Numerical analysis of thermo-mechanical loads of the K-15 engine-turbine blade

• Autorzy: Panas A. J. , Deneko W.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca dotyczy zagadnienia wyznaczania obciążeń cieplno-mechanicznych łopatki lotniczego silnika turbinowego. Analizę przeprowadzono w kontekście obecnie realizowanego szerszego programu badań oblodzenia lotniczych turbinowych zespołów napędowych. Rozważając problemy cząstkowe - dotyczące poszczególnych elementów konstrukcyjnych - wybrano do analizy łopatkę turbiny przyjmując za reprezentatywny obiekt modelowania silnik K-15. W analizie zastosowano łączone - hybrydowe podejście analityczno-numeryczne. Do określenia warunków granicznych wykorzystano zarówno wyniki obliczeń własnych jak i badań eksperymentalnych. Model numeryczny i obliczenia zasadnicze wykonano przy użyciu pakietu modelowania numerycznego metodą elementów skończonych Cosmos/M rozważając zagadnienie trójwymiarowe. W analizie uwzględniono zależność poszczególnych parametrów materiału konstrukcyjnego łopatki od temperatury. Obliczenia termiczne wykonano dla stanu ustalonego odpowiadającego nominalnym warunkom pracy silnika i dla przypadku nieustalonego - rozruchu silnika. Wyznaczone pola temperatury wykorzystano do określenia składowej termicznej obciążeń mechanicznych. Przy określaniu obciążeń sumarycznych uwzględniono efekty związane z wirowaniem turbiny. Wypadkowe przemieszczenia promieniowe wierzchołka pióra łopatki określono na 1,83 mm. Wykonano również obliczenia częstości i postaci drgań własnych łopatki zimnej i gorącej uzyskując asymptotycznie wartość częstotliwości 1120 Hz dla drgań pierwszej postaci. W efekcie uzyskano niezbędne dane do przeprowadzenia analizy obciążeń łopatki w sytuacjach awaryjnych, uwzględniających również przypadki warunków oblodzeniowych.

EN

Thermo-mechanical loads of the aircraft engine turbine blade are concerned. The analysis has been performed applying numerical methods within the frame of a wider program of the turbine power plant icing effects investigation. For the described case studies a Polish K-15 turbine engine has been selected. The turbine blade 3-D model has been developed using COMSOL/M FEM software. Temperature dependent thermophysical properties have been applied. Boundary conditions for thermal problems have been adopted from analytical modelling and from experimental investigations. Several cases of thermal loads have been analysed. Amongst them have been cases of steady-state nominal operating range conditions and transient conditions of the engine acceleration. The total loads have been obtained regarding both thermal and mechanical part. Mechanical loads were due to the turbine rotation. In the course of numerical investigations there have been also performed calculations of natural frequencies of vibration for the blade free of loads, the blade subjected to thermal load and the blade subjected to both thermal and mechanical loads. The asymptotic value of 1120 Hz, obtained for the first mode of a cold blade vibration, is in good agreement with experimental data. The axial displacement of the hot rotating blade tip has been estimated to be equal to 1.83 mm. The modelling proved a crucial role of thermal processes that are responsible for more than 80% of axial blade displacement and for more than 15% decrease in the natural vibration frequency value.

Słowa kluczowe

PL

eksploatacja statków powietrznych; silniki turbinowe; silnik K-15; obliczenia numeryczne MES; obciążenia cieplne; obciążenia mechaniczne

EN

aerospace technology; turbine power plants; K-15 turbine power plant; FEM numerical analyses turbine blade thermo-mechanical loads

• Wydawca: Łukasiewicz Research Network - Institute of Aviation ; European Science Society of Powertrain and Transport KONES Poland ; Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych
• Czasopismo: Journal of KONES
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 15, No. 4
• Strony: 447--454
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Panas A. J.

autor

Deneko W.

• Military University of Technology, Institute of Aviation Technology Gen. S. Kaliskiego 2 Street, 00-908 Warszawa, Poland tel. [phone], fax: [phone],

Bibliografia

• [1] Chachurski, R., Oblodzenie lotniczych zespołów napędowych - Rozdział IV w: Oblodzenie statków powietrznych, red. Kowaleczko G., ITWL, Warszawa 2005.
• [2] Panas, A. J., Fizyka zjawisk oblodzeniowych statków powietrznych - Rozdział II w: Oblodzenie statków powietrznych, red. Kowaleczko, G., ITWL, Warszawa 2005.
• [3] Cosmos, M - instrukcja użytkownika. S.R.A.C, Los Angeles 1997.
• [4] Deneko, W., Analiza niestacjonarnych obciążeń cieplnych łopatki turbiny silnika K-15. Praca dyplomowa, WAT, Warszawa 2001.
• [5] Dygado, Z., Łyżwiński, M., Otyś, J., Szczeciński, S., Wiatrek, R., Zespoły wirnikowe silników turbinowych. WKiŁ, Warszawa 1982.
• [6] Chmielniak, T., Kosman, G., Obciążenia cieplne turbin parowych. WNT, Warszawa 1990.
• [7] Zhirickhy, G. S. (ed.), Gazovye turbiny aviacionnykh dvigateley. Oborongiz, Moskva 1963.
• [8] Terpiłowski, J., Panas, A. J., Preiskorn, M., Wyznaczenie naprężeń termomechanicznych w tarczy turbiny silnika K-15 w warunkach ustalonej pracy silnika. Sprawozdanie PBZ 475/97 (041 - 07, etap 2), WAT, Warszawa 1998.
• [9] Winiewski, S., Obciążenia cieplne silników turbinowych. WKiŁ, Warszawa 1974.
• [10] Wojtyra, K., Fałęcki, J., Wiśniowski, W., Pomiar temperatur na łopatkach i tarczy turbiny wyrobu 150 prototyp nr 3 ze zmienionymi łopatkami sprężarki. Instytut Lotnictwa, Warszawa 1988.
• [11] Panas, A. J., Terpiłowski, J., Analiza niskocyklowych obciążeń cieplnych wybranych elementów konstrukcyjnych silnika K-15. Sprawozdanie PBW 788/98 - 99, WAT, Warszawa 1999.
• [12] Khimushin, F. F., Zharoprochnye stali i splavy. Mietalurgizdat, Moskva 1964.
• [13] Orkisz, M., Wygodnik, P., Model opatki silnika turbinowego w ujęciu diagnostycznym. IV Sympozjum Naukowo - Techniczne: Silniki spalinowe w zastosowaniach wojskowych, Jurata 1999.