Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей
Рассмотрены актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей.
 Решение этих проблем позволяет уменьшить затраты на разработку, доводку, испытания
 и эксплуатацию. Розглянуто актуальні проблеми динаміки, міцності та надійності авіадвигунів.
 Розв’язання цих...
Saved in:
| Published in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48372 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности
 авиадвигателей / Ф.М. Муравченко // Проблемы прочности. — 2008. — № 5. — С. 7-14. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859994974796382208 |
|---|---|
| author | Муравченко, Ф.М. |
| author_facet | Муравченко, Ф.М. |
| citation_txt | Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности
 авиадвигателей / Ф.М. Муравченко // Проблемы прочности. — 2008. — № 5. — С. 7-14. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Рассмотрены актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей.
Решение этих проблем позволяет уменьшить затраты на разработку, доводку, испытания
и эксплуатацию.
Розглянуто актуальні проблеми динаміки, міцності та надійності авіадвигунів.
Розв’язання цих проблем дозволить зменшити витрати на розробку,
доводку, випробування та експлуатацію.
Actual problems of dynamics, strength and reliability
of aircraft engines are discussed. Solution
of these problems makes it possible to
minimize costs of aircraft engines’ development,
refinement, tests, and operation.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:33:29Z |
| format | Article |
| fulltext |
Н А У Ч Н О - Т Е Х Н И Ч Е С К И Й
Р А З Д Е Л
УДК 629.7.036:539.4
Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности
авиадвигателей
Ф. М. Муравченко
ГП “Ивченко-Прогресс”, Запорожье, Украина
Рассмотрены актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей.
Решение этих проблем позволяет уменьшить затраты на разработку, доводку, испытания
и эксплуатацию.
К лю ч е в ы е слова: динамика, прочность, газотурбинный двигатель, модели
рование, ресурс.
Авиационные газотурбинные двигатели (ГТД) имеют более чем полу
вековую историю. За это время ведущими фирмами-разработчиками накоп
лен значительный опыт создания авиационных ГТД, в частности проведено
большое количество экспериментальных, исследовательских, поисковых ра
бот на двигателях, существенно различающихся параметрами, весом, габари
тами, конструктивной схемой и применяемым конструкторским решениям.
Развитие и совершенствование мирового авиационного двигателестрое-
ния нашло свое отражение в двигателях 4- и 5-го поколений. Эти двигатели
характеризуются высокими параметрами рабочего процесса, низкими значе
ниями удельного расхода топлива, эмиссии вредных веществ, уровня шума
(существенно возрастает ресурс, количество деталей двигателя может быть
значительно уменьшено).
Специалисты авиационного двигателестроения прогнозируют, что даль
нейшее развитие авиационных ГТД связано с обеспечением качественно
нового уровня показателей эксплуатационного и экологического совершен
ства двигателей нового поколения (увеличение ресурса и надежности в 1,5-2
раза, повышение экономичности на 10...15%, уменьшение примерно на 50%
количества деталей двигателей и в два раза трудоемкости технического
обслуживания, снижение суммарного уровня шума на 20...30 дБ и эмиссии
вредных веществ в два-три раза относительно действующих международ
ных норм) [1].
Уменьшение количества деталей может быть достигнуто за счет исполь
зования в конструкции двигателя моноколес (рис. 1) и сокращения числа
ступеней компрессора при одновременном увеличении их напорности. При
этом значительно снижается трудоемкость технического обслуживания.
© Ф. М. МУРАВЧЕНКО, 2008
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 7
Ф. М. Муравченко
Рис. 1. Моноколесо 1-й ступени вентилятора.
Создание конкурентоспособных авиационных ГТД, отвечающих совре
менным требованиям, должно сопровождаться научно-техническими разра
ботками конструкции и технологии изготовления узлов и газогенераторов,
физическим и математическим моделированием протекающих в двигателе
процессов с широким использованием компьютерной техники.
Возрастающая роль научно-технических разработок объясняется как
минимум тремя причинами: обеспечение коротких сроков создания новых
двигателей; опережающее развитие технологий получения новых матери
алов и изготовления, а также ремонта деталей и узлов нового конструк
тивного решения; снижение технического риска создания новых авиацион
ных ГТД.
Развитие численных методов расчета течений, теплового и напряженно-
деформированного состояний позволяет с достаточной для практики точ
ностью моделировать процессы, происходящие в авиационных ГТД.
Новые авиационные ГТД разрабатываются, как правило, на базе имею
щихся двигателей-прототипов. Практически каждый создаваемый двигатель
имеет прототип или аналог, на котором выполнен требуемый объем работ
для сертификации [2]. Поэтому использование моделирования при наличии
базовых двигателей, прошедших весь комплекс обязательных проверок в
процессе доводки и сертификации, позволяет существенно уменьшить объем
затрат и сроки создания двигателей.
За прошедшие 15 лет коллективом ГП “Ивченко-Прогресс” созданы и
прошли сертификацию такие двигатели, как ТВ3-17ВМА-СБМ1 (самолет
Ан-140); Д-18Т3 (Ан-124-100); Д-436 (Т1, ТП) (Ту-334 и Бе-200); АИ9-3Б,
Д-436-148 (Ан-148); Д-36 серии 4А (Ан-74, ТК-300). Созданы также целые
семейства двигателей наземного применения.
Обоснование использования и разработка технологии моделирования
при создании современных авиационных ГТД - актуальная задача динами
ки, прочности и надежности авиадвигателей. Широко используется модели
рование для уменьшения напряженности деталей роторов и увеличения
надежности и ресурса двигателей. Компьютерное моделирование является
важной составляющей ресурсного проектирования авиационных ГТД [3].
8 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5
Актуальные проблемы динамики прочности ...
Первоначальная расчетная схема, как правило, включает часть ротора
или весь ротор двигателя (каскад высокого или низкого давления) в осе
симметричной постановке (рис. 2).
Полученные граничные условия на конкретном диске используются для
определения напряженно-деформированного состояния в критических зонах
(рис. 3) этого диска при решении задачи в трехмерной постановке.
Критические зоны дисков последних ступеней компрессора высокого
давления двигателя с большой степенью двухконтурности показаны на рис. 3.
Распределение
температур, 0 С
179,974
224,601
269,228
313,855
356,482
403,109
447,737
492,364
536,991
581,618
Рис. 2. Расчетная модель ротора и распределение температур.
Рис. 3. Критические зоны дисков последних ступеней компрессора высокого давления: 1 , 2,
4 - отверстия под болты; 3 , 5 - галтели сопряжения поверхностей; 6 - основание межпазо-
вого выступа со стороны острого угла.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 9
Ф. М. Муравченко
Результат моделирования состоит в выборе геометрии элементов, кото
рая обеспечивает необходимую долговечность детали.
Актуальной проблемой является возможность проведения аналитичес
кого анализа, совмещая в рамках одной конструкции такие требования, как
аэродинамическое совершенство, птицестойкость, прочность и ресурс, мини
мальный уровень шума, износостойкость для первых ступеней компрессора
(вентилятора) авиационных ГТД. Одно из важных условий успешного реше
ния этой проблемы - наличие модели обеспечения прочностной надежности
исследуемой детали (например, рабочей лопатки вентилятора) и рабочих
моделей указанных факторов. Так, при рассмотрении птицестойкости рабо
чих лопаток вентилятора может быть использована модель полностью разру
шающегося твердого тела, разработанная в ЦИАМ им. П. И. Баранова,
контактная модель соударения двух упругопластически деформируемых тел
с резко различающейся плотностью материала.
Модель обеспечения прочности рабочей лопатки вентилятора может
быть представлена в соответствии с [4] (рис. 4).
Рис. 4. Модель обеспечения прочности рабочей лопатки вентилятора авиационного ГТД.
Важным вопросом прочности и надежности является вопрос обеспе
чения требуемого уровня колебаний на двигателе. Спектр и уровень колеба
ний на двигателе весьма устойчивы и их изменение может служить диагнос
тическим признаком нарушения нормальной работы двигателя.
10 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5
Актуальные проблемы динамики прочности
Частотный спектр колебаний, который определяет вибронапряженность
деталей двигателя, обычно находится в пределах 10...2000 Гц. Для вибро
диагностики процессов, происходящих на двигателе, используется частот
ный диапазон до 20000 Гц и более.
Наиболее опасными, как правило, являются колебания с частотами
первых роторных гармоник двигателя. Поэтому для ограничения вибро-
нагруженности деталей их нормируют по обобщенной виброскорости и
составляющим амплитудно-частотного спектра.
Допустимый уровень колебаний для парка двигателей устанавливается
по результатам доводки, эквивалентно-циклических испытаний, выполнения
комплекса специальных проверок и опытной лётной эксплуатации. Для
двигателя при колебаниях с частотами первых роторных гармоник он, как
правило, зависит от выбора конструктивной схемы, технологий изготов
ления, сборки и балансировки двигателя. Обеспечение низкого уровня коле
баний способствует увеличению ресурса и надежности авиационного ГТД и
поэтому является актуальной задачей двигателестроения. По-прежнему
одной из важных остается задача расчетного определения границ авто
колебаний лопаточных венцов, особенно для сверхзвукового флаттера. Сле
дует отметить, что методика расчетного определения флаттера должна быть
применима уже на стадии проектирования двигателя.
Различают пять наиболее распространенных видов флаттера лопаток:
1) дозвуковой срывной;
2) сверхзвуковой срывной;
3) флаттер ударных волн;
4) сверхзвуковой бессрывной;
5) флаттер запирания.
Как известно, существует метод определения границ автоколебаний,
основанный на обобщении имеющихся экспериментальных данных мето
дами математической статистики в пространстве безразмерных диагности
ческих факторов. Тем не менее определение устойчивости вновь создава
емых конструкций лопаточных венцов к флаттеру, особенно к сверхзвуко
вому, является актуальной задачей. Актуальной является также задача вери
фикации разрабатываемых методик по определению устойчивости лопаток к
флаттеру.
К первостепенным задачам обеспечения прочности авиационных ГТД
относится разработка метода установления ресурса для вновь создаваемого
семейства двигателей. Метод должен гарантировать высокую достоверность
и минимальные затраты колендарного времени и материальных средств,
сочетать в себе преимущества существующих расчетных и эксперимен
тальных методов. Предложенный в ГП “Ивченко-Прогресс” ретроспектив
ный метод позволяет значительно ускорить темпы установления ресурсов
двигателя Д-18Т (рис. 5).
Одна из проблем прочности и ресурса авиационных ГТД заключается в
определении остаточного ресурса рабочих лопаток турбин после наработки
в эксплуатации. Существуют три основных механизма разрушения рабочих
лопаток авиационных ГТД: многоцикловая усталость; термоциклическая
усталость и двигательная прочность. Трудность определения остаточного
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 11
Ф. М. Муравченко
ресурса состоит в том, что любой из указанных механизмов разрушения
может быть с высокой степенью вероятности реализован на двигателе.
При сертификации двигателя ресурс рабочих лопаток турбины уста
навливается, как правило, по механизму длительной прочности. При этом
предполагается, что лопатки будут эксплуатироваться в наиболее тяжелых
условиях при самых неблагоприятных сочетаниях характеристик материала
и геометрических размеров.
т, ч
24000
21000
18000
15000
12000
9000
6000
3000
0
1988 1992 1996 2000 200 4 2008 Годы
Рис. 5. Динамика увеличения назначенного ресурса основных деталей двигателя Д-18Т3: 1 -
по методу эквивалентно-циклических испытаний (планировавшийся); 2 - по ретроспектив
ному методу.
Условия эксплуатации очень сильно влияют на долговечность лопаток,
особенно на механизм разрушения по длительной прочности. В настоящее
время предпринимаются попытки определения остаточного ресурса на осно
вании наблюдения за изменением микроструктуры материала лопаток мето
дами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Следует
отметить, что это требует проведения большого объема экспериментальных
работ и учета действующих факторов.
В последнее время благодаря широкому внедрению мощных персо
нальных компьютеров и пакетов прикладных программ удалось добиться
значительных успехов в моделировании напряженно-деформированного
состояния элементов конструкции, в численном моделировании специаль
ных проверок двигателя (вброс птиц, обрыв рабочих лопаток вентиляторов,
разгонные испытания дисков турбины и пр.).
Например, точность расчетного определения собственных частот коле
баний рабочих лопаток (таблица) и дисков позволяет существенно снизить
объемы экспериментальных работ на испытательных стендах. При наличии
12 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5
Актуальные проблемы динамики прочности
надежно эксплуатируемого двигателя-прототипа объем прочностной довод
ки и специальных проверок может быть сведен к минимуму. При этом
следует учитывать, что важное место занимает влияние технологической
наследственности на прочность и ресурс деталей [5].
Экспериментальные и расчетные значения частот собственных колебании
рабочих лопаток (каскад низкого давления) авиационного ГТД
Ступень
каскада низкого
давления
Форма
колебаний
Гармоника
возбуждения
Значения собственных
частот колебаний, Гц
эксперимент расчет
3 Первая Восьмая 553...600 540
3 » Шестая 570...620 562
3 » Пятая 600...650 583
3 » Четвертая 640...690 629
3 Вторая Двадцатая 2767...2933 3083
3 » Шестнадцатая 2773...2987 3133
3 » Пятнадцатая 2800...3000 3156
3 » Четырнадцатая 2823...3024 3172
4 Первая Восьмая 800...880 775
4 » Шестая 845...925 815,6
4 » Пятая 879...962,5 862
4 Вторая Двадцать четвертая 4000...4020 4225
Рис. 6. Основные виды возможных технологических отклонений при изготовлении хвосто
вика лопатки вентилятора: а - невыдерживание размеров поперечных сечений по длине
деталей; б - непараллельность рабочих поверхностей; в - несовпадение углов наклона
поверхностей; г - нарушение плоскостности поверхностей.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5 13
Ф. М. Муравченко
Проведенное аналитическое исследование влияния отклонений от номи
нальных размеров (в пределах допусков чертежа) геометрии замкового
соединения рабочей лопатки вентилятора и диска вентилятора (рис. 6) [6, 7]
показывает существенное (~ 30%) уменьшение ресурса рабочей лопатки.
Поэтому учет возможных технологических отклонений и технологической
наследственности является важной и актуальной задачей динамической
прочности и ресурса.
Решение перечисленных задач динамики и прочности будет способст
вовать увеличению надежности эксплуатации и снижению стоимости одного
часа жизненного цикла авиационных ГТД, что позволит повысить их конку
рентоспособность на рынке авиационной техники.
Р е з ю м е
Розглянуто актуальні проблеми динаміки, міцності та надійності авіадвигу
нів. Розв’язання цих проблем дозволить зменшити витрати на розробку,
доводку, випробування та експлуатацію.
1. С кибин В. А . Научный вклад ЦИАМ в создание двигателей XXI века //
Междунар. науч. конф. “Двигатели XXI века” (Тез. докл.). - М., 2000. -
С. 3 - 11.
2. М уравченко Ф. М ., Ш ерем ет ьев А. В. Об особенностях прочностной
доводки современных АГТД на заданный ресурс // Авиац.-косм. техни
ка и технология. - 1999. - Вып. 9. - С. 5 - 9.
3. Ш ерем ет ьев А. В ., П рибора Т. И . Использование компьютерного моде
лирования при проектировании дисков компрессоров авиационных ГТД
// Вестн. двигателестроения. - 2006. - № 2. - С. 32 - 37.
4. Б иргер И. А ., М авлю т ов Р. Р. Сопротивление материалов: Учеб. посо
бие. - М.: Наука, 1986. - 560 с.
5. М уравченко Ф. М ., Ш ерем ет ьев А. В ., П ет ров А. В . Анализ напря
женно-деформированного состояния деталей авиационных ГТД с уче
том возможных технологических отклонений // Вестн. двигателестрое
ния. - 2005. - № 1. - С. 9 - 11.
6. К узнецов Н. Д ., Ц ейт лин В. И ., В олков В. И . Технологические методы
повышения надежности деталей машин. - М.: Машиностроение, 1993. -
304 с.
7. Ш ерем ет ьев А. В ., П ет ров А. В. Использование компьютерного моде
лирования для учета технологической наследственности при установ
лении ресурсов деталей авиационных ГТД // Авиац.-косм. техника и
технология. - 2005. - Вып. 4/20. - С. 50 - 53.
Поступила 25. 10. 2007
14 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 5
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48372 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:33:29Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Муравченко, Ф.М. 2013-08-18T16:18:34Z 2013-08-18T16:18:34Z 2008 Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности
 авиадвигателей / Ф.М. Муравченко // Проблемы прочности. — 2008. — № 5. — С. 7-14. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48372 629.7.036:539.4 Рассмотрены актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей.
 Решение этих проблем позволяет уменьшить затраты на разработку, доводку, испытания
 и эксплуатацию. Розглянуто актуальні проблеми динаміки, міцності та надійності авіадвигунів.
 Розв’язання цих проблем дозволить зменшити витрати на розробку,
 доводку, випробування та експлуатацію. Actual problems of dynamics, strength and reliability
 of aircraft engines are discussed. Solution
 of these problems makes it possible to
 minimize costs of aircraft engines’ development,
 refinement, tests, and operation. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей Actual problems of strength, dynamics, and reliability of aircraft engine Article published earlier |
| spellingShingle | Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей Муравченко, Ф.М. Научно-технический раздел |
| title | Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей |
| title_alt | Actual problems of strength, dynamics, and reliability of aircraft engine |
| title_full | Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей |
| title_fullStr | Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей |
| title_full_unstemmed | Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей |
| title_short | Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей |
| title_sort | актуальные проблемы динамики, прочности и надежности авиадвигателей |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48372 |
| work_keys_str_mv | AT muravčenkofm aktualʹnyeproblemydinamikipročnostiinadežnostiaviadvigatelei AT muravčenkofm actualproblemsofstrengthdynamicsandreliabilityofaircraftengine |