ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРА СОБСТВЕННЫХ ФОРМ И ЧАСТОТ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРОВ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО АВИАДВИГАТЕЛЯ

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.

компрессор высокого давления ВСУ, авиадвигатель, лопатки компрессора, усталостные разрушения, форма колебаний, спектры колебаний, трещины, собственные колебания

1. Иванов В.П. Колебания рабочих колес турбомашин. М.: Машиностроение, 1983. 224 с.

2. Белоусов М.Г. Методология исследования разрушений лопаток компрессоров авиадвигателей // Наука, техника, человек: межвузовский сборник научных работ. Вып. 4. М.: МГТУ ГА, 2012.

3. Гишваров А.С. Анализ эксплуатационных разрушений летательных аппаратов и двигателей: учеб. пособие. Уфа: УГАТУ, 2003. 289 с.

4. 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.

5. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1976. 216 с.

6. 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.

7. 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.

8. Turso J., Litt J. A Foreign Object Damage Event Detector Data Fusion System for Turbofan Engines NASA/TM–2004–213118. 2004. P. 20.

9. 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.

10. Сиротин Н.Н. Конструкция и эксплуатация, повреждаемость и работоспособность газотурбинных двигателей: учебник. М.: РИА «ИМ-ИНФОРМ», 2002. 439 с.

11. Ананьев И.В., Тимофеев П.Г. Колебания упругих систем в авиационных конструкциях и их демпфирование. М.: Машиностроение, 1965. 197 с.

12. Мавлютов Р.Р. Проблемы концентрации напряжений в авиационных конструкциях // Прочность элементов авиационных конструкций. Труды УАИ им. С. Орджоникидзе. 1973. Вып. 40. 65 с.

13. 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.

14. Машошин О.Ф., Чичков Б.А. Рабочие лопатки авиационных ГТД: конструкция, прочность, эксплуатация: учебное пособие. М.: МГТУ ГА, 2017. 80 с.