Дослідження власних коливань лопаткових вінців газотурбінного двигуна за допомогою скінчено елементного аналізу

Заголовок (російською): 
Исследование собственных колебаний лопаточных венцов газотурбинного двигателя с помощью конечно-элементного анализа
Заголовок (англійською): 
Gas turbine impellers free vibration study using the fem analysis
Автор(и): 
Моргун С.О.
Автор(и) (англ): 
Morhun S.
Ключові слова (укр): 
ротор газотурбінного двигуна, лопаткові вінці, вільні коливання, метод скінчених елементів, граничні умови, частоти та форми коливань
Ключові слова (рус): 
ротор газотурбинного двигателя, лопаточные венцы, свободные колебания, метод конечных элементов частоты и формы колебаний
Ключові слова (англ): 
turbine rotor, impellers, free vibration, finite elements method, vibration modes and frequencies
Анотація (укр): 
Досліджується питання власних коливань лопаткових вінців ротора газотурбінного двигуна. Для цього розроблена удосконалена математична модель власних коливань вінця з використанням тривимірних криволінійних скінчених елементів. Лопатковий вінець може бути представлений в якості суперпозиції секторів, кожний з яких включає в себе сектор диску та лопатку з між лопатковими зв’язками. Для моделювання пера лопатки та сектору диску лопаткового вінця використовуються криволінійні скінчені елементи гексагонального типу, що мають по вісім вузлів з трьома ступенями вільності. Бандажна та коренева полиці лопатки змодельовані також тривимірними скінченими елементами, але призматичного типу. Дослідження проведено для лопаткових вінців, що мають демпферні між лопаткові зв’язки. Охолоджувані лопатки мають у порожнині пера сітку каналів для плину охолоджуючого повітря. Стінки цих каналів являють собою ребра жорсткості у порожнині пера. Тому для коректного моделювання порожнистого пера лопатки були використані оболонкові скінчені елементи. Всі розрахунки виконано для двох типів граничних умов (С – С та C – S), що відповідають найбільш поширеним типам компонування роторів. За допомогою розробленої математичної моделі визначено частоти та форми власних коливань лопаткових вінців ротора газотурбінного двигуна. Адекватність розробленої математичної моделі підтверджується порівнянням результатів розрахунку та даних експерименту. Розбіжність між результатами розрахунків та експерименту не перевищу 15%. Розроблена математична модель та отримані на її основі результати можуть бути використані для подальших розрахунків віброміцності, вібростійкості роторів газотурбінних двигунів, а саме – при визначенні їх напружено-деформованого стану.
Анотація (рус): 
Исследуются собственные колебания лопаточных венцов ротора газотурбинного двигателя. Для этого разработана уточненная конечно-элементная модель собственных колебаний венца с использованием трехмерных криволинейных конечных элементов. Все расчеты выполнены для двух типов граничных условий (С – С и C – S), которые соответствуют наиболее распространенным вариантам компоновки роторов. На основе разработанной математической модели определены частоты и формы собственных колебаний лопаточных венцов ротора газотурбинного двигателя. Адекватность разработанной математической модели подтверждается сравнениями результатов расчета с данными, полученными экспериментальным путем.
Анотація (англ): 
In this paper the problem of gas turbine rotor impellers free vibration has been studied. For its solution, the new, more correct mathematical model on the base of the nonlinear FEM has been designed. All calculations have been held for the two types of boundary conditions (C – C and C –S) that match the most common types of the turbine rotors assembling. By the usage of the designed mathematical model several rotor impellers free vibration modes and frequencies have been calculated. The developed mathematical model adequacy has been verified by the comparison of calculated results with the experimental data
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2019, номер 102
Назва журналу, номер, рік випуску (рус): 
Сопротивление материалов и теория сооружений, 2019, номер 102
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2019, number 102
Мова статті: 
English
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
Дата публікації: 
19 June 2019
Номер збірника: 
Університет автора: 
Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Ukraine
Литература: 
1.     Samaras C. Emissions and lifetime estimation modeling of industrial gas turbines. / C. Samaras // M. Sc. Progress Review, Cranfield University, UK, 2009. P. 30–35.2.     Krishnakanth P. V. Structural and Thermal Analysis of Gas Turbine Blade by using FEM / P. V. Krishnakanth, G. Narasa Raju et. al. // International Journal of Scientific Research Engineering and Technology. 2013 Vol. 2, Issue 2. P. 060–065.3.     Mrinaline M. Steady state structural analysis of single crystal turbine blade / M. Mrinaline // International Journal of Engineering Research and Technology. 2016. Vol. V5, Issue 10. P. 382–384. doi: 10.17577/ijertv5is1003144.     Ugargol R. Life estimation of turbine blisk for a gas turbine engine / R. Ugargol, K. S. Narayanaswamy, C.V. Sesha Kumar // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2017. Vol. 8, Issue 8. P. 393–399.5.     Rzadkowski R. Unsteady forces acting on the rotor blades in the turbine stage in 3D viscous flow in nominal and off-design regimes / R. Rzadkowski, V. Gnesin, L. Kolodyazhnaya // Journal of Vibration Engineering, and Technologies. 2014. Vol. 2, Issue 2. P. 89–95.6.     Baqersad J. Predicting full-field dynamic strain on a three-bladed wind turbine using three dimensional point tracking and expansion techniques / J. Baqersad, C. Niezrecki, P. Avitabile // Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2014. 2014. doi: 10.1117/12.20461067.     Postnov V.V. Theoretical and experimental stress-strain analysis of machining gas turbine engine parts made of the high energy structural efficiency alloy / V. V. Postnov, S. V. Starovoitov, S. Yu. Fomin, R. R. Basharov // Journal of Engineering Science and Technology Review. 2014. Vol. 7, Issue 5. P. 47–50.8.     Bitkina O. Experimental and theoretical analysis of the stress–strain state of anisotropic multilayer composite panels for wind turbine blade / O. Bitkina, K.-W. Kang, J.-H. Lee // Renewable Energy. 2015. Vol. 79. P. 219–226. doi: 10.1016/j.renene.2014.11.0049.     Kostyuk A.G. Dinamika i prochnost’ turbomashin (Dynamics and strength of turbines) / A. G. Kostyuk // Moscow: Mashinostroenie, 1982. 264 p.10.  Vorobiev Yu.S. Kolebaniya lopatochnogo apparata turbomashin (Vibration of the turbine blades systems ) / Yu. S. Vorobiev // Kyiv: Naukova dumka, 1988. 224 p.11.  Sosunov V.A. Teoriya, raschet i proektirovanie aviacionnyh dvigateley i energeticheskih ustanovok (The theory, calculation and design of the aircraft engines) / V. A. Sosunov, V. M. Chepkin // Moscow: Mosk.energ. in-t., 2003. 677 p.12.  Pyhalov A.A. Staticheskiy i dinamicheskiy analiz sbornyh rotorov turbomashin (Static and dynamic analysis of the turbine rotors assemblies) / A. A. Pyhalov, A. E. Milov // Irkutsk: Izd-vo Irkut. tekhn. un-ta, 2007. 194 p.13.  Morgun S. The blades constructions finite elements models development / S. Morgun // Bulletin of the National Technical University «KhPI». Series: New Solutions in Modern Technologies. 2016. Issue 42 (1214). P. 86–91. doi: 10.20998/2413-4295.2016.42.1414.  Morhun S. The influence of the blade feather constructional inhomogeneity on the turbine cooling blades stress-strain state // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. Series: Applied Mechanics. 2018. Issue 2/7 (92). P. 11-17. DOI: 10.15587/1729-4061.2018.125937.
References: 
1.     Samaras C. Emissions and lifetime estimation modeling of industrial gas turbines. / C. Samaras // M. Sc. Progress Review, Cranfield University, UK, 2009. P. 30–35.2.     Krishnakanth P. V. Structural and Thermal Analysis of Gas Turbine Blade by using FEM / P. V. Krishnakanth, G. Narasa Raju et. al. // International Journal of Scientific Research Engineering and Technology. 2013 Vol. 2, Issue 2. P. 060–065.3.     Mrinaline M. Steady state structural analysis of single crystal turbine blade / M. Mrinaline // International Journal of Engineering Research and Technology. 2016. Vol. V5, Issue 10. P. 382–384. doi: 10.17577/ijertv5is1003144.     Ugargol R. Life estimation of turbine blisk for a gas turbine engine / R. Ugargol, K. S. Narayanaswamy, C.V. Sesha Kumar // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2017. Vol. 8, Issue 8. P. 393–399.5.     Rzadkowski R. Unsteady forces acting on the rotor blades in the turbine stage in 3D viscous flow in nominal and off-design regimes / R. Rzadkowski, V. Gnesin, L. Kolodyazhnaya // Journal of Vibration Engineering, and Technologies. 2014. Vol. 2, Issue 2. P. 89–95.6.     Baqersad J. Predicting full-field dynamic strain on a three-bladed wind turbine using three dimensional point tracking and expansion techniques / J. Baqersad, C. Niezrecki, P. Avitabile // Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2014. 2014. doi: 10.1117/12.20461067.     Postnov V.V. Theoretical and experimental stress-strain analysis of machining gas turbine engine parts made of the high energy structural efficiency alloy / V. V. Postnov, S. V. Starovoitov, S. Yu. Fomin, R. R. Basharov // Journal of Engineering Science and Technology Review. 2014. Vol. 7, Issue 5. P. 47–50.8.     Bitkina O. Experimental and theoretical analysis of the stress–strain state of anisotropic multilayer composite panels for wind turbine blade / O. Bitkina, K.-W. Kang, J.-H. Lee // Renewable Energy. 2015. Vol. 79. P. 219–226. doi: 10.1016/j.renene.2014.11.0049.     Kostyuk A.G. Dinamika i prochnost’ turbomashin (Dynamics and strength of turbines) / A. G. Kostyuk // Moscow: Mashinostroenie, 1982. 264 p.10.  Vorobiev Yu.S. Kolebaniya lopatochnogo apparata turbomashin (Vibration of the turbine blades systems ) / Yu. S. Vorobiev // Kyiv: Naukova dumka, 1988. 224 p.11.  Sosunov V.A. Teoriya, raschet i proektirovanie aviacionnyh dvigateley i energeticheskih ustanovok (The theory, calculation and design of the aircraft engines) / V. A. Sosunov, V. M. Chepkin // Moscow: Mosk.energ. in-t., 2003. 677 p.12.  Pyhalov A.A. Staticheskiy i dinamicheskiy analiz sbornyh rotorov turbomashin (Static and dynamic analysis of the turbine rotors assemblies) / A. A. Pyhalov, A. E. Milov // Irkutsk: Izd-vo Irkut. tekhn. un-ta, 2007. 194 p.13.  Morgun S. The blades constructions finite elements models development / S. Morgun // Bulletin of the National Technical University «KhPI». Series: New Solutions in Modern Technologies. 2016. Issue 42 (1214). P. 86–91. doi: 10.20998/2413-4295.2016.42.1414.  Morhun S. The influence of the blade feather constructional inhomogeneity on the turbine cooling blades stress-strain state // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. Series: Applied Mechanics. 2018. Issue 2/7 (92). P. 11-17. DOI: 10.15587/1729-4061.2018.125937.