Влияние дефектов на собственные частоты колебаний рабочей лопатки первой ступени осевого компрессора газовой турбины

Константин Денисович Баранов

doi:10.22213/2413-1172-2026-3-91-100

Авторы

К. Д. Баранов Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2026-3-91-100

Ключевые слова:

осевой компрессор, рабочая лопатка, собственные частоты колебаний, формы колебаний, метод конечных элементов, ansys, модальный анализ, диаграмма Кэмпбелла, гармоники возбуждения, скол входной кромки

Аннотация

Вибрационная надежность лопаточного аппарата осевых компрессоров газовой турбины напрямую определяет ресурс и безопасность газотурбинных двигателей. Локальные сколы входных кромок, возникающие при попадании посторонних предметов, неизбежно изменяют распределение массы и жесткости пера. Это смещает собственные частоты колебаний и провоцирует резонансы от гармонических возбуждений, что требует обязательного учета влияния подобных повреждений в реальных эксплуатационных режимах. Исследование посвящено количественной оценке влияния сколов входной кромки, смоделированных в корневой (root) и периферийной (periphery) зонах, на динамическое поведение рабочей лопатки первой ступени. Ключевой особенностью данной работы является учет жесткостного эффекта вращения и моделирование влияния центробежных сил на рабочую лопатку первой ступени. На базе трехмерной конечно-элементной модели в пакете ANSYS 20.2 проведен модальный анализ. Охвачен диапазон частот вращения ротора от 0,1 до 8500 об/мин с последующим построением диаграммы Кэмпбелла. Для номинального эксплуатационного режима n = 7455 об/мин выполнены расчеты и прямое сопоставление первых шести форм колебаний (f1-f6) для исходной исправной геометрии и обоих вариантов дефектов. Расчеты показали разнонаправленный характер изменений: удаление материала у корня снижает частоты колебаний (максимальное падение на 0,53 % зафиксировано для 5-й формы), тогда как скол на кромке лопатки дает локальный рост (до 1,71 % для 4-й формы). В абсолютных величинах сдвиги не превышают 2 %, что подтверждает слабую чувствительность только частотного метода к малым локальным повреждениям. Для корректной технической диагностики критически важно нормировать частоты колебаний по фактическим оборотам и опираться на диаграмму Кэмпбелла при анализе резонансных пересечений.

Биография автора

К. Д. Баранов, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

аспирант

Библиографические ссылки

Особенности численного моделирования двухступенчатого осевого компрессора с дефектными лопатками / В. Л. Блинов, И. С. Зубков, Е. Ю. Искорцев [и др.] // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2021. Т. 20, № 4. С. 7-19. DOI: 10.18287/2541-7533-2021-20-4-7-19. EDN AQSJYZ.

Ширяев А. А., Миленин А. С. Влияние методов упрочнения на усталостную прочность лопаток компрессора с концентраторами напряжений // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2024. № 9 (774). С. 72-81. DOI: 10.18698/0536-1044-2024-9-72-81. EDN QTMYIH.

Ширяев А. А., Миленин А. С., Карманов В. В. Влияние методов упрочнения на усталостную прочность лопаток ГТД из титанового сплава с концентраторами напряжений // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации. 2023. Т. 1. С. 240-241. EDN QWUNNL.

Методика выбора параметров оптико-электронных систем контроля износа рабочих лопаток паровых турбин по заданной величине суммарной погрешности / Л. С. Родикова, В. В. Коротаев, А. Н. Тимофеев [и др.] // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024. Т. 24, № 2. С. 171-181. DOI: 10.17586/2226-1494-2024-24-2-171-181. EDN MUQLGA.

Дедюхин А. С., Андреев К. Д. Диагностика неисправностей газотурбинных установок с применением вибродиагностики // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2021. № 5-1 (56). С. 16-25. DOI: 10.24412/2500-1000-2021-5-1-16-25. EDN XUTIXQ.

Потапов В. А., Санько А. А. Повышение качества диагностирования осевого компрессора вертолетного газотурбинного двигателя // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия В. Промышленность. Прикладные науки. 2023. № 2 (48). С. 60-65. DOI: 10.52928/2070-1616-2023-48-2-60-65. EDN TNDZID.

Исследование вибрационных и механических свойств обандаженных направляющих лопаток с предварительным натяжением / В. А. Седунин, Ю. Г. Марченко, И. В. Мелихов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2022. № 3 (744). С. 96-102. DOI: 10.18698/0536-1044-2022-3-96-102. EDN QHUEYA.

Миронов Д. А., Сальников А. Ф. Анализ исследований динамического поведения роторных систем в процессе эксплуатации (обзор) // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2023. № 73. С. 41-51. DOI: 10.15593/2224-9982/2023.73.04. EDN TCWWRD.

Репецкий О. В., Ким Х. И. Численный анализ влияния дефектов на долговечность рабочих лопаток турбомашин // Сибирский аэрокосмический журнал. 2025. Т. 26, № 4. С. 597-605. DOI: 10.31772/2712-8970-2025-26-4-597-606. EDN FNXBKA.

Репецкий О. В., Ким Х. И. Разработка математических моделей и исследование прочности деталей турбомашин с эксплуатационными дефектами // System Analysis and Mathematical Modeling. 2025. Т. 7, № 4. С. 523-538. DOI: 10.17150/2713-1734.2025.7(4).523-538. EDN ZCFMVU.

Репецкий О. В., Нгуен В. М. Анализ ресурсных характеристик транспортных турбомашин с расстройкой параметров с использованием системы ANSYS и авторского программного интерфейса // Вестник НГИЭИ. 2024. № 8 (159). С. 32-47. DOI: 10.24412/2227-9407-2024-8-32-47. EDN QOZVYM.

Репецкий О. В., Нгуен В. М. Исследование влияния расстройки параметров на прочностные характеристики элементов турбомашин // Сибирский аэрокосмический журнал. 2025. Т. 26, № 2. С. 252-263. DOI: 10.31772/2712-8970-2025-26-2-252-263. EDN HHDOFV.

Выбор высоты лопаток рабочего колеса центробежного компрессора при первичном проектировании / О. А. Соловьева, Ю. Б. Галеркин, А. А. Дроздов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2022. № 3 (744). С. 76-95. DOI: 10.18698/0536-1044-2022-3-76-95. EDN IIEXRU.

Быкадоров В. В., Данилейченко А. А., Любченко Д. И. К вопросу серийности работ по нанесению защитных нанопокрытий на ресурсоопределяющие детали силовых установок авиационной и наземной техники // Транспортное машиностроение. 2022. № 5 (5). С. 30-43. DOI: 10.30987/2782-5957-2022-5-30-43. EDN QBBUHF.

Пивоварова М. В., Бессчетнов В. А. Расчетный метод оценки изменения уровня вибронапряжений в компрессорных лопатках газотурбинных двигателей // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2021. № 2. С. 118-131. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.2.11. EDN JNGGGW.

Щемелев В. И., Ермаков А. И. Волновой лопаточный конечный элемент с шестью узловыми степенями свободы // Труды МАИ. 2024. № 136. EDN HMTMLW.

Оценка напряженно-деформированного состояния центробежного компрессора в ротационно-динамической постановке / М. И. Баязитов, В. К. Бердин, А. В. Рубцов [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2024. № 1. С. 551-557. DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-551-552. EDN MPNOLG.

Mozgaleva M.L., Akimov P.A. (2024) Solution of the Problem of Two-Dimensional Theory of Elasticity with the Use of Discrete-Continual Finite Element Method in the Presence of a Crack.International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, vol. 20, no. 2, pp. 192-198. DOI: 10.22337/2587-9618-2024-20-2-192-198. EDN QTSKNR.

Зуева Ю. В., Кляйнрок И. Ю., Култышев А. Ю. Опыт эксплуатации газоперекачивающих агрегатов ГПА-32 "Ладога" // Турбины и дизели. 2023. № 4 (109). С. 32-37. EDN WHPVNR.

Култышев А. Ю., Симутин К. В. Долгосрочное техническое обслуживание агрегатов ГПА-32 "Ладога" // Турбины и дизели. 2022. № 3 (102). С. 18-20. EDN JNSJHU.