Исследование напряженно-деформированного состояния рабочего колеса турбины, выполненного методами литья и аддитивных технологий

Аннотация

Появление и развитие аддитивных технологий способствовало проектированию и изготовлению центробежных рабочих колес газотурбинных двигателей, внутри которых расположены решетчатые структуры, что перспективно с позиции экономии материала и снижения нагрузок ввиду уменьшения действующей на них центробежной силы. Приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния центробежного рабочего колеса турбины для шести различных конструкций. Две конструкции рабочего колеса предполагают применение литья как способа получения исходной заготовки, где одна конструкция является исходной, а другая --- усовершенствованной. Четыре конструкции отличаются внутренним строением, а именно наличием решетчатых структур различной геометрии, изготовить которые можно только с помощью аддитивных технологий. Две конструкции из четырех имеют наружную форму в виде исходного рабочего колеса, а две другие --- в виде усовершенствованного рабочего колеса. Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния рабочего колеса турбины перспективного малоразмерного газотурбинного двигателя. По его результатам оценен разгрузочный эффект от применения решетчатых структур, а также продемонстрирован подход к поиску их оптимального расположения внутри тела рабочего колеса

Работа выполнена в рамках федерального проекта "Развитие человеческого капитала в интересах регионов, отраслей и сектора исследований и разработок" (проект № FSSS-2022-00190)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Евдокимов Д.В., Санхинес Лесама Ф., Филинов Е.П. и др. Исследование напряженно-деформированного состояния рабочего колеса турбины, выполненного методами литья и аддитивных технологий. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2025, № 3 (154), c. 15--35. EDN: NLURJB

Литература

[1] Пивоварова М.В., Бессчетнов В.А. Расчетный метод оценки изменения уровня вибронапряжений в компрессорных лопатках газотурбинных двигателей. Вестник ПНИПУ, 2021, № 2, с. 118--131. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2021.2.11

[2] Suha H.A., Ghaidaa I.H., Majeed A.A. Theoretical stress analysis of gas turbine blade made from different alloys. AREJ, 2019, vol. 24, no. 1, pp. 10--18. DOI: https://doi.org/10.33899/rengj.2019.163122

[3] Седунин В.А., Нусс А.С., Серков С.А. Исследование прочностных характеристик лопаток осевого компрессора. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2016, № 3 (126), с. 90--99. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2016-3-90-99

[4] Братухин А.Г., Язов Г.К., Карасев Б.Е. и др. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей. М., Машиностроение, 1997.

[5] Lu X., Xv G., Cong C., et al. Residual stress prediction of micro-milling Inconel 718 thin-walled parts. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2024, vol. 133, no. 3-4, pp. 1305--1316. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-024-13784-5

[6] Wang S., Zhang T., Deng W., et al. Analytical modeling and prediction of cutting forces in orthogonal turning: a review. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2022, vol. 119, no. 3-4, pp. 1407--1434. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-021-08114-y

[7] Ярославцев В.М. Новые технологии повышения качества поверхностного слоя при резании волокнистых полимерных композиционных материалов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2017, № 6 (117), с. 79--88. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2017-6-79-88

[8] Demirpolat H., Binali R., Patange A.D., et al. Comparison of tool wear, surface roughness, cutting forces, tool tip temperature, and chip shape during sustainable turning of bearing steel. Materials, 2023, vol. 16, no. 12, art. 4408. DOI: https://doi.org/10.3390/ma16124408

[9] Макаров В.Ф., Мешкас А.Е., Ширинкин В.В. Исследование проблем механической обработки современных высокопрочных композиционных материалов, используемых для производства деталей авиационной и ракетно-космической техники. Вестник ПНИПУ. Машиностроение, машиноведение, 2015, т. 17, № 2, с. 30--41. EDN: TYWFXB

[10] Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Оптимизация технологических процессов механической обработки. Киев, Наукова думка, 1989.

[11] Евдокимов Д.В., Ахтамьянов Р.М., Алексенцев А.А. Разработка комплексной методики оценки отклонений формы изделия и его ресурса в зависимости от технологических остаточных напряжений. Вестник МАИ, 2024, т. 31, № 2, с. 164--173. EDN: OIOBIO

[12] Alketan O., Reza Rowshan R., Abu Al-Rub R. Topology-mechanical property relationship of 3d printed strut, skeletal, and sheet based periodic metallic cellular materials. Addit. Manuf., 2018, vol. 19, pp. 167--183. DOI: https://doi.org/10.1016/j.addma.2017.12.006

[13] Borikar G.P., Patil A.R., Kolekar S.B. Additively manufactured lattice structures and materials: present progress and future scope. Int. J. Precis. Eng. Manuf., 2023, vol. 24, no. 2, pp. 1--48. DOI: https://doi.org/10.1007/s12541-023-00848-x

[14] Novak N., Vesenjak M., Ren Z. High strain rate hardening of metallic cellular meta-materials. J. Dynamic Behavior Mater., 2024, vol. 10, no. 4, pp. 363--377. DOI: https://doi.org/10.1007/s40870-024-00425-x

[15] Kladovasilakis N., Tsongas K., Karalekas D., et al. Architected materials for additive manufacturing: a comprehensive review. Materials, 2022, vol. 15, no. 17, art. 5919. DOI: https://doi.org/10.3390/ma15175919

[16] Hassan I.M., Enab T.A., Fouda N., et al. Design, fabrication, and evaluation of functionally graded triply periodic minimal surface structures fabricated by 3D printing. J. Braz. Soc. Mech. Sc. Eng., 2023, vol. 45, no. 1, art. 66. DOI: https://doi.org/10.1007/s40430-022-03972-3

[17] Ivanov V.V., Nikolaenko A.N., Evdokimov D.V., et al. Development of a universal algorithm for designing personalized ankle joint endoprostheses. Biomed. Eng., 2023, vol. 57, no. 1, pp. 48--51. DOI: https://doi.org/10.1007/s10527-023-10265-z

[18] Hassan Ali M.I., Alketan O., Alhammadi A., et al. Heat transfer characterization of 3D printable architected heat sinks. IMECE, 2019, paper no. IMECE2019-11523. DOI: https://doi.org/10.1115/IMECE2019-11523

[19] Hussain S., Ghopa W.A.W., Singh S.S.K., et al. Experimental and numerical vibration analysis of octet-truss-lattice-based gas turbine blades. Metals, 2022, vol. 12, no. 2, art. 340. DOI: https://doi.org/10.3390/met12020340

[20] Yan C., Zhu J., Shen X., et al. Structural design and optimization for vent holes of an industrial turbine sealing. Chin. J. Aeronaut., 2021, vol. 34, no. 5, pp. 265--277. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cja.2020.07.010

[21] Lipian M., Czapski P., Obidowski D. Fluid--structure interaction numerical analysis of a small, urban wind turbine blade. Energies, 2020, vol. 13, no. 7, art. 1832. DOI: https://doi.org/10.3390/en13071832

[22] Bhavik P., Mayur K., Dhruv J. Design and analysis of turbocharger impeller for diesel engine. IJMTE, 2018, vol. 8, no. X, pp. 1804--1811.

[23] Rafi S., Amara N., Rao N. Structure analysis of a turbocharger compressor wheel using FEA. IJERA, 2014, vol. 4, no. 10-6, pp. 157--159.

[24] Sathishkumar N., Premkumar P., Ruskin Bruce A., et al. Design and analysis of an impeller of a turbocharger. IJRR, 2020, vol. 7, no. 4, pp. 45--51.

[25] Haq I., Weiguoa G., Arifb M., et al. Study of various conical projectiles penetration into Inconel-718 target. Procedia Struct. Integr., 2018, vol. 13, no. 2, pp. 1955--1960. DOI: https://doi.org/10.1016/j.prostr.2018.12.265

[26] Dorogoy A., Rittel D. Numerical validation of the shear compression specimen. Part I: quasi-static large strain testing. Exp. Mech., 2005, vol. 45, no. 2, pp. 167--177. DOI: https://doi.org/10.1177/0014485105052325

[27] Baturin O.V., Lyu C., Sun P., et al. Educational optimization software for axial compressor flow path design. 5th. ICET, 2022. DOI: https://doi.org/10.1109/ICET55676.2022.9824409

[28] Veerbhadrappa N. CFD Analysis of mixed flow impeller. IJRET, 2014, vol. 3, no. 3, pp. 601--607.

[29] Chen Z., Xia Z., Luo J. Impact of inlet flow angle variation on the performance of a transonic compressor blade using NIPC. AIP Adv., 2022, vol. 12, no. 2, art. 025001. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0074200

[30] Diaz R.B., Tomita J.T., Bringhenti C., et al. An evaluation of passive wall treatment with circumferential grooves at the casing of the first and second blade rotor rows of a high-performance multi-stage axial compressor. Aerospace, 2024, vol. 11, no. 8, art. 662. DOI: https://doi.org/10.3390/aerospace11080662