Наша компания проводит комплексные расчетные исследования и работы по оптимизации динамических систем турбомашин в процессе их проектирования, решает вопросы, связанные со снижением их виброактивности и улучшения стабильности и вибрационных характеристик в процессе эксплуатации. За 20 лет работы компании были проведены десятки НИОКР и НИР, практически со всеми ОКБ двигателестроительной отрасли, позволившие инженерам глубже понять свойства создаваемых или уже существующих конструкций турбомашин, решить свои практические задачи.
Большинство задач решается с помощью программной системы DYNAMICS R4. Если ранее программа использовалась в основном для определения критических частот вращения, расчета вынужденных колебаний, определения режимов, на которых динамическая система теряет устойчивость, то сегодня ее применение связано с решением задач и для производства. В частности, с ее помощью определяются динамические коэффициенты влияния (ДКВ), решаются вопросы балансировки гибких роторов, готовятся программы модальных испытаний узлов и деталей, решаются вопросы диагностики технического состояния двигателей, создания вибрационного паспорта и т. д.
Ниже мы показываем задачи, решаемые с использованием ПО DYNAMICS R4 при проведении тех или иных НИОКР, на примере турбореактивного двигателя.
Цель работы может быть сформулирована как “Моделирование вибрационных характеристик двигателя исследование и оптимизация динамической системы турбомашины с использованием методов математического моделирования. Улучшение вибрационного состояния и стабильности”. Возможны и другие формулировки, связанные с теми задачами, которые ставит Заказчик.
Решаемые задачи в процессе НИР или НИОКР
1. Создание модели в среде программной системы DYNAMICS R4 с возможностью ее использования на основных этапах жизненного цикла – проектирования, доводки, эксплуатации, в том числе боевых условиях и больших перегрузках. Задача приблизить модель к реальной системе ГТД. Валидация модели с использованием программ МКЭ, данных экспериментальных исследований и испытаний.
- Наш опыт показывает, что для создания достаточно подробной динамической модели современного двигателя требуется как минимум 5-6 месяцев. При этом во многом настройка модели зависит от конкретной задачи и может потребовать дополнительного времени.
- Важно отметить, что архитектура модель должна обладать свойствами, позволяющими легко вводить в нее любые изменения, а также удобно анализировать результаты. В программной системе DYNAMICS R4 этой проблеме уделено особое внимание. Модель строится из сборок, субмоделей, подсистем. Развиты алгоритмы для проведения вариантных расчетов.
- В динамической системе двигателя существует большое количество узлов с нелинейными характеристиками, которые могут существенно влиять на общую динамику двигателя (гидродинамические демпферы, подшипники качения, подшипники скольжения, фланцевые соединения и др.). Например, жесткость гидродинамических демпферов подшипниковых узлов может меняться в несколько раз в зависимости от режима работы. Весьма важно правильно оценивать условия работы демпферов в системе двигателя и их динамические характеристики. С учетом этого задачи надо решать в нелинейной постановке, либо строить квазилинейные модели, учитывающие изменение параметров по режимам.
2. Исследование влияния технологических факторов, условий изготовления (отклонения формы), условий сборки (затяжки болтовых стыков, расцентровки и перекосы валов), температурных факторов на общее вибрационное состояние двигателя. Определение “слабых” элементов конструкции. Определение начальных неуравновешенностей роторов двигателя.
- Для успешного решения задач о дисбалансом поведении, а также задач балансировки требуется определение распределения начальных и сборочных дисбалансов (на основании чертежной документации), назначения мест установки и значений балансировочных грузиков. Последняя задача должна решаться по результатам расчета форм вынужденных колебаний роторов, полученных при моделировании в DYNAMICS R4. Расчет форм вынужденных колебаний это одна из многих функций, которые отличают DYNAMICS R4 от аналогичных зарубежных программ.
- Для решения частных задач, связанных с валидацией математических моделей, построенных в DYNAMICS R4, при проведении модальных испытаний, требуется создания технологических моделей деталей и узлов.
- Температуры влияют практически на все жесткостные и демпфирующие характеристики двигателя. Неучет этого фактора приводит к существенным погрешностям моделирования.
- Расцентровки и перекосы роторов могут нагружать фланцевые соединения, муфты, опорные узлы дополнительными динамическими силами.
3. Проведение комплексных расчетных исследований модели в условиях стендовых испытаний от различных источников возбуждения. Выдача рекомендаций по оптимизации конструктивных элементов двигателя, совершенствование методики балансировки роторов двигателя, определение долговечности подшипников опорных узлов с использованием различных уникальных методик, которые приняты в работу двигательным сообществом России.
- Корпуса двигателей являются весьма податливым конструкциями, от которых зависит общая динамика двигателя. Подвеска двигателя делает их свойства анизотропными. Неучет этого фактора ведет к ошибкам в результатах.
- Свойства обвязки двигателя во многом зависят от динамических свойств корпуса двигателя. Полученные результаты могут использоваться в решении задач о кинематическом возбуждении трубопроводов и агрегатов, определения напряжений в них.
- Для машин наземного применения динамика конструкции во многом зависит от свойств подвески двигателя, подмоторной рамы, бетонного основания. Все функциональности для учета этих элементов, существуют в DYNAMICS R4.
4. Задачи о вынужденных колебаниях в результате полигармонического, импульсного, кинематического возбуждения, синхронного и несинхронного возбуждения роторов, касания роторов о статор, касания валов, переходные процессы по режимам работы двигателя, а также при эволюциях самолета с большими перегрузками.
- Все эти процессы в значительной степени определяют напряженное состояние узлов и деталей, а также их долговечность. Задачи могут решаться только в нестационарной постановке.
- Исследование влияния кинематического (ударного возбуждения) возбуждения со стороны на поведение двигателя.
5. Исследование автоколебательных процессов от различных источников возбуждения (подшипники скольжения, гидродинамические демпферы, демпферы сухого трения, лабиринтные уплотнения, аэродинамические силы в лопаточных венцах рабочих колес, шлицевые втулки и т. д.)
- Автоколебательные процессы, приводящие к повышенным вибрациям, к разрушению узлов двигателя, часто не диагностируются при испытаниях, хотя они и участвуют в общем вибрационном поведении. Задачи диагностирования и устранения источников их появления является во многом приоритетной задачей конструктора.
6. Исследование крутильных колебаний роторов двигателя и отстройка от частот возбуждения. Расчет и анализ вибрационных характеристик ЦКП и коробок приводов.
- В результате расчета определяются собственные частоты конструкции, нагрузки в подшипниках, динамические напряжения в зубчатых парах (с учетом зазоров, погрешностей зацепления). Решаются задачи о вынужденных крутильных колебаниях двигателей, колебаниях турбогенераторов и т. д.
7. Анализ динамических нагрузок в подшипниках роторов. Исследование влияния динамических нагрузок на их долговечность.
- Расчет долговечности подшипников (шариковых и роликовых) по уникальным методикам, созданным в компании, и принятым для использования двигательным сообществом России. Алгоритмы расчета эквивалентных нагрузок и долговечности встроены программный комплекс DYNAMICS R4.
8. Диагностика через моделирование — активно развиваемое направление в нашей компании.
- Анализ сигналов, получаемых в измерительной аппаратуре при стендовых испытаниях, определение критических частот с помощью амплитудно-фазового анализа, определение собственных частот турбомашин и т. д.
- Создание алгоритмов распознавания возможных неисправностей с использованием как вибрационных сигналов, полученных на стенде, так и с использованием результатов моделирования в программной систем DYNAMICS R4.
Проект ГТУ -110
Цель работ
Снижение вибрационной активности двигателя ГТД-110.
Решаемые задачи для достижения цели
Создание модели динамической системы ГТЭ-110. Валидация модели ГТД-110. Анализ динамической системы двигателя ГТД-110 в составе ГТЭ-110. Выработка рекомендаций по снижению вибрационной активности двигателя ГТД-110 и улучшению вибрационной стабильности.
