cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2018-21-4-60-72caht-1329Research ArticleАвиационная и ракетно-космическая техникаAviation, rocket and space technologyЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРА СОБСТВЕННЫХ ФОРМ И ЧАСТОТ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРОВ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО АВИАДВИГАТЕЛЯEXPERIMENTAL STUDY OF NATURAL FORMS AND THE VIBRATION FREQUENCIES OF THE COMPRESSOR BLADES OF AIRCRAFT AUXULARY POWER UNITБелоусовМ. Г.BelousovM. G.

Белоусов Михаил Григорьевич, ведущий инженер АО «ГСС».

Москва.

Mikhail G. Belousov, Leading Engineer of SCAC.

Moscow.

Skyeuropeline@ya.ruМашошинО. Ф.MashoshinO. F.

Машошин Олег Федорович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА.

Москва.

Oleg F. Mashoshin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Aircraft Engines Chair.

Moscow.

o.mashoshin@mstuca.aeroАО «Гражданские самолеты Сухого».РоссияMoscow State Technical University of Civil Aviation (MSTUCA).Russian FederationМосковский государственный технический университет гражданской авиации.РоссияLeading Engineer of SCAC.Russian Federation2018270820182146072Copyright © Белоусов М.Г., Машошин О.Ф., 20182018Белоусов М.Г., Машошин О.Ф.Belousov M.G., Mashoshin O.F.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/1329

В статье представлены результаты проведенных исследований колебаний лопаток, жестко закрепленных на диске компрессора высокого давления вспомогательной силовой установки (ВСУ). Задача исследования поставлена ввиду разрушения каскада лопаток, что привело к выводу ВСУ из строя. Назначенный ресурс ВСУ не был обеспечен. С разрушением лопаток компрессоров сталкивались с момента появления газотурбинных двигателей, однако не всегда было возможно всесторонне исследовать эту проблему и полностью предотвратить разрушения лопаток компрессоров. В результате анализа статистики усталостных разрушений лопаток выявлено, что все лопатки независимо от их размера, материала изготовления разрушаются в определенных зонах на спинке, кромках, торце. Относительные координаты расположения трещин примерно одинаковы. Это свидетельствует о наличии общих закономерностей динамического нагружения лопаток и возникающей в них напряженности при резонансных колебаниях. Причем наличие эксплуатационных повреждений на лопатках не влияет на эти закономерности. Однако к лопаткам, представленным в настоящем исследовании (широкохордным, с переменной толщиной от входной к выходной кромке), данные закономерности не в полной мере применимы, в отличие от лопаток классической стандартной формы, но имеют некоторое сходство. Исследование спектра собственных форм и частот колебаний лопатки является первым этапом в решении проблемы разрушений лопаток. Каждая деталь имеет бесконечное количество частотных характеристик, образующих спектр. Каждой частоте собственных колебаний соответствует своя форма колебаний. Форма колебаний определяется картиной знакопеременных смещений или прогибов, а также положением узловых линий. В узловых линиях перемещения бесконечно малы и считаются нулевыми. По разные стороны узловых линий смещения колеблющихся участков находятся в противофазе. Совокупность форм колебаний детали образует спектр форм [1]. В представленном исследовании использовался песочный метод определения спектра частот колебаний. Эксперимент позволит определить зоны возникновения дефектов с последующим развитием усталостных трещин и реальную динамическую нагруженность лопаток данной конструкции.

The article presents the results of the blades vibration studies, where the blades are rigidly fixed to the disk of the high-pressure compressor of the auxiliary power unit (APU). The task of the study is set because of the destruction of the blades cascade, which led to the APU failure. The designated APU resource was not provided. Destruction of compressor blades occurred since the introduction of gas turbine engines, but it was not always possible to comprehensively investigate the problem and completely prevent the destruction of compressor blades. Analysis of fatigue failure statistics led to the conclusion that all the blades, regardless of their size and material are destroyed in certain areas on the back, edges and tip. The relative coordinates of the crack location are approximately the same. This indicates the availability of common patterns of the blades dynamic loading and the resulting tension in them with resonance vibrations. Moreover, the availability of operational damage on the blades does not affect these patterns. However, these patterns are not fully applicable to the blades represented in this study (wide-chord, with variable thickness from the leading to the trailing edge), but they have some similarities. The study of the forms spectrum and the blade frequency vibration is the first step in solving the problem of the blades destruction. Every detail has an infinite number of frequency characteristics that form the spectrum. Each frequency of natural oscillations corresponds to its own form of vibration. The form of the vibrations is determined by the pattern of alternating displacements or deflections and the position of the nodal lines. In nodal lines the displacements are infinitely small and considered null. The displacements of the vibrating sections on different sides of the nodal lines are in antiphase. The combination of the vibration shapes forms a variety of shapes. In this study, a sand method for determining the spectrum of vibration frequencies was used. This experiment will allow to define the sectors of defects occurrence with the subsequent development of fatigue cracks and to define real dynamic loading of the given blades design.

компрессор высокого давления ВСУавиадвигательлопатки компрессораусталостные разрушенияформа колебанийспектры колебанийтрещинысобственные колебанияAPU high pressure compressorgas turbine enginecompressor bladesfatigue failureform of oscillationsspectra of vibrationscracksnatural oscillationsReferencesИванов В.П. Колебания рабочих колес турбомашин. М.: Машиностроение, 1983. 224 с.Ivanov, V.P. (1983). Kolebanija rabochih koles turbomashin [Vibration of the turbo engine units rotor wheels]. Moscow: Mashinostroenie [Machine building industry], 224 p.Белоусов М.Г. Методология исследования разрушений лопаток компрессоров авиадвигателей // Наука, техника, человек: межвузовский сборник научных работ. Вып. 4. М.: МГТУ ГА, 2012.Belousov, M.G. (2012). Metodologiya issledovaniya razrusheniy lopatok kompressorov aviadvigateley [Methodology of research of aircraft engines compressors blades destruction]. Science, technology, a human being: interuniversity collection of scientific works. Moscow: MSTUCA, vol. 4, 148 p.Гишваров А.С. Анализ эксплуатационных разрушений летательных аппаратов и двигателей: учеб. пособие. Уфа: УГАТУ, 2003. 289 с.Gishvarov, A.S. (2003). Analiz ekspluatatsionnykh razrusheniy letatel'nykh apparatov i dvigateleyх. [Analysis of operational destruction of aircraft and engines]. Textbook. Ufa: USATU, 289 p.Белоусов Г.Г. Некоторые результаты исследования сопротивления усталости лопаток компрессоров при колебаниях по высокочастотным формам // Тезисы докладов Международного симпозиума «Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения» 25–28 сентября 1984 г. / Академия наук УССР. Институт проблем прочности. Киев: Наукова думка. С. 24–25.Belousov, G.G. (1984). Nekotorye rezul’taty issledovaniya soprotivleniya ustalosti lopatok kompressorov pri kolebaniyah po vysokochastotnym formam [Some results of the study of fatigue resistance of compressor blades with fluctuations in high-frequency forms]. Tezisy dokladov Mezhdunarodnogo simpoziuma «Prochnost' materialov i jelementov konstrukcij pri zvukovyh i ul'trazvukovyh chastotah nagruzhenija» [Abstracts of the report of the international Symposium «Strength of materials and structural elements at acoustic and ultrasonic loading frequencies»]. 25–28 September 1984. Kiev: Naukova dumka Akademija nauk Ukrainskoj SSR [Academy of Sciences of the Ukrainian SSR]. Institut problem prochnosti [Institute for problems of strength], pp. 24–25.Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1976. 216 с.Kuznecov, N.D. and Cejtlin, V.I. (1976). Jekvivalentnye ispytanija gazoturbinnyh dvigatelej [Equivalent tests of gas-turbine engines]. Moscow: Mashinostroenie [Machine building industry], 216 p.Гарф М.Э. Развитие усталостных трещин в материалах и конструкциях / О.Ю. Крамаренко, М.Я. Филатов, Э.Я. Филатов. Киев: Наукова Думка, 1980. 148 с.Garf, M.Je., Kamarenko, O.Yu., Filatov, M.Ya and Filatov, E.Ya. (1980). Razvitee ustalostnyh treshhin v materialah i konstrukcijah [Development of fatigue cracks in materials and designs]. Kiev: Naukova Dumka, 1980,148 p.Рудавец В.А., Шорр Б.Ф. Расчет собственных частот и форм пространственных колебаний закрученных компрессорных лопаток // Теория оболочек и пластин: труды VIII Всесоюз. конф. по теории оболочек и пластин. Ростов н/Д, 1971. М.: Наука, 1973. С. 550.Rudavets, V.A. and Shorr, B.F. (1973). Raschet sobstvennih kolebanii i form prostranstvennih zakruchennih kompressornih lopatok [Calculation of natural frequencies and forms of spatial vibrations of twisted compressor blades]. Teoriya obolochek i plastin: Trudy VIII Vsesoyuznoy konferentsii po teorii obolochek i plasti [Theory of shells and plates]. The proceedings of the VIIIth all-USSR conference. Rostov-on-Don, 1971. Мoscow: Nauka, р. 550.Turso J., Litt J. A Foreign Object Damage Event Detector Data Fusion System for Turbofan Engines NASA/TM–2004–213118. 2004. P. 20.Turso, J. and Litt, J. (2004). A Foreign Object Damage Event Detector Data Fusion System for Turbofan Engines NASA/TM–2004–213118, 20 p.Белоусов М.Г., Белоусов Г.Г. Разрушение лопаток компрессоров авиадвигателей в условиях эксплуатации // Труды 54-й научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе». М.: МФТИ, 2011. 157 с.Belousov, M.G. and Belousov, G.G. (2011). Razrushenie lopatok kompressorov aviadvigateley v usloviyakh ekspluatatsii [The destruction of aircraft engines compressors blades under operating conditions]. Trudy 54-y nauchnoy konferentsii MFTI «Problemy fundamental'nykh i prikladnykh estestvennykh i tekhnicheskih nauk v sovremennom informatsionnom obshchestve» [Problems of fundamental and applied natural and technical sciences in the modern information society. The proceedings of the 54th scientific conference of MFTI]. Мoscow: MFTI, 157 p.Сиротин Н.Н. Конструкция и эксплуатация, повреждаемость и работоспособность газотурбинных двигателей: учебник. М.: РИА «ИМ-ИНФОРМ», 2002. 439 с.Sirotin, N.N. (2002). Konstruktsiya i ekspluatatsiya, povrezhdaemost' i rabotosposobnost' gazoturbinnykh dvigateley [Design and operation, damageability and operability of gas turbine engines]. Manual. Moscow: RIA “IM-INFORM”, 439 p.Ананьев И.В., Тимофеев П.Г. Колебания упругих систем в авиационных конструкциях и их демпфирование. М.: Машиностроение, 1965. 197 с.Anap'ev, I.V. and Timofeev, P.G. (1965). Kolebanija uprugih sistem v aviacionnyh konstrukcijah i ih dempfirovanie [Vibrations of elastic systems in aviation structures and their damping]. Moscow: Mashinostroenie [Machine building industry], 197 p.Мавлютов Р.Р. Проблемы концентрации напряжений в авиационных конструкциях // Прочность элементов авиационных конструкций. Труды УАИ им. С. Орджоникидзе. 1973. Вып. 40. 65 с.Mavlyutov R.R. (1973). Problemy koncentracii naprjazhenij v aviacionnyh konstrukcijah [Problems of concentration of tension in aviation designs]. The strength of the elements of aircraft structures. Trudy UAI. S. Ordzhonikidze, iss. 40, 65 p.Белоусов М.Г., Цуркаль А.А. Исследование факторов, влияющих на повреждаемость и разрушение лопаток компрессоров авиационных двигателей // Труды МАИ: электронный журнал. 2013. Вып. 65. 14 с.Belousov, M.G. and Tsurkal, A.A. (2013). Issledovanie faktorov, vliyayushchih na povrezhdaemost' i razrushenie lopatok kompressorov aviacionnyh dvigatelej [The study of factors that influence the damageability and destruction of the compressors blades of aircraft engines]. Online magazine “Trudy MAI”, iss. 65, 14 p.Машошин О.Ф., Чичков Б.А. Рабочие лопатки авиационных ГТД: конструкция, прочность, эксплуатация: учебное пособие. М.: МГТУ ГА, 2017. 80 с.Mashoshin, O.F. and Chichkov, B.A. (2017). Rabochie lopatki aviacionnyh GTEs: konstrukciya, prochnost', ehkspluataciya [Rotor blades of aircraft gas turbine engine: design, strength, operation]. Training manual. Moscow: MSTUCA, 80 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.