автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Многокритериальное оптимальное проектирование основных деталей роторов ГТД для ожидаемых условий эксплуатации

На правах рукописи

Муратов Рамиль Хабибович

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЕ ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ РОТОРОВ ГТД ДЛЯ ОЖИДАЕМЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь - 2004

Работа выполнена в ОАО "Авиадвигатель", г. Пермь.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Иноземцев Александр Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Бульбович Роман Васильевич

доктор технических наук, профессор Темис Юрий Моисеевич

Ведущая организация - ОАО «Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д.Кузнецова», г. Самара

Защита состоится 7 декабря 2004 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.188.06 при Пермском государственном техническом университете, 614000, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд. 212 гл. корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГТУ

Автореферат разослан 2004г.

Учёный секретарь диссертационного совета

2,005-4 ШЗЛ

92/597

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Качество и конкурентоспособность газотурбинных двигателей характеризуется многими параметрами, основными из которых являются рентабельность эксплуатации и надёжность.

Проблема рентабельности эксплуатации решается за счёт повышения топливной экономичности и ресурса двигателя. Повышение топливной экономичности, как правило, осуществляется за счёт повышения параметров рабочего цикла и приводит к повышению температур и нагрузок в основных деталях двигателя. Увеличение ресурса обуславливает повышение циклической нагру-женности деталей двигателя, связанной с запусками, остановами и изменениями режимов работы в процессе полета. С увеличением ресурсов и параметров рабочего цикла газотурбинных двигателей (ГТД) всё большее значение в обеспечение надёжности приобретают вопросы малоцикловой долговечности основных деталей двигателя, в том числе деталей роторов. Согласно второй стратегии управления ресурсом эксплуатация двигателя производится по техническому состоянию без фиксированного назначенного ресурса двигателя до выработки назначенного ресурса любой из основных деталей. Последняя редакция «Норм прочности ГТД» требует оценку запасов по малоцикловой долговечности проводить с учётом реального профиля полёта и реальных эксплуатационных нагрузок. Таким образом, решение задачи создания экономичных ГТД больших ресурсов, имеющих высокую надежность и безотказность в работе, требует повышения качества проектирования основных деталей двигателей и более полного учёта условий эксплуатации двигателей.

В связи с этим особую актуальность, научное и прикладное значение приобретает разработка методики и алгоритмов оптимального проектирования основных деталей роторов ГТД с применением уточнённых методик оценки исчерпания малоцикловой долговечности деталей ГТД, учитывающих особенности эксплуатационного цикла нагружения.

Целью диссертационной работы является совершенствование процесса проектирования основных деталей роторов ГТД с учётом ожидаемых условий эксплуатации двигателей. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи.

1) Разработать методику многокритериального оптимального проектирования основных деталей роторов ГТД, включающую в себя:

- формирование типового полетного цикла двигателя;

- построение двумерных конечноэлементных моделей основных деталей роторов и роторов в целом;

- определение нестационарного осесимметричного температурного состояния основных деталей роторов ГТД в типовом полётном цикле;

- определение изменения осесимметричного напряжённо-деформированного состояния основных деталей роторов ГТД в типовом полётном цикле;

- определение циклов нагружения основных деталей роторов ГТД в типовом полётном цикле;

- определение циклической долговечности основных деталей роторов ГТД с помощью модифицированного автором уравнения Мэнсона (уравнения универсальных показателей степени);

- оптимизацию основных деталей роторов ГТД с целью повышения их циклической долговечности.

2) Разработать программное обеспечение, реализующее методику многокритериального оптимального проектирования основных деталей роторов ГТД.

3) Исследовать с помощью разработанного программного обеспечения основные детали роторов ГТД.

Методика выполнения исследований. Типовой полётный цикл (ТПЦ) формировался по данным технического задания на разработку двигателя и уточнялся по результатам эксплуатации двигателей. Тепловое состояние деталей роторов в полетном цикле определялось решением для ротора нестационарной задачи теплопроводности методом конечных элементов в осесиммет-ричной постановке. Расчёт напряжённо-деформированного состояния деталей роторов по полетному циклу выполнялся методом конечных элементов в осе-симметричной постановке решением в перемещениях упругой и упругопла-стических задач для всего ротора. Циклы нагружения деталей роторов определялись методом падающего дождя. Циклическая долговечность деталей роторов определялась по модифицированному эмпирическому уравнению Мэнсо-на, учитывающему размах деформаций, среднее напряжение, среднюю пластическую деформацию и свойства материала в цикле нагружения. Задача оптимизации основных деталей ГТД при их проектировании решалась методом ЛП-поиска.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- задача проектирования основных деталей ГТД сформулирована как задача многокритериальной оптимизации с использованием критериев массы, прочности, циклической долговечности и геометрии проектируемых деталей;

- выполнено решение задачи прогнозирования циклического ресурса основных деталей роторов ГТД с учетом ожидаемых условий эксплуатации, нестационарного теплового состояния и истории нагружения деталей роторов в полетном цикле;

- уточнены используемые применительно к основным деталям роторов модели циклической долговечности;

- выявлены определяемые условиями эксплуатации факторы нагружения основных деталей роторов ГТД, наиболее существенные с точки зрения их циклического ресурса;

- сформулированы рекомендации по конструктивным мероприятиям с целью повышения циклического ресурса основных деталей роторов ГТД.

Практическая ценность работы состоит в разработке методик, алгоритмов и программ, позволяющих:

- повысить качество проектирования основных деталей роторов ГТД;

- сократить объем дорогостоящих экспериментальных исследований на этапе проектирования двигателей;

- сократить сроки доводки при обеспечении необходимых прочностных и ресурсных характеристик основных деталей роторов;

- обосновать конструктивные мероприятия по повышению циклического ресурса основных деталей роторов ГТД.

Внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО "Авиадвигатель", г. Пермь.

Достоверность результатов и выводов подтверждается значительным количеством тестовых расчётов, в которых полученные методом конечных элементов результаты хорошо согласуются с аналитическими решениями и экспериментальными данными, полученными другими авторами; результатами экспериментальных работ по обоснованию ресурса основных деталей роторов на установках испытания роторов (УИР).

Апробация работы. Основные положения разработанной методики и полученные в диссертационной работе результаты представлялись на научно-технических конференциях в ЦИАМ (г.Москва), IIIТУ (г.Пермь), ОАО "Авиадвигатель" (г. Пермь).

На защиту автором выносятся математические модели, методики, алгоритмы, программы, результаты исследований и оптимизации прочностных и ресурсных характеристик основных деталей роторов ГТД.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ. Дополнительные сведения представлены в отчетах по опытно-конструкторским работам.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 125 наименований, и приложения. Работа содержит 146 страниц машинописного текста, 101 рисунок и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и дана общая характеристика работы.

В первой главе выполнен анализ работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных решению задач проектирования основных деталей роторов ГТД с учётом условий эксплуатации двигателей.

Вопросам оптимального проектирования машин посвящены работы И.ИАртоболевского, В.И.Сергеева, И.М.Соболя, Р.Б.Статникова, В.В.Подиновского, В.Д.Ногина и др. Следует отмстить работы по автоматизированному прсктированию и оптимизации элементов ГТД, выполненные в ЦИАМ, авторами которых являются ИА.Биргер, И.В.Демьянушко, Ю.М.Темис, В.ВЖестовский, ВЯБратчик и др. Среди зарубежных авторов

работ по методам оптимизации и оптимальному проектированию отметим Д.Химмельблау, Д.Уайлда, Ф.Гилла, У.Мюррея, М.Райта и др.

Создание современных двигателей большого ресурса выдвигает следующие требования к системе оптимального проектирования основных деталей роторов ГТД:

1) учёт нестационарного характера нагружения основных деталей роторов в полётном цикле при эксплуатации двигателя;

2) применение моделей высокого уровня для определения теплового и напряжённо-деформированного состояния основных деталей роторов в полётном цикле двигателя;

3) достоверный учёт числа и параметров циклов нагружения основных деталей роторов в полётном цикле двигателя;

4) достоверная оценка циклического ресурса основных деталей роторов;

5) многокритериальная оптимизация, при которой одним из важнейших критериев оптимальности основных деталей роторов является циклический ресурс деталей;

6) применение ЭВМ не только при решении, но и при постановке задач оптимального проектирования основных деталей роторов.

Комплексный учёт этих требований при решении задач проектирования основных деталей роторов ГТД определил тему и содержание диссертационной работы. Для того, чтобы трудоёмкость проектирования была соизмерима с уровнем получаемых результатов, целесообразно в качестве полётного цикла рассматривать типовой или обобщённый типовой полётный цикл, а в качестве моделей деталей роторов и самих роторов использовать осесимметричные ко-нечноэлементные модели.

По той же причине на стадии проектирования предпочтительней применение простых, но достоверных, моделей циклической долговечности деталей роторов. Различным аспектам прочности конструкций при малоцикловом на-гружении посвящены работы С.В.Серенсена, Р.М.Шнейдеровича, А.П.Гусенкова, В.В.Новожилова, НАМахутова, Р.Р.Мавлютова, Г.В.Москвитина и др. Следует отметить работы по малоцикловой прочности элементов ГТД, выполненные в ЦИАМ, авторами которых являются И.А.Биргер, И.В.Демьянушко, Ю.М.Темис, Р.А.Дульнев, Р.Н.Сизова и др., а также работы, выполненные в ОАО «СНТК им.Н.Д.Кузнецова», авторами которых являются Н.Д.Кузнецов, В.И.Цейтлин, Д.Г.Федорченко и др. Среди зарубежных исследований отметим работы С.Мэнсона, Л.Ф.Коффина, Дж.Р.Хэлфорда, Дж.Морроу и др.

На основании выполненного анализа сформулированы задачи исследования, перечисленные выше в общей характеристике работы.

На рис. 1 приведена схема обоснования ресурса основных деталей ГТД в рамках второй стратегии управления ресурсом. На этом же рисунке показано

структурное положение решаемых в диссертационной работе задач в общей схеме ресурсных работ по второй стратегии.

Во второй главе рассматривается методика многокритериальной оптимизации методом ЛП-поиска. Задачи проектирования машин всегда многокритериальны, так как при выборе наилучшего варианта приходится учитывать много различных требований, предъявляемых к машине, и среди этих требований встречаются противоречащие друг другу. Однако почти все математические методы оптимизации предназначены для отыскания оптимального значения одной функции - одного критерия. Поэтому чаще всего пытаются неоправданными упрощениями свести многокритериальную задачу к однокритери-альной.

Большинство неудачных решений связано именно с этим этапом, так как если сформулированная математическая задача не адекватна исходной задаче, то никакой метод оптимизации положения не спасёт: найденное «оптимальное решение» будет плохим.

Обычно считают, что давать математическую постановку задачи - дело конструкторов, которые хорошо разбираются в существе задачи. Однако в действительности, когда речь идёт о задачах с многими параметрами и с несколькими критериями, поставить математическую задачу очень трудно, ибо конструктор обычно имеет достаточно хорошее представление о допустимых пределах изменения каждого параметра, но не знает возможностей всех критериев, и необходим предварительный расчет для выяснения этих возможностей.

Авторы метода ЛП-поиска (Соболь, Статников 1981) предложили простой алгоритм, позволяющий конструктору осуществить разумную постановку математической задачи в процессе диалога с компьютером.

Не следует стремиться к полной автоматизации процесса выбора оптимальных параметров: выбор должен осуществлять сам конструктор, но с помощью компьютера. Поэтому наиболее рациональны алгоритмы, содержащие диалог с машиной.

Проектирование реальных объектов с учётом многих критериев качества обычно имеет характер эвристического итерационного процесса: конструктор, рассматривая различные варианты модели, оценивает результаты, уточняет постановку задачи, затем снова решает её и анализирует новые варианты. В процессе проектирования нередко меняются взгляды на значимость отдельных критериев. И это продолжается до тех пор, пока конструктор не решит, что пришло время остановиться: найдено то, что ему нужно.

Использование метода ЛП-поиска в какой-то мере позволяет алгоритмизировать этот процесс, представив его в форме диалога конструктора с компьютером: при помощи компьютера формируется множество допустимых решений, среди которых конструктор выбирает лучшее.

В первом разделе третьей главы рассмотрены требования, предъявляемые к формированию ТПЦ двигателя. Поскольку на этом этапе закладываются исходные данные для всех последующих этапов проектирования основных деталей роторов (определение теплового, напряжённо-деформированного состояния и циклической долговечности деталей, оптимизация деталей), формируемый ТПЦ должен максимально полно отражать ожидаемые условия эксплуатации двигателя. Для вновь проектируемого двигателя ТПЦ формируется на основании технического задания на разработку двигателя. При определении набора, последовательности и длительности режимов работы двигателя в полетном цикле учитывается опыт эксплуатации самолетов соответствующего типа. По мере накопления опыта эксплуатации двигателя его ТПЦ может быть уточнен. Уточнения могут касаться разброса качества двигателей в серийном производстве, длительности режимов, изменения со временем эксплуатации параметров двигателя, характерных метеоусловий, длительности полета и межполетного времени. Сформированный с учетом всех требований ТПЦ (несколько видов ТПЦ с указанием вероятности использования каждого вида) представляет собой последовательность применяемых за время полета режимов работы двигателя. Для каждого режима указывается изменение его параметров с изменением высоты и скорости полета.

Следует отметить, что оптимальное проектирование основных деталей роторов с учётом нагруженности деталей на нескольких режимах ТПЦ, а тем более - в нескольких видах ТПЦ, требует именно многокритериального подхода.

Во втором разделе главы рассматриваются вопросы построения двумерных конечноэлементных моделей основных деталей двигателя. Описан используемый алгоритм триангуляции любой двумерной области конечных раз-

меров. Приведены процедура улучшения качества построенной сетки и алгоритм её перенумерации для обеспечения близкой к минимуму ширины ленты матрицы коэффициентов системы уравнений. Для модификации в вариантных оптимизационных расчётах конечноэлементной модели и приложения к ней нагрузок используется параметризация исходной геометрической модели. На базе разработанного комплекса программ построения ко-нечноэлементных сеток и графической системы AutoCAD была создана система FEM, позволяющая расчетчику автоматизировать наиболее трудоёмкие этапы подготовки сетки. Представлены результаты применения системы FEM.

В третьем разделе главы рассматриваются вопросы определения температурного состояния деталей роторов ГТД в полётном (эксплуатационном) цикле. Для учёта влияния температурного состояния роторов на напряжённое состояние и циклическую долговечность их деталей на базе конечноэлемент-ных программ решения в осесимметричной постановке задач стационарной и нестационарной теплопроводности разработаны модели теплового состояния деталей роторов и роторов в целом.

Разработанная программа расчёта осесимметричного стационарного и нестационарного теплового состояния была проверена на ряде тестовых задач:

- стационарное тепловое состояние бесконечного цилиндра;

- нестационарный прогрев шара.

Сопоставление численных решений с аналитическими показало хорошее их совпадение: в первом случае отклонение составляло менее 0.03 %, во втором - менее 1 %.

Программа использовалась при моделировании теплового состояния роторов компрессора высокого давления (КВД), турбины высокого давления (ТВД), турбины низкого давления (ТНД) двигателя ПС-90А, ротора ТВД двигателя Д-30 3 серии, роторов УИР при испытаниях дисков 1, 2 ступеней, промежуточных дисков ТВД двигателя ПС-90А, роторов ТВД и ТНД двигателя ПС-90А2, роторов ТВД и свободной турбины (СТ) двигателей ПС-90ГП-2 и ПС-90ГП-2А, ротора ТВД двигателя П090А-76.

Опыт тепловых расчётов показал, что при учёте всех переменных режимов ТПЦ для достоверного моделирования нестационарного теплового состояния роторов требуется не менее 700-800 расчётных точек по времени цикла. Этот факт, с учетом достаточной информативности двумерных моделей, делает оптимальным их применение при проектировании основных деталей роторов.

В четвёртом разделе главы рассматриваются вопросы определения напряжённо-деформированного состояния деталей (НДС) роторов ГТД в полётном (эксплуатационном) цикле. Для учета особенностей распределения деформаций и напряжений в деталях роторов на базе конечноэлементных программ решения в осесимметричной постановке задачи термоупругости разработаны модели напряжённо-деформированного состояния деталей роторов и роторов в целом.

Кроме задач линейной упругости разработанная программа позволяет решать физически и геометрически нелинейные задачи, также задачи контактного взаимодействия. Для решения физически нелинейных задач используется метод переменной жёсткости. Для решения геометрически нелинейных задач используется минимизация методом Ньютона-Рафсона суммы внешних и внутренних обобщенных сил. Для решения задач контактного взаимодействия используется замена точных условий на контактной границе приближёнными, что позволяет определить усилия на границах контактирующих тел по их фиктивному перекрытию.

Для проверки разработанной программы определения НДС деталей роторов решены следующие тестовые задачи, имеющие аналитическое решение:

- нагружение толстостенной трубы внутренним давлением;

- упругое деформирование круглой пластинки и сферического купола;

- вдавливание жёсткого пуансона в полупространство.

Сопоставление численных решений с аналитическими в рассмотренных

тестовых задачах показало хорошее совпадение результатов: отклонение по максимальным напряжениям или перемещениям составляло, в зависимости от задачи, 1.5%... 8%.

Построенные на базе программы модели использовались при моделировании напряжённо-деформированного состояния роторов КВД, ТВД, ТНД двигателя ПС-90А, ротора ТВД двигателя Д-30 3 серии, роторов УИР при испытаниях дисков 1, 2 ступеней, промежуточных дисков ТВД двигателя ПС-90А, роторов ТВД и ТНД двигателя ПС-90А2, роторов ТВД и СТ двигателей ПС-90ГП-2 и ПС-90ГП-2А, ротора ТВД двигателя ПС-90А-76.

Опыт прочностных расчётов показал, что для достоверного моделирования изменения НДС роторов в ТПЦ требуется не менее 100-200 расчётных точек по времени никла. При таких объёмах расчётов, двумерные модели НДС, обладая, как и двумерные тепловые модели, достаточной информативностью, являются оптимальными при проектировании основных деталей роторов.

В пятом разделе главы описаны метод падающего дождя для подсчёта циклов нагружения деталей роторов в типовом полетном цикле и правило линейного суммирования повреждаемостей.

В четвёртой главе рассматриваются вопросы определения циклической долговечности основных деталей роторов ГТД по результатам расчётов изменения НДС деталей в полётном (эксплуатационном) цикле. Представлена модификация эмпирического уравнения Мэнсона для расчёта циклической повреждаемости материалов основных деталей ГТД при циклическом упругопла-стическом деформировании. Уравнение Мэнсона (уравнение универсальных показателей степени) было предложено (Мэнсон, Хиршберг 1965) в виде:

где Де - размах полной деформации, а, - предел прочности при растяжении, Е -модуль упругости, N - циклическая долговечность, Л - пластичность.

Уравнение Мэнсона было получено по результатам испытаний гладких образцов при симметричном цикле нагружения. Обычно в литературе приводится модификация уравнения (Морроу 1968) вида:

где о„ - среднее напряжение в цикле нагружения образца.

С целью учёта независимости переходного размаха деформаций от среднего напряжения в цикле, замены одномерных параметров нагружения образца трёхмерными, уточнения влияния на долговечность среднего напряжения в цикле, учёта влияния на долговечность пластической составляющей средних деформаций в цикле уравнение (2) было модифицировано.

Предлагаемая модификация уравнения (2) для прогнозирования циклического ресурса основных деталей ГТД на основании результатов конечноэле-ментных расчетов выглядит так:

где (Де), - интенсивность размахов деформаций в цикле нагружения, V - коэффициент Пуассона?„о - гидростатическое напряжение для средних напряжений никла, о„, - интенсивность средних напряжений никла, е™ - пластическая составляющая интенсивности средних деформаций цикла, - предельное напряжение для материала, - предельная пластическая деформация для материала. Величины зависят от наличия или отсутствия концентрации напряжений и деформаций, определяющих нагружение материала в рассматриваемой зоне детали. В первом случае и - истинные, во втором - условные.

Для проверки полученного уравнения были проведены конечноэлемент-ные расчёты гладких образцов из материалов, для которых имеются данные циклических испытаний. Расчёты выполнялись в осесимметричной упругопла-стической постановке с использованием кривых циклического деформирования из уравнения (1). На рис. 2 представлены результаты циклических испытаний гладких образцов из материала для дисков роторов, аппроксимация ре-

зультатов испытаний в вице уравнения №=а\+аг*а, а также результаты расчётов циклической долговечности образцов по уравнениям (2) и (3).

Как видно из рисунка, применение уравнения (3) обеспечивает более близкие к экспериментальным расчётные значения долговечности, чем применение уравнения (2).

Модифицированное уравнение (3) позволяет:

- повысить точность прогноза долговечности, особенно в области малых её значений, включая статическое разрушение (N=1/2);

- учитывать влияние на долговечность предварительной статической или кратковременной циклической перегрузки;

- моделировать независимость долговечности от знака средних напряжений в цикле при больших размахах деформаций;

- учитывать термический характер малоцикловой усталости;

• учитывать влияние на долговечность ползучести;

- более обоснованно применять правило линейного суммирования повреждаемостей при неоднородных историях нагружения.

Следует отметить, что предложенный для уравнения Мэнсона подход к учёту средних напряжений и деформаций цикла сохранится и при использовании индивидуальных для материала экспериментальных кривых циклической долговечности.

В пятой главе рассматривается применение при проектировании основных деталей роторов ГТД метода ЛП-поиска с анализом напряжённого состояния деталей методом конечных элементов в осесимметричной постановке. Применение метода ЛП-поиска в сочетании с методом конечных элементов позволило существенно расширить возможности прочностного анализа и оптимизации конструкций основных деталей роторов ГТД.

Интеграция комплексов программ объединила достоинства обоих методов. К этим достоинствам можно отнести: разнообразие параметров и критериев оптимизации, качество определения прочностных и ресурсных характеристик конструкций любой сложности по геометрии и количеству деталей, глобальность проработки конструкций при выборе приемлемых вариантов совместного решения проблем массы и ресурса с учётом конструктивных и технологических ограничений.

Разработанный комплекс программ применялся при оптимизации шести дисков компрессора высокого давления и промежуточного диска турбины высокого давления двигателя ПС-90А2, при исследовании оптимальности доработки перемычки фланца крепления диска второй ступени ТВД двигателя ПС-90А.

Возможности нового комплекса программ показаны на примере проектирования промежуточного диска ротора турбины высокого давления двигателя ПС-90А2, рис. 3.

Рис. 3. Ротор турбины высокого давления двигателя ПС-90А2

Оптимизация диска выполнялась в два этапа. На первом этапе стояла задача снижения напряжений в ободе диска без увеличения массы диска и обеспечении нормированного запаса по разрушающей частоте вращения. Изменение геометрии диска задавалось 14 параметрами: 8 из них формировали обод диска, 6 - полотно и ступицу. В качестве критериев рассматривались мае-

са диска, запас по разрушающей частоте вращения, напряжённость в 7 зонах обода диска - всего 9 критериев.

Второй этап проектирования диска стал необходим после выполнения расчётов в двумерной постановке изменения температурного и напряжённо-деформированного состояния ротора в типовом полётном цикле. По результатам расчётов в зонах конструктивных концентраторов напряжений - в зонах отверстий в ободе диска, см. рис. 3 - на одном из режимов полетного цикла был получен высокий уровень номинальных окружных напряжений. Расчёты напряжённо-деформированного состояния диска в трёхмерной постановке подтвердили подозрения об опасности таких номинальных напряжений.

Число параметров, формирующих облик диска, на втором этапе равнялось 15. Число критериев было доведено до 35: кроме результатов расчётов на двух режимах в число критериев были включены и все 15 параметров. Это позволяло в ходе оптимизационных расчётов по коэффициентам корреляционной матрицы критериев проследить взаимосвязи собственно критериев не только между собой, но и с параметрами.

На рис. 4 показано сравнение контуров ободной части диска после 1 и 2 этапов проектирования.

Полученный профиль диска был принят на конструкторскую проработку для выпуска чертежа и последующего анализа напряжённо- деформированного состояния диска в трёхмерной постановке. В настоящее время все спроектированные диски (рассмотренный выше диск турбины и шесть дисков компрессора) изготовлены и используются в экспериментальных работах по доводке двигателя ПС-90А2.

Приведённый пример является лишь иллюстрацией и не охватывает всех возможностей подхода к проектированию основных деталей роторов ГТД как к решению многокритериальной задачи оптимизации. Разработанный комплекс программ уже сейчас позволяет применять этот подход не только к отдельным деталям, но и к роторам в целом. Мощности современной вычислительной техники позволяют ставить задачи оптимального проектирования роторов с учётом контактного взаимодействия деталей ротора между собой, эффектов физической и геометрической нелинейности, изменения нагрузок, в том числе и температурных, в эксплуатационном цикле.

Область возможного применения комплекса программ не ограничивается проектированием и оптимизацией основных деталей роторов ГТД. Согласно второй стратегии управления ресурсами двигателей допускается расчётно-экспериментальное обоснование циклического ресурса основных деталей роторов на стендах поузловой доводки. Разработанный комплекс программ может быть использован при проектировании конструкций испытательных роторов и определении условий испытаний для обеспечения требуемых коэффициентов соответствия испытательных циклов полётному.

Кроме того, комплекс программ может быть использован:

- для анализа чувствительности циклической долговечности основных деталей роторов ГТД к разбросу условий нагружения деталей и к разбросу свойств материала деталей;

- при формировании требований к свойствам новых материалов для обеспечения необходимой циклической долговечности деталей роторов ГТД в заданных условиях нагружения деталей, см. рис.1.

Заключение содержит следующие основные результаты и общие выводы:

1. Разработана методика многокритериального оптимального проектирования основных деталей роторов ГТД с учётом ожидаемых условий эксплуатации.

2. Разработаны алгоритмы и программы, реализующие методику многокритериального оптимального проектирования основных деталей роторов ГТД с учётом ожидаемых условий эксплуатации.

3. Выполнены расчетные исследования промежуточного диска турбины высокого давления и шести дисков компрессора высокого давления двигателя ПС-90А2, диска второй ступени турбины высокого давления двигателя ПС-90А; обоснованы конструктивные мероприятия по повышению циклической долговечности дисков.

4. Возможными областями применения разработанного комплекса программ являются:

- оптимальное проектирование основных деталей роторов ГТД и роторов в целом;

- проектирование конструкций испытательных роторов и определение условий испытаний для обеспечения требуемых условий нагружения деталей в испытаниях;

- анализ чувствительности циклической долговечности основных деталей роторов ГТД к разбросу условий нагружения деталей и к разбросу свойств материала деталей;

- формирование требований к свойствам новых материалов для обеспечения необходимой циклической долговечности деталей роторов ГТД в заданных условиях нагружения деталей.

5. Разработанные методики, алгоритмы и программы внедрены в ОАО "Авиадвигатель".

7 Маг , 2005-4

21189

Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опуб. ваны в следующих работах:

1. Пакет программ для расчётов на прочность МКЭ лопаток и д] турбин ГТД: Тезисы докладов IV отраслевой научно-технической конф'

ции. - М.: ЦИАМ, 1984. -2 с. (соавторы Латышев В.Г., Лиссер М.М.).

2. Подсистема автоматизированного проектирования дисков ГТД: Тезисы докладов XI научно-технической конференции молодых учёных и специалистов ЦИАМ, часть II. - М.: ЦИАМ, 1986. - 3 с. (соавтор Чепкасова Г.И.).

3. Автоматизированное проектирование дисков ГТД: Тезисы докладов V отраслевой научно-технической конференции. - М.: ЦИАМ, 1987. - 2 с. (соавторы Гачегов Н.А., Чепкасова Г.И.).

4. Моделирование теплового и напряжённого состояния дисков роторов ГТД в условиях полетного цикла и испытательного цикла на установке: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии». - Пермь: IПТУ, 2000. - 1 с.

5. Обоснование и реализация программ циклических испытаний дисков роторов ГТД: Тезисы докладов международной научной конференции «Двигатели XXI века», часть I. - М.: ЦИАМ, 2000. - 2 с. (соавторы Андрейченко И.Л., Кашин В.Н.).

6. Опыт применения эмпирического уравнения Мэнсона для оценки циклического ресурса дисков роторов ГТД: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии». - Пермь: ПГТУ, 2001. -1 с.

7. Методика расчётно-экспериментального обоснования циклического ресурса дисков роторов ГТД с учетом условий эксплуатации // Аэрокосмическая техника. - Пермь: ПГТУ, 2001. - № 8. - С. 88-93.

8. Модификация эмпирического уравнения Мэнсона для оценки циклического ресурса основных деталей ГТД: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии». - Пермь: ПГТУ, 2002. - 1 с.

9. Модифицированное эмпирическое уравнение Мэнсона для расчетов циклического ресурса деталей ГТД // Аэрокосмическая техника. - Пермь: ПГТУ, 2002. - № 13. - С. 77-82.

10. Проектирование основных деталей роторов ГТД как решение многокритериальной задачи оптимизации // Молодёжная наука Прикамья. - Пермь: ПГТУ, 2002. - Вып. 2. - С. 36-41.

Сдано в печать 1.11.04. Формат 60x84/16. Объём 1,0 уч.-издл. _Тираж 100. Заказ 1350. _

Печатная мастерская ротапринта ПГТУ.