Применение модального анализа в многодисциплинарном исследовании элементов конструкции ЖРД.

Представлена методика многодисциплинарного исследования элементов конструкции ЖРД на примере рабочего колеса турбины (РКТ) (рис. 1). Дано описание математических моделей, используемых для расчётов газодинамических нагрузок, действующих на РКТ, его теплового и напряжённо-деформированного состояния, а также последовательности применения процедур экспериментального модального анализа фирмы LMS, позволяющих скорректировать конечно-элементную модель РКТ (рис. 2-4). Показано, что применение изложенной в статье методики позволяет повысить точность расчётных оценок динамических напряжений, возникающих в рабочем колесе турбины, и запасов многоцикловой усталости (рис. 5-9).

Рис. 1. Колесо турбины в статоре.

(расчет)                                                        (эксперимент)

Рис.2. Собственная форма колебаний РКТ с двумя узловыми диаметрами.

(расчет)                                                        (эксперимент)

Рис.3. Собственная форма колебаний РКТ с одной узловой окружностью

Рис. 4. Гистограмма MAC-коэффициентов

Рис. 5. Диаграмма Кемпбелла

Рис. 6. Среднее напряжение в РКТ

Рис. 7. Амплитуда напряжений

Рис. 8. Запас по многоцикловой усталости

Рис. 9. Ресурс РКТ

Выводы

Разработана методика многодисциплинарного исследования рабочего колеса турбины ЖРД, включающая следующие процедуры:

- проведение расчёта нестационарного трёхмерного обтекания лопаток статора и РКТ с использованием программы ANSYS CFX;

- проведение экспериментального модального анализа рабочего колеса турбины, включающего определение и идентификацию собственных частот и форм колебаний в диапазоне частот возмущающих нагрузок с помощью аппаратурного и программного комплекса фирмы LMS;

- разработку с помощью программы ANSYS конечно-элементной математической модели рабочего колеса турбины и проведение её расчётного модального анализа;

- проведение коррекции конечно-элементной математической модели рабочего колеса турбины по результатам экспериментального модального анализа;

- определение запасов по вибрациям для частот возмущения с учётом силовых и температурных нагрузок;

- проведение расчёта динамических напряжений, возникающих в рабочем колесе турбины, по программе ANSYS. Это позволило установить, что для наиболее нагруженной точки рабочего колеса турбины имеется достаточный запас по многоцикловой усталости на частотах возмущающих нагрузок.