Исследование напряженно-деформированного состояния лопатки турбины, закрученной по закону потенциального вихря, методом конечных элементов

Увеличение мощности и усложнение конструкции турбомашин сопровождается повышением требований к их надежности. Повышение ресурса турбомашин также является одной из основных задач улучшения качества. Поскольку рабочая лопатка является высоконагруженным элементом любой турбомашины, то к ней предъявляются высокие эксплуатационные требования, выраженные в надежности и долговечности данного элемента. На эксплуатационные качества рабочей лопатки сказывается большое количество факторов, одним из которых является ее закрутка. Цель текущего исследования заключается в определении влияния закрутки лопатки газовой турбины, закрученной по закону потенциального вихря.

Представлены результаты исследования влияния закона закрутки на напряженно-деформированное состояние лопатки последней ступени осевой газовой турбины, закрученной по закону потенциального вихря. Для это с помощью внутренних пакетов Ansys, СFX и Static Structural был произведен междисциплинарный сопряженный анализ решений задач вычислительной газодинамики и статической прочности. При анализе задачи статической прочности были рассмотрены растягивающие напряжения, возникающие в поле центробежных сил, изгибающие напряжения (в разных плоскостях — от разности давлений на входе и выходе и от разности давлений на вогнутой и выпуклой поверхностях лопатки), напряжения кручения, а также температурные напряжения.

Оценка полученных результатов в совокупности с анализом ранее выведенных аналитических зависимостей позволили установить влияние закрутки лопаток на напряженно-деформированное состояние. Фактор возникновения напряжений и деформаций кручения должен учитываться при проектировании закрученных лопаток и их последующей газодинамической и прочностной оценки.

1. “Computational analysis of a gas turbine blade with different materials,” Singh H. P., Rawat A., Manral A. R., and Kumar P., Mater. Today Proc., vol. 44, pp. 63 – 69, 2021, doi: 10.1016/J.MATPR.2020.06.486.

2. “Structural analysis of gas turbine blades made of Mo-Si-B under transient thermo-mechanical loads,” Kauss O., H. Tsybenko H., Naumenko K., Hütter S., and Krüger M., Comput. Mater. Sci., vol. 165, pp. 129–136, Jul. 2019, doi: 10.1016/J.COMMATSCI.2019.04.023.

3. “Thermomechanical stress analysis for gas turbine blade with cooling structures,” Tong F., Gou W., Li L., Gao W., and Feng Yue Z., Multidiscip. Model. Mater. Struct., vol. 14, no. 4, pp. 722–734, Oct. 2018, doi: 10.1108/MMMS-08-2017-0081.

4. Ильченко Б. В., Гизатуллин Р. З., Яруллин Р. Р. “Анализ напряженно-деформированного состояния лопаток турбины к-210-130: Труды Академэнерго, pp. 74 – 81, 2011, Accessed: Apr. 28, 2022. [Online]. Available: https://eds.s.ebscohost.com/eds/detail/detail?vid=0&sid=bb5bbebb-0618-4da2-afe0-4e6402d80030%40redis&bdata=Jmxhbmc9cnUmc2l0ZT1lZHMtbGl2ZQ%3D%3D#AN=edselr.16910324&db=edselr