Thermo-mechanical stress analysis of the turbine of helicopter engine

• Autorzy: Witek L. , Stachowicz F.

Identyfikatory

DOI

10.7862/rm.2016.31

Warianty tytułu

PL

Analiza naprężeń termo-mechanicznych turbiny silnika śmigłowcowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper the results of the numerical stress analysis of the power turbine of helicopter engine were presented. In order to solve the problem, the nonlinear finite element method was used. The numerical models of both the blade and the disc segment were made using the MSC-Patran program. In the analysis the thermal load resulting from non-uniform temperature field was defined. The centrifugal force resulting from the rotation of the engine rotor was also considered. The cyclic symmetry boundary condition of the disc segment was used to decrease the size of the numerical task. The model of the turbine material was defined as linear-elastic. The modulus of elasticity and the thermal expansion coefficient of the disc and the blade material were considered as temperature dependent. As a result of performed computations, the stress distributions for the turbine subjected to both the thermal and the mechanical loads were determined.

PL

Praca przedstawia wyniki numerycznej analizy naprężeń turbiny napędowej silnika śmigłowcowego. Do rozwiązania problemu wykorzystano metodę elementów skończonych. Modele numeryczne łopatki oraz segmentu tarczy wykonano korzystając z programu MSC-Patran. W analizie zdefiniowano obciążenie cieplne wynikające z niejednorodnego rozkładu temperatury. Dodatkowo zdefiniowano siłę od środkową elementów wynikającą z obrotu wirnika silnika. W celu ograniczenia wymiaru zadania numerycznego do segmentu tarczy zastosowano warunek brzegowy w postaci symetrii cyklicznej. Model materiału turbiny zdefiniowano jako liniowo-sprężysty. W analizie uwzględniono dodatkowo zmianę wartości modułu Younga oraz współczynnika rozszerzalności termicznej materiału w funkcji temperatury. W rezultacie przeprowadzonych obliczeń określono rozkład naprężeń turbiny poddanej działaniu złożonego obciążenia termo-mechanicznego.

Słowa kluczowe

EN

aero-engine; turbine blade; rotor disc; thermo-mechanical stress analysis; finite element method

PL

silnik lotniczy; łopatka turbiny; tarcza wirnika; analiza naprężeń termomechanicznych; metoda elementów skończonych

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Mechanika
• Rocznik: 2016
• Tom: z. 88 [293], nr 4
• Strony: 379--387
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Witek L.

• Rzeszow University of Technology, Al. Powstańców Warszawy 12, 35-959 Rzeszów, Poland

autor

Stachowicz F.

• Rzeszow University of Technology

Bibliografia

• 1. Meguid S.A., Kanth P.S., Czekanski A.: Finite element analysis of fir-tree region in turbine disc, Finite Element Analysis Design, 35 (2000) 305-317.
• 2. Witek L.: Failure analysis of turbine disc of an aero engine, Eng. Failure Analysis, 13 (2006) 9-17.
• 3. Witek L., Bednarz A., Stachowicz F.: Fatigue analysis of compressor blade with simulated foreign object damage, Eng. Failure Analysis, 58 (2015) 229-237.
• 4. Chan S.K., Tuba I.S.: A finite element method for contact problems of solid bodies - Part II: Applications to turbine blade fastenings, Int. J. Mech. Sci., 13 (1971) 627-639.
• 5. Masataka M. Root and groove contact analysis for steam turbine blades, JSME Int. J., 35 (1992) 508-514.
• 6. Papanikos P., Meguid S.A., Stjepanovic Z.: Three-dimensional nonlinear finite element analysis of dovetail joints in aero-engine discs, Finite Element Analysis Design, 29 (1998) 173-86.
• 7. MSC-Patran 2009 Users Manual, MSC Corporation, Los Angeles, 2009.
• 8. ABAQUS ver. 6.9 Users Manual, Abaqus Inc., 2009.
• 9. Michailov P.B.: Sprawocznik po metaliczeskim matierialam turbino i motorostroenija, Petersburg 1961 (in Russian).
• 10. Kowalski T., Mamrowicz J. Witek L.: Numerical stress and fatigue analysis of the first stage power turbine for helicopter engine, Proc. 24th Int. Committee on Aeronautical Fatigue (ICAF) Symposium, Napoli, Italy, 2007.
• 11. Zboiński G., Ostachowicz W.: A general FE computer program for 3D incremental analysis of frictional contact problems of elastoplasticity, Finite Elements Analysis Design, 27 (1997) 307-322.
• 12. Park M., Hwang Y., Choi Y., Kim T.: Analysis of a J69-T-25 engine turbine blade fracture, Eng. Failure Analysis, 9 (2002) 593-601.
• 13. Song W., Keane A., Rees J., Bhaskar A., Bagnall S.: Turbine blade fir-tree root design optimisation using intelligent CAD and finite element analysis, Computers Structures, 80 (2002) 1853-1867.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).