Разработка комплекса численных моделей для оценки усталостного ресурса рабочей лопатки осевого компрессора газотурбинной установки

Сергей Богданец; Олег Комаров; Виталий Блинов

doi:10.34031/ES.2026.1.05

Авторы

Богданец Сергей Владимирович Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ), г. Екатеринбург
Комаров Олег Вячеславович Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ), г. Екатеринбург https://orcid.org/0000-0002-2657-8682
Блинов Виталий Леонидович Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ), г. Екатеринбург

DOI:

https://doi.org/10.34031/ES.2026.1.05

Ключевые слова:

осевой компрессор, усталость материала, численные методы, вычислительная гидродинамика, метод конечных элементов

Аннотация

В работе рассмотрен анализ усталостного разрушения рабочей лопатки компрессора с помощью численных методов. Усталостное разрушение является комплексным физическим явлением, которое зависит от большого числа факторов (газодинамических, конструктивных, материаловедческих). По этой причине разработанный комплекс численных моделей для анализа указанной проблемы включает решение целого ряда задач. В численной постановке решаются стационарная газодинамическая, прочностная статическая, модальная, нестационарная газодинамическая, гармоническая структурная, усталостная задачи. Для обеспечения и подтверждения достаточной точности результатов расчетов проведена верификация базовых моделей (газодинамическая, статическая прочностная, модальная), на которые опирается последующие ступени расчета. Сравнение результатов численных моделей с экспериментальными, лабораторными и аналитическими результатами показывают хорошую точность расчетов с погрешностью по основным интегральным и локальным характеристикам не более 5%. Верификация расчета усталостного разрушения проведена качественно по картинам систематического усталостного разрушения рабочей лопатки осевого компрессора газотурбинной установки в реальной эксплуатации. Расчет ресурса лопатки позволяет находить корневую причину усталостного разрушения и определять пути повышения вибрационной надежности лопатки.

Библиографические ссылки

[ГОСТ Р 7.0.5-2008]

1. Matsushita O. Vibrations of Rotating Machinery. Volume 1. Basic Rotordynamics: Introduction to Practical Vibration Analysis. – Tokyo: Springer Japan, 2017. – 367 с.

2. Капралов В.М. Методология экспериментальной оценки накопления повреждений многоцикловой усталости, вибропрочности и пределов выносливости лопаток турбомашин: Автореф. … докт. техн. наук: 05.14.12. – СПб.: СПбПУ, 2010. – 26 с.
EDN: QFIOLP (https://elibrary.ru/qfiolp).

3. Расчётная отстройка от автоколебаний и экспериментальная валидация энергетического метода их прогнозирования в лопатках компрессора ГТД / П.В. Макаров, С.А. Чепига, О.Ю. Воронин и др. // Динамика и виброакустика. – 2025. – Т. 11, № 2. – С. 56-72.
EDN: ZZMEPP (https://elibrary.ru/zzmepp).
DOI: https://doi.org/10.18287/2409-4579-2025-11-2-56-72.

4. Пятунин К.Р., Архарова Н.В., Ремизов А.Е. Влияние подхода к моделированию турбулентности на точность прогнозирования уровня шума вентилятора турбореактивного двухконтурного двигателя // Акустический журнал. – 2020. – Т. 66, № 6. – С. 638–646.
EDN: GSBUIP (https://elibrary.ru/gsbuip).
DOI: https://doi.org/10.31857/S0320791920060088.

5. Зайдес С.А. Оценка усталостной долговечности осевого рабочего колеса турбомашин с учетом преднамеренной расстройки // Системы. Методы. Технологии. – 2022. – № 1 (53). – С. 57-62.
EDN: UXUXYQ (https://elibrary.ru/uxuxyq).
DOI: https://doi.org/10.18324/2077-5415-2022-1-57-62.

6. Репецкий О.В. Разработка математических моделей, численных методов и программного обеспечения для анализа долговечности радиальных роторов // iPolytech Journal. – 2025. – Т. 29, №2. – С.194-203.
EDN: UQVSFA (https://elibrary.ru/uqvsfa).
DOI: https://doi.org/10.21285/1814-3520-2025-2-194-203.

7. Михайлов А.Л. Принципы проектирования и вибродиагностика деталей ГТД на основе математического моделирования объемного напряженно-деформированного состояния: Автореф. … канд. техн. наук: 05.07.05. –Рыбинск: РГАТУ имени П.А. Соловьева, 2003. – 33 с.
EDN: NJPWGT (https://elibrary.ru/njpwgt).

8. Menter F. Development of a Generalized k-ω Two-equation Turbulence Model // New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XII (DGLR 2018). – Cham: Springer, 2020. – С. 101-109.
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-25253-3_10.

9. Богданец С.В., Седунин В.А. Применение модели турбулентности GEKO в численном расчете осевых компрессоров // Вестник Московского энергетического института. – 2025. – № 2. – С. 110-118.
EDN: COWXLP (https://elibrary.ru/cowxlp).
DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2025-2-110-118.

[References, APA (7th ed.)]

1. Matsushita, O. (2017). Vibrations of Rotating Machinery. Volume 1. Basic Rotordynamics: Introduction to Practical Vibration Analysis. Springer Japan.

2. Kapralov, V. M. (2010). Metodologiya eksperimentalnoy otsenki nakopleniya povrezhdeniy mnogotsiklovoy ustalosti, vibroprochnosti i predelov vynoslivosti lopatok turbomashin [Methodology for experimental assessment of damage accumulation in high-cycle fatigue, vibration strength, and endurance limits of turbomachinery blades], [Doctoral dissertation, Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University]. SPbPU. https://elib.spbstu.ru/dl/2001.pdf/download/2001.pdf. [In Russian]

3. Маkаrov, P. V., Chepiga, S. А., Voronin, О. Y., Kolotnikov, М. Е., Vedeneev, V. V., & Abdukhakimov, F. А. (2025). Calculated detuning from flutter and experimental validation of the energy method of its prediction in the blades of the GTE compressor. Journal of Dynamics and Vibroacoustics, 11 (2), 56-72. https://doi.org/10.18287/2409-4579-2025-11-2-56-72

4. Piatunin, K. R., Arkharova, N. V., & Remizov, A. E. (2020). How the approach to simulating turbulence influences the accuracy of predicting the noise level of a bypass turbojet engine fan. Akusticeskij Zurnal, 66(6), 638-646. https://doi.org/10.31857/S0320791920060088. [In Russian]

5. Zaides, S. A. (2022). Fatigue life evaluation of an axial impeller of the turbomachine taking into account intentional mistuning. Systems. Methods. Technologies, 1(53), 57-62. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2022-1-57-62. [In Russian]

6. Repetskii, O. V. (2025). Development of mathematical models, numerical methods, and software tools for analyzing the durability of radial turbomachinery with parameter mismatching. iPolytech Journal. 29(2), 194-203. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2025-2-194-203. [In Russian]

7. Mikhailov, A. L. (2003). Printsipy proektirovaniya i vibrodiagnostika detaley GTD na osnove matematicheskogo modelirovaniya obʺemnogo napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya [Principles of design and vibration diagnostics of gas turbine engine parts based on mathematical modeling of volumetric stress-strain state] [Candidate of Technical Sciences dissertation, P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University]. RSATU. https://elibrary.ru/item.asp?id=15884936 [In Russian]

8. Menter, F. (2020). Development of a Generalized k-ω Two-equation Turbulence Model. In Proc. New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XII (DGLR 2018) (pp. 101-109). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-25253-3_10.

9. Bogdanets, S. V., & Sedunin, V. A. (2025). Application of the GEKO Turbulence Model for Numerical Calculation of Axial-flow Compressors. Bulletin of Moscow Power Engineering Institute, 2, 110-118. https://doi.org/10.24160/1993-6982-2025-2-110-118 [In Russian]