Определение ресурса основных деталей двигателя по концепции безопасного развития трещины с использованием 3D математических моделей
АО «ОДК–Климов» — ведущий российский разработчик авиационных газотурбинных двигателей. Определение ресурса основных деталей является одной из важнейших задач, решаемых в процессе проектирования любого двигателя, поскольку от этого зависит ресурс двигателя в целом и безопасность полета летательного аппарата.
Перед «Саровским Инженерным Центром» поставлены следующие задачи:
- Рассчитать воздушную систему двигателя для определения теплового состояния основных деталей двигателя при эксплуатации его по типовому полетному циклу (ТПЦ) и по испытательному циклу эквивалентно-циклических испытаний.
- Определить напряженно-деформированное состояние (НДС) центробежного колеса компрессора (ЦБК) при воздействии тепловых и механических нагрузок.
- Провести трехмерное численное моделирование процесса устойчивого роста трещин в наиболее высоконагруженных зонах ЦБК по концепции безопасного развития трещины.
Решение
Выполнено трехмерное моделирование теплового состояния ЦБК по полетному циклу в программном комплексе, предназначенном для решения задач механики сплошных сред STAR-CCM+. Расчетная модель ротора ЦБК представляет собой циклически симметричный сектор с углом 45 градусов в основании. Боковые границы модели являются периодическими (Periodic) интерфейсами. Размерность расчетной сетки ротора ЦБК для тепловых расчетов составляет 2.1 млн. ячеек. Проведены стационарные и нестационарные расчеты теплового состояния ЦБК для режимов ТПЦ.
Выполнено пространственное численное моделирование НДС ЦБК с использованием конечно-элементного комплекса для расчета процессов нестационарного нелинейного деформирования Abaqus. Расчетная модель также представляет собой сектор ЦБК, включающий четыре лопатки. Боковые поверхности сектора являются криволинейными. При построении конечно-элементной модели (КЭМ) применены 10-узловые тетраэдры 2-го порядка аппроксимации по пространству (C3D10). Размерность КЭМ составляет 3366 тыс. узлов и 786 тыс. конечных элементов. Тепловое состояние ЦБК задано в виде поля распределения температур, полученного по результатам моделирования теплового состояния в STAR-CCM+. Расчеты НДС деталей ЦБК проведены с использованием решателя Abaqus на основе неявного метода конечных элементов в статической линейной постановке. Методами линейной механики разрушения смоделирован процесс устойчивого роста трещин от начального дефекта в виде надреза нулевой толщины, расположенного в критических зонах.
Результат
Для решения поставленных задач использовались вычислительные ресурсы «Саровского Инженерного Центра». На основании результатов компьютерного моделирования получены характеристики теплового состояния ЦБК по типовому полетному циклу. Определено напряженно-деформированное состояние ЦБК от действия механических и тепловых нагрузок на наиболее напряженном режиме. Выявлены наиболее нагруженные переменными растягивающими напряжениями локальные критические зоны детали, опасные с точки зрения возможности образования в них трещин. Проведено моделирование процесса устойчивого роста трещин в опасных зонах, построены диаграммы живучести. Сформулированы рекомендации по возможному изменению конструкции ЦБК для повышения его трещиностойкости. Результаты работы следует учитывать при доводке основных деталей двигателя ТВ7-117СТ-01 и при проектировании деталей аналогичных двигателей.