Analiza wpływu wybranych rodzajów obciążeń na częstotliwość drgań rezonansowych łopatki turbiny silnika śmigłowcowego

Podobne dokumenty
Wpływ prędkości obrotowej na częstotliwości i postacie drgań własnych łopatki sprężarki silnika lotniczego

Numeryczno-eksperymentalna analiza naprężeń oraz drgań własnych łopatki sprężarki silnika turbinowego

Autoreferat Asystent stażysta, Katedra Mechaniki Stosowanej i Robotyki, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska.

ALGORYTM OBLICZENIOWY DRGAŃ SWOBODNYCH Ł OPATKI WIRNIKOWEJ

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

NUMERYCZNO-DOŚWIADCZALNA ANALIZA DRGAŃ WYSIĘGNICY KOPARKI WIELOCZERPAKOWEJ KOŁOWEJ

DETEKCJA FAL UDERZENIOWYCH W UKŁADACH ŁOPATKOWYCH CZĘŚCI NISKOPRĘŻNYCH TURBIN PAROWYCH

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu [Mechanika i Budowa Maszyn] Studia drugiego stopnia

DWUTEOWA BELKA STALOWA W POŻARZE - ANALIZA PRZESTRZENNA PROGRAMAMI FDS ORAZ ANSYS

Analiza wytrzymałościowa kołpaka turbogeneratora TWW-200-2A

ANALIZA MES WYTRZYMAŁOŚCI ELEMENTÓW POMPY ŁOPATKOWEJ PODWÓJNEGO DZIAŁANIA

OPTYMALIZACJA ZBIORNIKA NA GAZ PŁYNNY LPG

Materiały do laboratorium Przygotowanie Nowego Wyrobu dotyczące metody elementów skończonych (MES) Opracowała: dr inŝ.

MODYFIKACJA RÓWNANIA DO OPISU KRZYWYCH WÖHLERA

Wyboczenie ściskanego pręta

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Wytrzymałość Materiałów

MODELOWANIE POŁĄCZEŃ TYPU SWORZEŃ OTWÓR ZA POMOCĄ MES BEZ UŻYCIA ANALIZY KONTAKTOWEJ

ZASTOSOWANIE METOD OPTYMALIZACJI W DOBORZE CECH GEOMETRYCZNYCH KARBU ODCIĄŻAJĄCEGO

TEORETYCZNY MODEL PANEWKI POPRZECZNEGO ŁOśYSKA ŚLIZGOWEGO. CZĘŚĆ 3. WPŁYW ZUśYCIA PANEWKI NA ROZKŁAD CIŚNIENIA I GRUBOŚĆ FILMU OLEJOWEGO

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA


ANSYS - NARZĘDZIEM DO WSPOMAGANIA PROJEKTOWANIA OBUDÓW ŚCIANOWYCH W FABRYCE FAZOS S.A.

Temat 1 (2 godziny): Próba statyczna rozciągania metali

MODELOWANIE ROZKŁADU TEMPERATUR W PRZEGRODACH ZEWNĘTRZNYCH WYKONANYCH Z UŻYCIEM LEKKICH KONSTRUKCJI SZKIELETOWYCH

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN. Ćwiczenie D - 4. Zastosowanie teoretycznej analizy modalnej w dynamice maszyn

Politechnika Poznańska

WERYFIKACJA SZTYWNOŚCI KONSTRUKCJI PLATFORMY MONTAŻOWEJ WOZU BOJOWEGO

Wzór Żurawskiego. Belka o przekroju kołowym. Składowe naprężenia stycznego można wyrazić następująco (np. [1,2]): T r 2 y ν ) (1) (2)

ANALIZA BELKI DREWNIANEJ W POŻARZE

WERYFIKACJA WYTRZYMAŁOŚCI KONSTRUKCJI KABINY ANTENOWEJ JEDNOSTKI JAT-122

NOŚNOŚCI ODRZWI WYBRANYCH OBUDÓW ŁUKOWYCH**

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

ANALIZA STATYCZNA ORAZ ZMĘCZENIOWA WAŁU MASZYNOWEGO Z WPUSTEM CZÓŁENKOWYM

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

MODELOWANIE I ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA ŁOPATEK TURBINY

Optymalizacja konstrukcji wymiennika ciepła

DRGANIA ELEMENTÓW KONSTRUKCJI

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK XLVI NR 3 (162) 2005

ANALIZA DYNAMIKI KONSTRUKCJI ELEKTROWNI WIATROWEJ Z WYKORZYSTANIEM ŚRODOWISKA COMSOL MULTIPHYSICS

ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCI WYSIĘGNIKA ŻURAWIA TD50H

Analiza drgań skrętnych wału śmigłowego silnika lotniczego PZL-200 podczas pracy z zapłonem awaryjnym

Spis treści. Wstęp Część I STATYKA

MODELLING AND ANALYSIS OF THE MOBILE PLATFORM UNDER ITS WORK CONDITIONS

Metody badań materiałów konstrukcyjnych

THE MODELLING OF CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OF HARMONIC DRIVE

Analiza dynamiczna fundamentu blokowego obciążonego wymuszeniem harmonicznym

Analiza wytrzymałościowa oraz badania niszczące wirujących dysków

Nasyp przyrost osiadania w czasie (konsolidacja)

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

NOWOCZESNE METODY POMIARU DRGAŃ W IDENTYFIKACJI B ŁĘDÓW TECHNOLOGICZNYCH MASZYN WIRUJĄ CYCH

Połączenie wciskowe do naprawy uszkodzonego gwintu wewnętrznego w elementach silnika

ANALIZA PRZYSPIESZEŃ DRGAŃ PODPÓR W RÓŻ NYCH STANACH PRACY SILNIKA LM 2500

ANALIZA NUMERYCZNA SEGMENTU STALOWO-BETONOWEGO DŹWIGARA MOSTOWEGO OBCIĄŻONEGO CIĘŻAREM WŁASNYM

WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I ZARZĄDZANIA POLITECHNIKA POZNAŃSKA. Laboratorium MES projekt

Rys. 1. Obudowa zmechanizowana Glinik 15/32 Poz [1]: 1 stropnica, 2 stojaki, 3 spągnica

AKTYWNA REDUKCJA DRGAŃ WIRUJĄCEJ ŁOPATY ZA POMOCĄ ELEMENTÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH

Defi f nicja n aprę r żeń

Politechnika Poznańska

PROBLEMATYKA OKREŚLANIA LICZBY PRZENOSZONYCH CYKLI ZMĘCZENIOWYCH PRZEZ ZESPOŁY KONSTRUKCYJNE LOTNICZYCH SILNIKÓW TURBINOWYCH

Analiza możliwości ograniczenia drgań w podłożu od pojazdów szynowych na przykładzie wybranego tunelu

Politechnika Poznańska. Zakład Mechaniki Technicznej. Metoda Elementów Skończonych Lab. Wykonali: Marta Majcher. Mateusz Manikowski.

Naprężenia i odkształcenia spawalnicze

KOMPUTEROWE MODELOWANIE I OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE ZBIORNIKÓW NA GAZ PŁYNNY LPG

Rodzaje obciążeń, odkształceń i naprężeń

WPŁYW METODY DOPASOWANIA NA WYNIKI POMIARÓW PIÓRA ŁOPATKI INFLUENCE OF BEST-FIT METHOD ON RESULTS OF COORDINATE MEASUREMENTS OF TURBINE BLADE

Politechnika Poznańska

Problemy trwałości zmęczeniowej połączeń spawanych wykonanych ze stali S890QL

Trwałość zmęczeniowa złączy spawanych elementów konstrukcyjnych

Metoda Elementów Skończonych

ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY w Szczecinie

PRZESTRZENNY MODEL PRZENOŚNIKA TAŚMOWEGO MASY FORMIERSKIEJ

ANALITYCZNA I NUMERYCZNA ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCI WIRNIKA WENTYLATORA Z UWZGLĘDNIENIEM ROZRZUTÓW LOSOWYCH WYBRANYCH WIELKOŚCI

SPECYFIKACJA ISTOTNYCH WARUNKÓW ZAMÓWIENIA. dla zamówienia publicznego udzielonego w trybie przetargu nieograniczonego na realizację zadania:

Podczas wykonywania analizy w programie COMSOL, wykorzystywane jest poniższe równanie: 1.2. Dane wejściowe.

OPTYMALIZACJA KONSTRUKCJI WZMOCNIEŃ ELEMENTÓW NOŚNYCH MASZYN I URZĄDZEŃ

SYMULACJA OBLICZENIOWA OPŁYWU I OBCIĄŻEŃ BEZPRZEGUBOWEGO WIRNIKA OGONOWEGO WRAZ Z OCENĄ ICH ODDZIAŁYWANIA NA PRACĘ WIRNIKA

Projekt Metoda Elementów Skończonych. COMSOL Multiphysics 3.4

Projekt Laboratorium MES

POLITECHNIKA LUBELSKA

Materiały Reaktorowe. Właściwości mechaniczne

POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny Technologiczny PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA

Numeryczna analiza niskocyklowej trwalosci zmeczeniowej turbiny silnika lotniczego

Wpływ uszkodzenia krawędzi natarcia łopatek sprężarki silnika lotniczego na ich wytrzymałość zmęczeniową

WYKORZYSTANIE MES DO WYZNACZANIA WPŁYWU PĘKNIĘCIA W STOPIE ZĘBA KOŁA NA ZMIANĘ SZTYWNOŚCI ZAZĘBIENIA

Dobór silnika serwonapędu. (silnik krokowy)

Osiadanie kołowego fundamentu zbiornika

Obliczenia osiągów dyszy aerospike przy użyciu pakietu FLUENT Michał Folusiaak

PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 01/18. WIESŁAW FIEBIG, Wrocław, PL WUP 08/18 RZECZPOSPOLITA POLSKA

ANALIA STATYCZNA UP ZA POMOCĄ MES Przykłady

Integralność konstrukcji w eksploatacji

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

PORÓWNANIE POSTACI KONSTRUKCYJNYCH KOŁA ZABIERAKOWEGO POJAZDÓW KOPARKI WIELONACZYNIOWEJ. 1. Wprowadzenie obiekt badań

DWUWYMIAROWE ZADANIE TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. BADANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW KONCENTRACJI NAPRĘŻEŃ.

Metoda elementów skończonych

ANALYSIS OF TOOTHED GEAR TRANSVERSE VIBRATIONS

WPŁYW SZYBKOŚCI STYGNIĘCIA NA WŁASNOŚCI TERMOFIZYCZNE STALIWA W STANIE STAŁYM

Transkrypt:

WITEK Lucjan 1 WYZGA Bartosz 2 Analiza wpływu wybranych rodzajów obciążeń na częstotliwość drgań rezonansowych łopatki turbiny silnika śmigłowcowego WSTĘP Łopatki należą do grupy newralgicznych elementów silnika śmigłowcowego, które decydują o jego trwałości. Łopatki turbin osiowych (rysunek 1a) poddane są działaniu wysokich prędkości obrotowych oraz niejednorodnego pola temperatury. Dodatkowe obciążenie związane jest z oddziaływaniem strumienia gazów na powierzchnie pióra łopatki. Spośród obciążeń dynamicznych można wyróżnić drgania wywołane niewyważeniem wirnika oraz pulsacją gazów spalinowych powstających w komorze spalania silnika turbinowego. Wysokie naprężenia zmienne w czasie oraz towarzyszące im obciążenia cieplne wpływają na zmęczenie nisko i wysokocyklowe materiału łopatki [4-6], [12]. Zjawisko zmęczenia niskocyklowego powstaje przy zmiennych obciążeniach wynikających z różnych zakresów pracy silnika w poszczególnych fazach lotu. Po uruchomieniu silnika w łopatce powstają początkowe naprężenia wynikające z działania sił bezwładności od wirowania. Dodatkowe naprężenia, które występują po rozruchu, związane są z nierównomiernym nagrzewaniem łopatki. W pewnych stanach silnika (np. w fazie startu, gdzie wykorzystywana jest maksymalna moc) w strefie połączenia jodełkowego tarczy i łopatki mogą pojawić się lokalne naprężenia zbliżone do granicy plastyczności materiału [13-15]. W przypadku małej liczby cykli i dużej amplitudy naprężenia (co ma miejsce podczas zmiany prędkości obrotowej turbiny) występuje zmęczenie niskocyklowe elementów wirujących silnika. Producenci silników ciągle pracują nad doskonaleniem krytycznych podzespołów silnika (turbina, sprężarka), aby ograniczyć do minimum prawdopodobieństwo uszkodzeń zmęczeniowych łopatek. Problem numerycznej analizy naprężeń turbin silników lotniczych jest opisywany w pracach autorstwa: Masataka [8], Bhaumik [1], Meguid [10],Chan [2], Papanikos i in. [11] i Zboinski [17]. Interesujące studium z zakresu analizy uszkodzeń zmęczeniowych silników napędzających samoloty komunikacyjne: B-737, DC-10 i MD-88 przedstawił McEvily [9]. Rezultaty analizy naprężeń a) b) Rys. 1. Turbina silnika śmigłowcowego (a). Łopatka turbiny napędowej będąca przedmiotem badań (b). 1 Katedra Samolotów i Silników Lotniczych, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska, 35-959 Rzeszów, Al. Powstańców Warszawy 8, Tel. 17-865-1324, lwitek@prz.edu.pl 2 Pratt & Whitney AeroPower Rzeszow, 35-078 Rzeszów, ul. Hetmańska 120. 11187

powstających w komponentach turbiny poddanej działaniu prędkości obrotowej, przekraczającej wartość dopuszczalną (zdefiniowaną przez producenta), znaleźć można w opracowaniu [16]. Szczegółowa analiza trwałości zmęczeniowej turbiny silnika śmigłowcowego przeprowadzona została także w pracy [13]. Głównym celem naukowym niniejszej pracy jest określenie naprężeń oraz częstotliwości i postaci drgań własnych łopatki turbiny napędowej silnika śmigłowcowego (rysunek 1b). W analizie numerycznej zastosowano podział obciążenia na części składowe, spośród których można wyróżnić: wirowanie (siły bezwładności), niejednorodne pole temperatury i oddziaływanie sił gazodynamicznych. Tak zaproponowany podział umożliwił na określenie wpływu poszczególnych rodzajów obciążeń na poziom naprężeń oraz częstotliwość drgań własnych łopatki. 1 MODEL NUMERYCZNY ŁOPATKI Model geometrii łopatki wykonany został w programie Unigraphics NX 7.5 (rysunek 2a). Następnie przy użyciu formatu Parasolid wyeksportowano model do programu ANSYS. Do budowy modelu dyskretnego łopatki wykorzystano elementy skończone typu TET-10. Elementy te posiadają kwadratowe funkcji kształtu. Siatka elementów skończonych łopatki (rysunek 2b) w całości jest siatką tetraedryczną. Zawiera ona elementy typu TET10 o kwadratowej funkcji kształtu. Liczba węzłów siatki elementów skończonych wynosi 901250 zaś liczba elementów 617618. Siatkę zagęszczono w miejscach zmiany sztywności, w których spodziewano się wystąpienia efektu karbu i koncentracji naprężeń. Analizowana łopatka wykonana jest ze stopu Inconel 718, którego parametry fizyczne w funkcji temperatury przedstawiono w tabeli 1. Gęstość stopu Inconel 718 w temp. 20 C wynosi 8220 kg/m 3. Tab.1. Własności wytrzymałościowe oraz fizyczne stopu Inconel 718 w funkcji temperatury. Granica Wytrzymałość na Współczynnik Moduł Younga Liczba Poissona Temperatura plastyczności rozciąganie E 10 5 rozszerzalności [MPa] ν [ C] Re [MPa] Rm [MPa] termicznej α 10-5 [1/ C] 21 1035 1275 2,01 0,28 1,21 93 1004 1237 1,97 0,28 1,27 316 963 1186 1,86 0,27 1,38 538 921 1135 1,72 0,27 1,43 760 549 625 1,52 0,29 1,56 982 - - 1,21 0,35 1,86 a) b) Rys. 2. Model geometryczny łopatki turbiny napędowej (a) oraz fragment modelu dyskretnego (b). 11188

Jako warunki brzegowe przyjęto podparcie typu Frictionless Support [3] na powierzchniach zamka jodełkowego, które bezpośrednio współpracują z powierzchniami wycięć pod zamki tarczy turbiny (rysunek 3a). Podparcie to odbiera jeden stopień swobody na kierunku prostopadłym do powierzchni bocznej zamka. Na łopatki osiowej turbiny napędowej silnika turbinowego działają trzy składowe rodzaje obciążeń, które zostały uwzględnione w analizie numerycznej: masowe (od sił bezwładności elementów wirujących). cieplne (od nierównomiernego nagrzania), gazodynamiczne (od naporu przepływającego czynnika). W pracy rozpatrywano przypadki obciążeń działających niezależnie, w celu oszacowania wpływu poszczególnych rodzajów obciążenia na poziom naprężeń oraz częstotliwości drgań własnych. Dodatkowo przeprowadzono analizę uwzględniającą wszystkie ww. obciążenia równocześnie. Obciążenie masowe zdefiniowano poprzez zadanie prędkości obrotowej łopatki względem osi obrotu tarczy turbiny. W obliczeniach 100% prędkości obrotowej odpowiada maksymalnej prędkości obrotowej turbiny równej 22490 obr/min. Obciążenie masowe zamodelowano poprzez zdefiniowane prędkości obrotowej łopatki względem osi obrotu tarczy turbiny. Obciążenie cieplne zdefiniowano w oparciu o niejednorodne pole temperatury występujące na powierzchni łopatki w trakcie pracy silnika (rysunek 3b). Obciążenie pochodzenia gazodynamicznego zdefiniowano bazując na parametrach gazodynamicznych strumienia przepływającego przez kanał turbiny. Siłę naporu gazów na łopatkę zamodelowano poprzez przyłożenie do powierzchni pióra łopatki dwóch składowych tej siły: osiowej i obwodowej. a) b) Rys. 3. Powierzchnie zamka, na których zdefiniowano utwierdzenie typu Frictionless Support (a) oraz niejednorodne pole temperatury występujące w łopatce turbiny podczas pracy silnika ( O C)(b). 2 ANALIZA NAPRĘŻEŃ W wyniku przeprowadzonej analizy wytrzymałościowej otrzymano rozkład naprężeń oraz drgań własnych łopatki dla różnych wariantów obciążenia. Wyniki analizy numerycznej wskazują, że największe naprężenia zredukowane (wg hipotezy Hubera) w łopatce turbiny pochodzące wyłącznie od obciążeń cieplnych (niejednorodnego pola temperatury) osiągają wartość ok. 27 MPa (rysunek 4a). Napór czynnika działającego na pióro łopatki pracującej z prędkością startową powoduje zginanie łopatki, w której największe naprężenia zredukowane osiągają wartości około 45 MPa (rysunek 4b). W łopatce poddanej działaniu wyłącznie wirowania największe naprężenia zredukowane występują na połączeniu dolnej części pióra oraz półki. Naprężenia te wynoszą 518 MPa (rysunek. 4c). Rezultaty pracy wskazują, że obciążeniem, które w największym stopniu wpływa na poziom naprężeń w łopatce jest siła odśrodkowa powstająca w wyniku wirowania turbiny. Poziom naprężeń powstający w wyniku działania wyłącznie obciążenia gazodynamicznego stanowi około 9% naprężeń 11189

pochodzących od wirowania. Naprężenia pochodzące od nierównomiernego nagrzania łopatki stanowią zaledwie 5% naprężeń pochodzących od wirowania. W przypadku równoczesnego działania wszystkich obciążeń (wirowanie, obciążenie gazodynamiczne oraz termiczne) charakter rozkładu naprężeń jest zbliżony do przypadku wyszczególnionego na rysunku 4c. Zaskakującym jest fakt, że w przypadku równoczesnego działania trzech obciążeń wartość maksymalnych naprężeń zredukowanych wynosi 501 MPa i jest o 17 MPa niższa niż dla przypadku niezależnego działania sił odśrodkowych od wirowania. 518 MPa a) b) c) Rys. 4. Rozkład naprężeń zredukowanych wg hipotezy HMH na powierzchni łopatki obciążonej wyłącznie: niejednorodnym polem temperatury (a), naporem gazów spalinowych (b) oraz wirowaniem z prędkością obrotową n=22490 obr/min (c). 3 ANALIZA MODALNA Pod wpływem sił i obciążeń działających podczas pracy silnika częstotliwość drgań własnych jego podzespołów może ulegać zmianie. Łopatki turbin jako elementy o relatywnie dużej sztywności podłużnej i równocześnie małej sztywności poprzecznej (giętnej), podczas wirowania z dużą prędkością mogą znacznie zmieniać swoją częstość drgań własnych. Wynika to z sił masowych powstających podczas wirowania powodujących rozciąganie łopatki [7]. Siła rozciągająca przyczynia się najczęściej do wzrostu częstotliwości (postaci giętne, giętno-skrętne) drgań własnych elementów wirujących. Z kolei wpływ wysokiej temperatury w turbinie z reguły obniża częstość drgań własnych łopatek, poprzez obniżenie modułu sprężystości materiału łopatki oraz zwiększenie jej wymiarów. W celu zbadania wpływu poszczególnych obciążeń na częstość drgań własnych łopatki turbiny silnika śmigłowcowego przeprowadzono analizy modalne z uwzględnieniem wstępnego stanu naprężeń wynikającego z działania obciążeń masowych i cieplnych. Analiza statyczna z danym rodzajem obciążenia była przeliczona w pierwszym kroku a następnie jej wyniki zostały użyte jako krok początkowy w analizie modalnej. Jako wynik każdej analizy modalnej otrzymano wartości częstotliwości 6 pierwszych postaci drgań własnych łopatki dla każdego ze wspomnianych warunków obciążenia. Postacie drgań własnych łopatki obliczone dla warunków spoczynkowych (dla ω=0, T=20 O C) oraz dla temperatury roboczej łopatki są zestawione w tabeli 2. Na rysunku 5 przedstawiono widok zdeformowanej łopatki odpowiadający pierwszej, trzeciej i czwartej postaci drgań własnych. 11190

Tab. 2. Częstotliwości oraz rodzaje pierwszych sześciu postaci drgań własnych analizowanej łopatki w stanie spoczynku (ω=0) w temperaturze pokojowej oraz w temperaturze pracy (zdefiniowanej na rysunku. 3b). Postać drgań Rodzaj Częstotliwość drgań własnych (dla ω=0, T=20 O C) [Hz] Częstotliwość drgań własnych (dla ω=0, Temp. robocza) [Hz] Różnica względna częstotliwości [%] Pierwsza giętna 760,69 716,01 5,9% Druga giętno-skrętna 2261,4 2115,8 6,4% Trzecia skrętna 3497,1 3287,3 6,0% Czwarta giętna II-go rzędu 5048,9 4740,6 6,1% Piąta złożona 5323,2 4974,4 6,6% Szósta złożona 7528,5 7062,7 6,2% a) b) c) Rys. 5. Widok pierwszej (a) trzeciej (b) oraz czwartej (c) postaci drgań własnych łopatki. Z tabeli 2 wynika, że częstotliwości drgań własnych łopatki turbiny podgrzanej do temperatury roboczej (rysunek 3b) obniżają się o około 6 % w porównaniu do częstotliwości wyznaczonej dla temperatury pokojowej. W tabeli 3 przedstawione zostały wartości częstotliwości drgań własnych łoptki podczas wirowania z różną prędkością obrotową. Pozostałe obciążenia (termiczne oraz gazodynamiczne) nie zostały tutaj zdenfiowane. W opracowaniu wyników uwzględniono 6 postaci drgań własnych. Wartości częstotliwości drgań własnych w funkcji prędkości obrotowej turbiny przedstawiono w formie graficznej na rysunku 6. Analizując uzyskane wyniki można zauważyć znaczny wzrost częstotliwości pierwszej postaci drgań własnych łopatki po rozpędzeniu turbiny do prędkości startowej. Zjawisko to wynika z efektu usztywniania łopatki pod wpływem działania rozciągających sił masowych pojawiających się w łopatce turbiny podczas wirowania a także z faktu, że pierwsza postać jest postacią giętną. Częstotliwość pierwszej postaci drgań własnych w łopatki wirującej z prędkością obrotową 100% (22490 obr/min) wzrasta o około 22% w stosunku do wartości częstotliwości łopatki w spoczynku. Tak znaczny wpływ naprężeń rozciągających na częstotliwość drgań własnych elementów wirujących wskazuje na to, że powinno się uwzględniać prędkości wirowania tych elementów przy badaniu zjawiska rezonansu. Częstotliwość drugiej postaci drgań własnych łopatki po rozpędzeniu turbiny wzrosła o około 7%. Można tutaj zauważyć, że drugą postać stanowią drgania giętno-skrętne. W przypadku czystych drgań skrętnych (III postać) częstotliwość rezonansowa wzrasta tylko o 1,2%. Z powyższego wynika, że pojawienie się w łopatce naprężeń rozciągających praktycznie nie wpływa na częstotliwość drgań skrętnych, w trakcie których pojawiają się naprężenia styczne. 11191

Tab. 3. Wartości częstotliwości drgań własnych łopatki podczas różnych prędkości obrotowych turbiny napędowej silnika turbinowego. Prędkość obrotowa n Prędkość obrotowa f 1 [Hz] f 2 [Hz] f 3 [Hz] f 4 [Hz] f 5 [Hz] f 6 [Hz] [obr/min] [%] 0 0% 761 2261 3497 5049 5323 7529 2249 10% 763 2263 3498 5050 5326 7529 4498 20% 768 2268 3499 5054 5333 7531 6747 30% 777 2276 3501 5059 5344 7535 8996 40% 790 2288 3504 5067 5361 7540 11245 50% 806 2302 3508 5078 5382 7546 13494 60% 824 2320 3512 5090 5408 7553 15743 70% 846 2340 3518 5105 5438 7562 17992 80% 871 2364 3524 5121 5472 7572 20241 90% 897 2389 3531 5140 5511 7583 22490 100% 926 2417 3539 5161 5554 7595 24739 110% 957 2448 3548 5184 5601 7609 Analiza modalna łopatki prowadzona dla przypadków obciążeń złożonych wskazuje, że zdefiniowanie stałych sił gazodynamicznych nie ma żadnego wpływu na częstotliwość drgań własnych wirującej łopatki. Dodatkowe zdefiniowanie obciążenia termicznego powoduje, że wartości częstotliwości drgań własnych wirującej łopatki (opisane w tabeli 3 dla przypadku samego wirowania) obniżają się o ok. 6% Rys. 6. Wykres zmiany częstotliwości sześciu pierwszych postaci drgań własnych łopatki turbiny w funkcji prędkości obrotowej. Prędkość obrotowa turbiny oznaczona na osi poziomej wyrażona jest w procentach prędkości obrotowej, gdzie 100% odpowiada mocy startowej silnika. 11192

WNIOSKI W pracy przedstawiono wyniki numerycznej analizy statycznej oraz modalnej łopatki turbiny silnika lotniczego. Analiza niezależnych rodzajów obciążeń dostarczyła szereg wniosków, interesujących z punktu widzenia zarówno poznawczego jak również utylitarnego. Spośród nich można wymienić: 1. Dominujące naprężenia powstające w łopatce związane są z siłami odśrodkowymi. Analiza łopatki poddanej działaniu wyłącznie wirowania wskazuje, że największe naprężenie zredukowane wynosi 518 MPa. 2. Analiza naprężeń łopatki poddanej działaniu wyłącznie obciążenia termicznego wskazuje, że największe naprężenie zredukowane w łopatce wynosi 27 MPa. Z powyższego wynika, że udział obciążeń termicznych ma niewielki wpływ na sumaryczny poziom wytężenia materiału łopatki turbiny. 3. W przypadku działania wyłącznie sił gazodynamicznych widoczny jest efekt zginania łopatki, zaś maksymalne naprężenie zredukowane wynosi około 45 MPa. Zatem udział sił gazodynamicznych powoduje powstanie w łopatce nieco większych wartości naprężeń niż niejednorodne pole temperatury. 4. Analiza naprężeń łopatki poddanej działaniu wszystkich składowych obciążeń (temperatura, oddziaływanie czynnika przepływającego oraz wirowanie) wskazuje, że największe naprężenia zredukowane wynoszą 501 MPa. Strefa maksymalnych naprężeń zlokalizowana jest w promieniu przejścia pióra łopatki w półkę. Okazuje się, że złożenie wszystkich 3 stanów obciążenia powoduje zmniejszenie wartości naprężeń (od przypadku, w którym występowało wyłącznie wirowanie) o ok. 17 MPa. Stan taki można wytłumaczyć faktem, że naprężenia w strefie krytycznej pochodzące od różnych obciążeń mogą mieć przeciwne znaki. Stan taki może mieć miejsce w przypadku odchylenia łopatki (w zamku tarczy) od kierunku promieniowego. W takim przypadku może nastąpić kompensacja momentu gnącego od sił gazodynamicznych momentem prostującym od sił odśrodkowych. 5. Wyniki analizy modalnej wskazują, że w trakcie zwiększania prędkości obrotowej silnika z prędkości 0% do 100% częstotliwość drgań giętnych (I postać) wzrasta o około 22%, zaś częstotliwość drgań skrętnych (III postać) rośnie o około 1,2%. Z powyższego wynika, że pojawienie się w łopatce naprężeń rozciągających od wirowania ma duży wpływ na częstotliwość drgań giętnych zaś nie ma większego wpływu na częstotliwość drgań skrętnych. 6. W przypadku uwzględnienia temperatury pracy łopatki występuje znaczny spadek modułu Younga materiału oraz nieznaczny przyrost długości łopatki, co powoduje spadek wartości pierwszych sześciu częstotliwości drgań własnych łopatki o około 5,9% 6,6%. 7. Zastosowane mocowanie łopatki typu Frictionless Support umożliwia przesuwanie się powierzchni zamka względem sąsiadujących płaszczyzn utwierdzenia. Mocowanie to zostało wybrane w celu uniknięcia występowania dużych gradientów naprężeń termicznych (co miałoby miejsce w przypadku mocowania sztywnego, które blokuje rozszerzanie termiczne elementów). Założenie to niestety okazało się niewłaściwe, ponieważ i taki rodzaj mocowania powoduje pojawienie się znacznych naprężeń termicznych na brzegach podparcia. Dodatkowo uwolnienie przesuwu łopatki na powierzchniach zamka powoduje, że mocowanie to jest bardziej podatne od sztywnego utwierdzenia. Odsztywnienie mocowania może skutkować obniżonymi wartościami częstotliwości drgań własnych obliczonymi za pomocą MES. W szczególności może dotyczyć to pierwszej postaci drgań giętnych, gdzie efekt mocowania ma największe znaczenie na wyniki analizy modalnej. Celem dalszych prac naukowych autorów jest weryfikacja uzyskanych wyników symulacji numerycznych, w której za pomocą systemu wibracyjnego zostaną określone eksperymentalnie częstotliwości i postacie drgań własnych łopatki. Streszczenie Niniejsza praca opisuje wpływ różnych rodzajów obciążeń na rozkład naprężeń oraz częstotliwości drgań własnych łopatki turbiny silnika śmigłowcowego. W celu rozwiązania zdefiniowanego problemu naukowego zbudowany został model geometryczny oraz model dyskretny analizowanej łopatki. W pracy uwzględniono trzy 11193

rodzaje obciążeń: masowe (od sił bezwładności elementów wirujących), cieplne (od nierównomiernego nagrzania) oraz gazodynamiczne (od naporu przepływającego czynnika). W pierwszej części pracy analizowano przypadki obciążeń działających niezależnie, co pozwoliło na ocenę wpływu obciążeń składowych na poziom wytężenia materiału łopatki. Rezultaty analizy numerycznej wykazały, że największy wpływ na poziom naprężeń łopatki mają masowe siły bezwładności wynikające z dużej prędkości wirowania. Następnie przedstawiono wyniki analizy naprężeń uwzględniającej wszystkie obciążenia działające równocześnie. W ostatniej części pracy określono wpływ prędkości wirowania a także obecności obciążeń termicznych oraz gazodynamicznych na częstotliwości i postacie drgań własnych łopatki turbiny. Impact of different types of loads on stress distribution and natural frequency of turbine blade Abstract This paper presents the influence of different kinds of loads on both the stress distribution and also the frequency of free vibration of turbine blade of helicopter engine. In order to solve the research problem, the geometrical and discrete model were defined. Three types of load were taken into consideration: the inertial load (occurring in rotating components, the thermal load (from non-uniform temperature distribution) and a gasodynamic forces (coming from flow forcing the blade). In first part of work a separated loads were considered. Results of numerical analysis showed that the most significant influence on the stress levels in the blade has the inertial load related to rotation of the turbine. In the last part of work the influence of inertial, thermal and gasodynamic forces on modes and frequencies of free vibration were considered. BIBLIOGRAFIA 1. Bhaumik S. K.: Failure of turbine rotor blisk of an aircraft engine. Engineering Failure Analysis, Vol. 9, 2002, pp. 287 301; 2. Chan S.K., Tuba I. S.: A finite element method for contact problems of solid bodies. Part II: applications to turbine blade fastenings. International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 13, 1971, pp. 627 639; 3. Dokumentacja techniczna programu Ansys; 4. Dżygadło Z.: Zespoły wirnikowe silnikow turbinowych; WKiŁ, Warszawa 1982; 5. Kocańda S.: Niskocyklowa wytrzymałośc zmęczeniowa metali. PWN, Warszawa 1989; 6. Kocańda S.: Zmęczeniowe pękanie metali. WNT, Warszawa 1987; 7. Lipka Jerzy Wytrzymałość maszyn wirnikowych, WNT Warszawa 1967; 8. Masataka M.: Root and groove contact analysis for steam turbine blades. Japan Society of Mechanical Engineering International Journal, Vol. 35, No. 4/1992, pp. 508 514; 9. McEvily A. J.: Failures in inspection procedures: case studies. Engineering Failure Analysis, Vol. 11, 2004, pp. 167 176; 10. Meguid S.A., Kanth P. S., Czekanski A.: Finite element analysis of fir-tree region in turbine discs. Finite Element in Analysis and Design. Vol. 35, 2000, pp. 305 317; 11. Papanikos P., Meguid S. A., Stjepanovic Z.: Three-dimensional nonlinear finite element analysis of dovetail joints in aero-engine discs. Finite Element in Analysis and Design. Vol. 29/1998, pp. 173 186; 12. Weroński A.: Zmęczenie cieplne metali. WNT, Warszawa, 1983; 13. Witek L., Kowalski T., Mamrowicz J., Numeryczna analiza naprężeń oraz trwałości zmęczeniowej turbiny silnika śmigłowcowego, Przegląd Mechaniczny, Wydawca: Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego, Nr 11, 2008; 14. Witek L. Stress analysis of turbine components under spin rig test thermomechanical condition, Aviation, Vol. 8, No. 4, International Research Journal of Vilnius Gediminas Technical University, 2004; 15. Witek L., Numerical fatigue analysis of the turbine components under low cycle fatigue (LCF) conditions, Combustion Engines, Polish Scientific Society of Combustion Engines, No. 4/2006 (127), 2006; 11194

16. Witek L., Failure analysis of turbine disc of an aero engine, Engineering Failure Analysis, Vol: 13, Issue: 1, Elsevier Science, 2006; 17. Zboinski G.: Physical and geometrical non-linearities in contact problems of elastic turbine blade attachments. Journal of Mechanical Engineering Sciences, Vol. 209, No. 4/1995, pp. 273 286. 11195