Разработка подхода к обнаружению трещин в лопатках авиационных газотурбинных двигателей на рабочих режимах

Аннотация

Предложен подход к обнаружению трещин, возникающих в лопатках газовых турбин при работе авиационных двигателей. Согласно гипотезе исследования, предлагаемая система представляет собой капсулы с веществом, проявляющим ионизирующие свойства при высоких температурах, помещаемые в тело лопатки при ее проектировании. В процессе развития и раскрытия трещины в области капсулы за счет разности давлений снаружи и внутри капсулы происходит выброс ионизирующего вещества в проточную часть турбины, где и регистрируется за счет скачка тока при попадании вещества на датчики. В рамках данного исследования рассмотрены и решены модельные задачи с целью оценить возможности реализации предлагаемого подхода на примере цилиндрической оболочки с заранее созданным прямоугольным вырезом, внутри которой помещалась тонкостенная капсула. Создан стенд для проведения экспериментальных исследований, оснащенный системой контроля сигнала при появлении активного вещества, работающего при температурах, соответствующих газотурбинным двигателям. Проведены экспериментальные исследования щелочных растворов разных концентраций для выявления наиболее перспективного при использовании в качестве ионизирующего вещества. Определены возможности создания давления внутри тонкостенной капсулы, достаточного для разрушения ее оболочки при допустимых ограничениях по толщине. На основании серии численных и натурных экспериментов исследовано влияние ширины созданного выреза в толстостенной оболочке и толщины оболочки тонкостенной капсулы на значение давления в ней, необходимого для ее разрушения

Работа поддержана грантом РНФ № 22-79-10114 "Разработка системы диагностирования повреждений турбинных лопаток и способа оптимизации теплоотвода в условиях термической усталости"

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Андрианов И.К., Гринкруг М.С., Кара Балли М. Разработка подхода к обнаружению трещин в лопатках авиационных газотурбинных двигателей на рабочих режимах. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2024, № 1 (148), c. 4--20. EDN: AOJTEO

Литература

[1] Комов А.А. Схема шасси самолета и защищенность двигателей. Вестник МАИ, 2022, т. 29, № 1, с. 7--18. DOI: https://doi.org/10.34759/vst-2022-1-7-18

[2] Grinkrug M.S., Kara Balli M., Tkacheva J.I., et al. Experimental study for choosing an active substance in a microcracks detection system in the turbine blade. IOP Conf. Ser.: Mater. Sc. Eng., 2021, vol. 1111, art. 012020. DOI: http://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/1111/1/012020

[3] Ignatovich S.R., Menou A., Karuskevich M.V., et al. Fatigue damage and sensor development for aircraft structural health monitoring. Theor. Appl. Fract. Mech., 2013, vol. 65, pp. 23--27. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2013.05.004

[4] Сиротин Н.Н., Нгуен Т.Ш. Методика численного моделирования эксплуатационных повреждений рабочих лопаток ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя. Вестник МАИ, 2021, т. 28, № 4, с. 131--150. DOI: https://doi.org/10.34759/vst-2021-4-131-150

[5] Szczepankowski A., Szymczak J. Initiation of damage to the hot part of aircraft turbine engines. Research Works of AFIT, 2016, vol. 38, no. 1, pp. 61--74.

[6] Zhang Z., Yang G., Hu K. Prediction of fatigue crack growth in gas turbine engine blades using acoustic emission. Sensors, 2018, vol. 18, no. 5, art. 1321. DOI: https://doi.org/10.3390/s18051321

[7] Нгуен Нгок Т., Коленько Г.С. Анализ механики разрушения и работоспособности лопатки газовой турбины при наличии трещины. Материаловедение. Энергетика, 2020, т. 26, № 3, с. 56--69. DOI: https://doi.org/10.18721/JEST.26304

[8] Feng J., Geng R., Wu G., et al. AE characteristic analysis in aircraft fatigue test under flight loading condition. J. Mech. Eng., 2010, vol. 46, no. 8, pp. 6--11.

[9] Geng Н., Zhou X., Yang B., et al. Design and simulation of gas turbine blade fatigue testing rig driven by electric magnet. IEEE ICMA, 2017, pp. 2034--2038. DOI: https://doi.org/10.1109/ICMA.2017.8016131

[10] Семенов А.С., Грищенко А.И., Колотников М.Е. и др. Конечно-элементный анализ термоциклической прочности лопаток газовых турбин. Часть 1. Модели материала, критерии разрушения, идентификация параметров. Вестник УГАТУ, 2019, т. 23, № 1, с. 70--81.

[11] Маскайкин В.А., Махров В.П. Исследование теплопроводности многослойной теплоизоляционной обшивки летательных аппаратов в условии полета. Вестник МАИ, 2021, т. 28, № 4, с. 118--130. DOI: https://doi.org/10.34759/vst-2021-4-118-130

[12] Beghinia M., Bertinia L., Santusa C., et al. High temperature fatigue testing of gas turbine blades. Procedia Struct. Integr., 2017, vol. 7, pp. 206--213. DOI: https://doi.org/10.1016/j.prostr.2017.11.079

[13] Кортиков Н.Н. Неопределенности при моделировании теплового состояния охлаждаемой лопатки газовой турбины. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Естественные и инженерные науки, 2019, т. 25, № 4, с. 31--41. DOI: https://doi.org/10.18721/JEST.25403

[14] Li B., Fan X., Li D., et al. Design of thermal barrier coatings thickness for gas turbine blade based on finite element analysis. Math. Probl. Eng., 2017, vol. 3, art. 147830. DOI: https://doi.org/10.1155/2017/2147830

[15] Andrianov I.K., Grinkrug M.S., Vakuluk A.A. Numerical calculation of the heat sink parameters of the shell turbine vanes at the modeling of the heat-protective coating with a different number of layers. Current problems and ways of industry development: equipment and technologies, 2021, vol. 200, pp. 37--46. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-69421-0_5

[16] Vikulin A.V., Yaroslavtsev N.L., Zemlyanaya V.A. Estimation of efficiency of the cooling channel of the nozzle blade of gas-turbine engines. Therm. Eng., 2018, vol. 65, no. 2, pp. 88--92. DOI: https://doi.org/10.1134/S0040601517120102

[17] Соловьев М.С. Обзор конструкторских мероприятий по повышению эффективности пленочного охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин перспективных авиационных ГТД. Вестник РГАТА имени П.А. Соловьева, 2021, № 4 (59), с. 30--36.

[18] Kvasha Yu.A., Zinevych N.A., Petrushenko N.V. Features of blade shape variation in the aerodynamic improvement of aircraft gas-turbine engine compressors. Tech. Mech., 2022, vol. 2, no. 2, pp. 17--24. DOI: https://doi.org/10.15407/itm2022.02.017

[19] Lepeshkin A., Remchukov S., Yaroslavtsev N., et al. Test technique for turbine cooled blades of gas turbine engines. J. Phys.: Conf. Ser., 2021, vol. 1925, art. 012086. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1925/1/012086

[20] Cheng J., Dong Z., Zhao S., et al. Research on aerodynamic optimization method of multistage axial compressor under multiple working conditions based on phased parameterization strategy. Math. Probl. Eng., 2021, vol. 1. DOI: https://doi.org/10.1155/2021/5518507

[21] Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. М., Машиностроение, 1993.