численное исследование влияния размерности сетки на расчёт аэродинамических параметров осевой лопатки в вычислительной гидродинамике / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Актуальные вопросы агропромышленного комплекса в России и за рубежом: Материалы всероссийской (национальной) научно-практической конференции с международным участием, посвящённой 85-летию со дня рождения Заслуженного работника высшей школы РФ, профессора, доктора сельскохозяйственных наук Хуснидинова Ш. К., Иркутск, 11 ноября 2021 года. - Молодёжный: Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, 2021. - С. 227-234.

54. Репецкий О. В. Численное исследование методов снижения аэродинамического воздействия на рабочие лопатки турбомашин / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Климат, экология и сельское хозяйство Евразии: Материалы XII международной научно-практической конференции, п. Молодежный, 27-28 апреля 2023 года. Том II. - п. Молодежный: Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, 2023. - С. 144-150.

55. Репецкий О. В. Численное моделирование аэродинамических сил на рабочих лопатках турбомашин при резонансе / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Проблемы и перспективы устойчивого развития агропромышленного комплекса: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, посвященной памяти А.А. Ежевского, п.

Молодежный, 17-18 ноября 2022 года. - п. Молодежный: Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, 2022. - С. 58-65.

56. Репецкий О. В. Численный анализ влияния расстояния между лопатками статора на усталостную долговечность роторов турбомашин / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // System Analysis and Mathematical Modeling. -2024. - Т. 6. - № 2. - С. 237-250.

57. Репецкий О. В. Численный анализ снижения аэродинамических сил на рабочие лопатки турбомашин путем изменения положения лопаток статора / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен // Актуальные вопросы аграрной науки. - 2023. -№ 47. - С. 84-91. - DOI 10.51215/2411 -6483-2023-(2)47-84-91.

58. Репецкий О. В. Сравнение методов моделирования нестационарного течения в компрессорах турбомашин/ О. В. Репецкий, Н. В. Мань // Актуальные вопросы аграрной науки. - 2022. - № 44. - 9 с.

59. Рыжиков И. Н. Динамика элементов роторов турбомашин на переходных режимах работы с учетом нелинейных эффектов/ И. Н. Рыжиков, О. В. Репецкий, Нгуен Тьен Кует// Вестник ИрГТУ. - 2016. - Т. 20. - № 11 (118) . - С. 61-68.

60. Рябченко В. П. Нестационарные аэродинамические характеристики плоских и пространственных решеток турбомашин в дозвуковом потоке: Методы расчета и свойства: дис. ... док. физ. мат. наук: 01.02.05/ В. П. Рябченко. - Новоспбпрск. - 1998. - 238 с.

61. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024618569 Российская Федерация. Программа для расчета уровня возбуждающих сил при использовании модифицированного статора (USE_MOD_VANES): № 2024617307: заявл. 05.04.2024: опубл. 15.04.2024 / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Иркутский государственный аграрный университет имени А.А. Ежевского».

62. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023661012 Российская Федерация. Программа для расчета аэродинамических сил на рабочих лопатках осевых турбин (CALC_AERO): №

2023619647: заявл. 12.05.2023: опубл. 25.05.2023 / О. В. Репецкий, В. М. Нгуен; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Иркутский государственный аграрный университет имени А.А. Ежевского».

63. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов/ Л. Сегерлинд. - М.: Мир, 1979. - 392 с.

64. Серенсен С. В. Усталость материалов и элементов конструкций/ С. В. Серенсен// Киев: Наук. - Думка. - 1985. - 256 с.

65. Суханов А. И. Аэродинамическое возбуждение колебаний турбинных лопаток в сжимаемом нестационарном потоке и совершенствование метода расчета переменных нагрузок: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.01/ А. И. Суханов. - Ленинград. - 1984. - 207 с.

66. Angeli J. P. D. Finite difference simulations of the Navier-Stokes equations using parallel distributed computing/ J. P. D. Angeli, A. M. P. Valli, N. C. J. Reis, A. F. D. Souza// In 15th Symposium on Computer Architecture and High Performance Computing. - 2003- pp. 149-156.

67. Arpad V. Application of Finite Volume Method in Fluid Dynamics and Inverse Design Based Optimization/ V. Arpdd, R. Jozsef// Finite volume method -powerful means of engineering design. - 2011. - Part 1. - 384 p.

68. Beirow B. Modelling Method for Aeroelastic Low Engine Order Excitation Originating from Upstream Vanes' Geometrical Variability / B. Beirow, M. Gambitta, S. Schrape // International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power. - 2024. - Vol.9. - 16p.

69. Bendiksen O. O. Flutter of Mistuned Turbomachinery rotors/ O. O. Bendiksen// Trans. ASME, Journal of vibration, Acoustics, Stress and Reliability in Design, April. - 1986. - Vol. 108. - P. 132-139.

70. Benini E. Towards a Reduction of Compressor Blade Dynamic Loading by Means of Rotor-Stator Interaction Optimization/ E. Benini, A. Toffolo// ASME-Paper. - 2002. - Vol.5. - 8p.

71. Bishop N. Finite element based fatigue calculations/ N. Bishop, F. Sherratt. - UK: NAFEMS Ltd, 2000. - 140p.

72. Brown D. L. Accurate projection methods for the incompressible Navier-Stokes equations/ D. L. Brown, R. Cortez, M. L. Minion// Journal of Computational Physics. - 2001. - Vol.168. - No. 2. pp 464-499.

73. Brown J. M. Reduced Order Modeling methods for Turbomachinery design/ J. M. Brown // A dissertation submitted in the partial fulfillment of the requirements for degree of Doctor of Philosophy, Wright State University. - 2008. -240 p.

74. Canuto C. Spectral Methods, Fundamentals in Single Domains/ C. Canuto, M. Hussaini, A. Quateroni, T. Zang. - P.: Scientific Computing. Springer, 2006. - 603 p.

75. Carter T. J. Common failures in gas turbine blades/ T. J Carter// Engineering Failure Analysis 12. - 2005. - pp 237-247.

76. Cheng Z. Numerical study on aerodynamic damping of floating vertical axis wind turbines/ Z. Cheng, H. A. Madsen, Z. Gao, T. Moan // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - Vol.753. - 10p.

77. Chorin J. A numerical method for solving incompressible viscous flow problems/ J. Chorin // Journal of Computational Physics. - 1967. - Vol. 2. - No. 1. -pp. 12-26.

78. Clark J. P. Using CFD to Reduce. Resonance Stresses on a Single-stage, High-Pressure Turbine Blade / J. P. Clark, A. S. Aggarwala, M. A. Velonis// ASME-Paper. - 2002. - Vol. 4 - 7 p.

79. Clark W. S. Investigation of Unsteady Viscous Flows in Turbomachinery Using a Linearized Navier-Stokes Analysis: Ph.D. Thesis/ W. S. Clark// Duke University. - 1998.

80. Cottet G. H. Vortex Methods: Theory and Practice/ G. H. Cottet, P. Koumoutsakos. - P.: Cambridge University Press, 2000.

81. Craig R. R. Coupling of Substructures for Dynamic Analyses/ R. R. Craig, M. C. Bampton// AIAA Journal. - 1968. - Vol. 6. - № 7. - pp. 13131319.

82. Crawley E. F. Aerodynamic damping measurements in a transonic compressor/ E. F. Crawley// ASME Journal of Engineering for Power. - 1983. -Vol.105. - pp.575-584.

83. Debrabandere F. Fluid-Structure Interaction Using a Modal Approach/ F. Debrabandere, B. Tartinville, C. Hirsch, G. Coussement // J. Turbomach. - 2012. -Vol.134. - pp. 51-57.

84. Dirk W. Comparison of transient blade row methods for the CFD analysis of a high-pressure turbine/ W. Dirk, M. Derek, M. Ronald// ASME Turbo Expo 2014. - 2014. - Vol.2D. - 11p.

85. Ern A. Theory and Practice of Finite Elements/ A. Ern, J. L. Guermond. - P.: Applied Mathematical Sciences. Springers, 2004. - 526p.

86. Ferziger J. H. Computational Methods for Fluid Dynamics/ J. H. Ferziger, M. Peric. - P.: Springer, 3rd edition, 2002. - 423p.

87. Gottfried A. Aerodynamic Damping Predictions in Turbomachines Using a Coupled Fluid-Structure Model/ D. A. Gottfried, S. Fleeter// J. Propuls. Power. - 2005. - Vol.21. - No.2. - 10p.

88. Gruber B. The impact of viscous effects on the aerodynamic damping of vibrating transonic compressor blades/ B. Gruber, V. Carstens// Journal of Turbomachinery. - 2001. - Vol.123. - pp. 409-417.

89. Haibach E. Modified linear damage accumulation hypothesis accounting for a decreasing fatigue strength during increasing fatigue damage (in German)/ E.Haibach. - P.: Laboratorium fur Betriebsfestigkeit, 1970.

90. Hesthaven J. S. Nodal Discontinuous Galerkin Methods: Algorithms, Analysis and Applications/ J. S. Hesthaven, T. Warburton. - P.: Springers, 2008. -501 p.

91. Huang L. A novel design method of variable geometry turbine nozzles for high expansion ratios / L. Huang, H. Chen // 17th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery. - 2017. - 11p.

92. Hwang C. J. Flutter Analysis of Cascades Using an Euler/Navier-Stokes Solution-Adaptive Approach/ C. J. Hwang, J. M. Fang// J. Propuls. Power. - 2008. -Vol.15. - pp. 54-63.

93. Kammerer A. Experimental study on impeller blade vibration during resonance-Part II: Blade damping/ A. Kammerer, R. S. Abhari// Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 2009. - Vol.131. - 9 p.

94. Kaneko Y. Study on the Effect of Asymmetric Vane Spacing on Vibratory Stress of Blade[R] / Y. Kaneko, K. Mori, H. Okui// ASME-Paper. - 2004.

- Vol.6 - 8 p.

95. Kaza K. R. V. Flutter and Response of a Mistuned Cascade in Incompressible Flow/ K. R. V. Kaza, R. E. Kielb// AIAA Journal. - 1982. - Vol. 20.

- № 8. - P. 1120-1127.

96. Kemp R. H. Theoretical and Experimental Analysis of the Reduction of Rotor Blade Vibration in Turbomachinery through the Use of Modified Stator Vane Spacing/ R. H. Kemp, M. H. Hirschberg// NACA-tn-4373. - 1958 - 44p.

97. Kielb J. J. Experimental study of aerodynamic and structural damping in a full-scale rotating turbine/ J. J. Kielb, R. S. Abhari// Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 2003. - Vol. 125. - pp.102-112.

98. Laumert B. Numerical Investigation of Aerodynamic Blade Excitation Mechanisms in Transonic Turbine Stages: Doctoral Thesis, B. Laumert. - 2002. -113p.

99. Leng Y. Aerodynamic Modeling of Propeller Forces and Moments at High Angle of Incidence / Y. Leng, H. Yooet, T. Jardin [et al.] // AIAA Scitech 2019 Forum. - 2019. - 21 p.

100. Li J. Aerodynamic Damping Prediction for Turbomachinery Based on Fluid-Structure Interaction with Modal Excitation/ J. Li, X. Yang, A. Hou// J. Applied Sciences. - 2019. - 9p.

101. Li S. Meshfree and particle methods and their applications/ S. Li, W. K. Liu// Applied Mechanics Review. - 2002. - Vol. 55. - No. 1. - 34p.

102. Makgwantsha H.M. Fatigue life prediction of mistuned steam turbine blades subjected to deviations in blade geometry / H.M. Makgwantsha, D. Dawood // Science, Engineering and Technology. - 2023. - Vol. 3. - No. 2. - 12p.

103. Mayorca M. A. Numerical methods for Turbomachinery Aeromechanical predictions/ Mayorca M. A: Doctoral Thesis. - Royal institute of Technology Stockholm, Sweden. - 2011. - 127 p.

104. Mohamed A. A. Rotor Blade Aerodynamics Forces Modelling for Dynamic Analysis / A. A. Mohamed // American Academic Scientific Research Journal for Engineering, Technology, and Sciences. - 2021. - Vol. 82. - No. 1. -12 p.

105. Niu Y. Investigation on the Effect of Asymmetric Vane Spacing on the Reduction of Rotor Blade Vibration/ Y. Niu, A. Hou, M. Zhang, T. Sun// ASME Turbo Expo 2014. - 2014. - Vol.2C. - 10p.

106. Palmgren A. Cumulative Damage in Fatigue/ A. Palmgren, H. A. Miner// Journal of Applied Mechanics. - 1945. - Vol.12. - 6p.

107. Rannacher R. Finite element methods for the incompressible Navier-Stokes equations/ R. Rannacher. // Fundamental directions in mathematical fluid mechanics. - 2010. - pp 191-293.

108. Repetskiy O. V. Development of numerical methods for reducing stresses in working blades of academic turbine under the influence of aerodynamic loads/ O. V. Repetskiy, N. V. Manh// International Scientific and Practical Conference Digital and Information Technologies in Economics and Management. -2023.- pp. 112-121.

109. Ruel V. Fourier Series and Boundary Value Problems/ V. Ruel, Churchill. P.: McGraw-Hill Book Company, 1941. - pp 53-78.

110. Seeley C. E. Investigations of flutter and aerodynamic damping of a turbine blade: Experimental characterization/ C. E. Seeley, C. Wakelam, X. Zhang, D. Hofer, W. Ren// Journal of Turbomachinery. - 2017. - Vol.139. - 7p.

111. Senthil K. On the Forced Response Predictions and Life Improvements of an Industrial Axial Compressor Rotor Blade/ K. Senthil, B. Giuseppe, F. Agnieszka// ASME Turbo Expo 2021. - 2021. - Vol.9A. - 8p.

112. Shun P. Z. A Practical Method for Determining the Corten-Dolan Exponent and Its Application to Fatigue Life Prediction/ P. Z. Shun, Z. H. Hong, L. Yu// International Journal of Turbo & Jet-Engines. - 2012. - pp.79-87.

113. Sina S. Suppression of non-synchronous-vibration through intentional aerodynamic and structural mistuning/ S. Sina, B. Christoph// ASME Turbo Expo 2021. - 2021. - Vol.144. - 8p.

114. Sisto F. Computational prediction of stall flutter in cascaded airfoils/ F. Sisto, S. Thangam, A. Abdel-Rahim// J. AIAA. - 1991. - pp. 1161-1167.

115. Stuart C. A comparison of advanced numerical techniques to model transient flow in turbomachinery blade rows/ C. Stuart, B. Mark// ASME 2011 Turbo Expo. - 2011. - Vol.7. - 10p.

116. Sun T. Analysis on the Reduction of Rotor Blade Vibration Using Asymmetric Vane Spacing/ T. Sun, A. Hou, M. Zhang// ASME Turbo Expo 2015. -2015. - Vol.2A. - 10p.

117. Theodore N. High cycle fatigue: a mechanics of materials perspective / N. Theodore - Elsevier, 2006. - 641 p.

118. Troshchenko V. T. Fatigue strength of gas turbine compressor blades/ V. T. Troshchenko, A. V. Prokopenko // Engineering Failure Analysis. - 2000. - Vol. 7(3). - P.209-220.

119. Vanti F. An integrated numerical procedure for flutter and forced response assessment of turbomachinery blade-rows/ F. Vanti, A. Agnolucci, L. Pinelli, A. Arnone// Proceedings of 13th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics. - 2019. -13p.

120. Weiss J. M. Implicit Solution of Preconditioned Navier Stokes Equations Using Algebraic Multigrid/ J. M. Weiss, J. P. Maruszewski, W. A. Smith// AIAA Journal. - 1999. - Vol.37. - No. 1. pp 29-36.

121. Witteck D. Comparison of transient blade row methods for the CFD analysis of a high-pressure turbine/ D. Witteck, D. Micallef, R. Mailach// ASME Turbo Expo 2014. - 2014. - Vol.2D. - 11p.

122. Zemp A. Experimental investigation of forced response impeller blade vibration in a centrifugal compressor with variable inlet guide vanes, part 1: Blade damping/ A. Zemp, R. S. Abhari, B. Ribi// ASME turbo Expo. - 2011. - Vol.6. - pp. 1369-1380.

123. Zhang M. Analysis on Flutter Characteristics of Transonic Compressor Blade Row by a Fluid-Structure Coupled Method/ M. Zhang, A. Hou, S. Zhou, X. Yang// ASME Turbo Expo 2012: Turbine Technical Conference and Exposition. -2012. - Vol.7. - pp. 1519-1528.

124. Zheng Y. Coupled fluid-structure flutter analysis of a transonic fan/ Y. Zheng, H. Yang// Chinese Journal of Aeronautics. - 2011. - Vol.24. - pp. 258264.

125. Zienkiewicz O. C. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals/ O. C. Zienkiewicz. - Butterworth, Heinemann. - 2005. - 752 p.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ

<8>

Акционерное общество «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения» (АО «ИркутскНИИхиммаш»)

Академика Курчатова ул., д. 3, г. Иркутск, 664074 тел.: [phone] факс: [phone] himinashvVirk.ru hllp:/frimmash.irk.ru

OKI 10 00220227; ОГТП 1023801748596; ИНН/КПП 3812010128/38121)1001

УТВЕРЖДАЮ:

Генеральный директор АО «ИркутскНИИхиммаш», д.т.н., профессор

АКТ

о внедрении в научно-исследовательскую и конструкторскую деятельность АО «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения» результатов диссертационного исследования «Математическое моделирование и численный анализ ресурсных характеристик рабочих лопаток осевых турбомашин от расстройки статора»

в рамках гранта РНФ № 24-29-00135 аспиранта Иркутского государственного аграрного университета им. A.A. Ижевского Нгуен Ван Мань

HTC АО «ИркутскНИИХимМаш» рассмотрев представленные Нгуен Ван Мань (научный руководитель - проф., д.т.н. О.В. Репецкий) научные материалы, считает:

Объектом исследований аспиранта выступают ступени компрессоров турбомашин с учетом расстройки параметров статора, аэродинамических и газовых нагрузок, механических колебаний, вращения и других эксплуатационных факторов.

Предметом исследований является анализ влияния расстройки лопаток статора на долговечность рабочих лопаток осевых и радиальных колес турбомашин с учетом эксплуатационных нагрузок.

Сведения о внедрении:

В период с 1 октября по 15 декабря 2024 г. в АО «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения» апробировано и внедрено использование в научно-исследовательской и конструкторской деятельности организации разработанных соискателем программ и методик для ЭВМ:

1. Программа для расчета аэродинамических сил на рабочих лопатках осевых турбин (СА1Х_АЕ110): № 2023619647: заявл. 12.05.2023: опубл. 25.05.2023 /

2. Программа для расчета ресурсных характеристик радиальных рабочих колес с учетом динамической нагрузки (RBS_RAD): № 2023663623: заявл. 29.06.2023: опубл. 11.07.2023 / О.В. Репецкий, Д.К. Хоанг. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023665054 Российская Федерация.

3. Программа для расчета уровня возбуждающих сил при использовании модифицированного статора (USíi_MOD_VANES): № 2024617307: заявл. 05.04.2024: опубл. 15.04.2024 / О.В. Репецкий, В.М. Нгуен; Свидетельство огосударственной регистрации программы для ЭВМ № 2024618569 Российская Федерация.

Практическая значимость работы. Создан комплекс программ для расчета аэродинамических нагрузок и исследования их влияния на долговечность осевых рабочих колес турбомашин. Определены закономерности изменения аэродинамических сил на рабочих лопатках при варьировании геометрических параметров и вариантов установки лопаток статора при существенном снижении трудоёмкости вычислительного эксперимента и затрат времени ЭВМ. Полученные результаты исследований долговечности рабочих лопаток осевых и радиальных турбомашин по различным видам модификации статора оформлены в виде рекомендаций для фирм - производителей двигателей, что позволяют использовать их при проектировании новых изделий в области энергетического, химического и транспортного машиностроения с повышенными ресурсными характеристиками.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 26 научных работах, в том числе 6 публикаций в изданиях из списка ВАК, 2 публикации в изданиях, индексируемых в базах Web of Science и Scopus. Имеются свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Основные выводы н результаты работы:

1. Развиты математические модели и метод конечных элементов для прогнозирования ресурсных характеристик рабочих колес, включающие в себя решение задач долговечности и моделирования аэродинамических нагрузок на рабочих лопатках от кромочного следа за сопловыми лопатками и их расположения на ободе статора.

2. Создан комплекс оригинальных программ, ориентированный на персональные ЭВМ и прошедший широкую апробацию на роторных деталях академических и реальных рабочих колёс роторов при исследовании их ресурсных характеристик в эксплуатационных условиях.

3. Проведены комплексные расчетные исследования влияния преднамеренной расстройки статора на уровень аэродинамических нагрузок и долговечность рабочих колес осевых и радиальных турбомашин.

Экономический эффект не рассчитывался.

Заместитель генерального директора, к.т.н.

Заведующий отделом конструкторских разработок и промышленной безопасности, к.т.н.

/

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. СВИДЕТЕЛЬСТВА О РЕГИСТРАЦИИ

ПРОГРАММ ДЛЯ ЭВМ