Расчетно-экспериментальное исследование вибраций вентилятора авиационного двигателя при обледенении

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-20118

НазваниеРасчетно-экспериментальное исследование вибраций вентилятора авиационного двигателя при обледенении

Руководитель Модорский Владимир Яковлевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" , Пермский край

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-405 - Транспортная энергетика (наземного, водного, воздушного, космического транспорта)

Ключевые слова Обледенение, асимметричное разрушение льда, противообледенительные системы, вибрации, междисциплинарность, численное моделирование, физический эксперимент, авиационные двигатели, суперкомпьютер, перегазовка, адгезия

Код ГРНТИ29.03.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
При создании новых и модернизации существующих авиационных двигателей возникают проблемы, связанные с непрогнозируемым ростом вибраций в процессе обледенения лопаток входного вентилятора. Анализ причин роста вибраций при работе вентилятора авиационного двигателя показал, что в процессе обледенения происходит нарастание массы льда на лопатках до критической с последующим его разрушением за счет инерционных сил, причем асимметричным (неравномерным). То есть с одних лопаток вентилятора лед сбрасывается, а на других остается. Это порождает дисбаланс и приводит к росту вибраций, что, в свою очередь, может привести к аварийному режиму. Актуальность исследования асимметричного (неравномерного) разрушения наледи с лопаток вентилятора обусловлена тем, что данный процесс не поддается прогнозированию, при этом отсутствуют комплексные численно-экспериментальные методики его прогнозирования. Научной проблемой, на решение которой направлен проект, является отсутствие комплексных экспериментальных и численных исследований для прогнозирования процессов образования и асимметричного разрушения льда на лопатках вращающегося вентилятора, а так же недостаточное исследование причин, по которым происходит асимметричный сброс льда. Научная значимость исследования заключается в следующем: 1. Будут получены новые знания о причинах и закономерностях, приводящих к асимметричному разрушению ледяных наростов; 2. Будут разработаны методики прогнозирования асимметричного разрушения наледи, что позволит исключить негативное влияние обледенения на основные характеристики и степень вибронагруженности узлов АД при проектировании вентилятора для вновь разрабатываемых и/или модернизируемых двигателей; 3. Будут предложены научно-обоснованные мероприятия для повышения равномерности разрушения ледяных наростов и снижения уровня вибраций; 4. Будут уточнены методики проектирования авиационных двигателей для исключения недопустимых режимов. Впервые будет выполнено комплексное исследование проблемы асимметричного (неравномерного) разрушения ледяных наростов на поверхностях лопаток вращающегося вентилятора, приводящее к недопустимым вибрациям, с использованием экспериментальных и численных методов. В рамках выполнения проекта будет разработана и реализована модельная экспериментальная установка для исследования поведения ледяных наростов на поверхностях лопаток вращающегося вентилятора. Будет изучен ряд факторов, которые могут повлиять на асимметричность схода ледяных наростов с поверхностей вращающихся лопаток. Во-первых, будут рассмотрены различные наборы лопаток различной жесткости в одной сборке вентилятора. Во-вторых, будут выполнены экспериментальные исследования с участками различных свойств (адгезия и шероховатость) поверхности лопаток, приводящих к возникновению концентраторов напряжений в ледяных наростах. В-третьих, будет изучено влияние электрической и газовой противообледенительных систем на равномерность разрушения ледяных наростов на поверхностях лопаток вращающегося вентилятора. Кроме того, будет выполнено исследование влияния перегазовки при воздействии вышеперечисленных факторов. Экспериментальные исследования позволят разработать новые методики проведения численного моделирования процессов образования и асимметричного разрушения льда, учитывающие разную жесткость лопаток, участки различных свойств (адгезия и шероховатость), действие ряда противообледенительных систем. С использованием имеющихся многопараметрических многокритериальных оптимизационных алгоритмов применительно к создаваемым методикам будет проведен поиск оптимальных параметров, при которых вибрации минимальны за счет обеспечения равномерного схода ледяных наростов. Для выполнения проекта в распоряжении научного коллектива имеется высокопроизводительный вычислительный комплекс ПНИПУ с системой сбора и хранения данных (24 TFlops). Таким образом, реализация проекта повысит конкурентоспособность выпускаемой продукции предприятиями Пермского края и укрепит социально-экономической позиции региона в стране. Полученные решения позволят повысить качество наукоемкой продукции предприятий в области авиационного двигателестроения, что благоприятным образом скажется на престиже Пермского края в стране и в мире.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. С.Л. Калюлин, Н.А. Саженков, В.Я. Модорский, Н.В. Владимиров Численное моделирование газодинамических и прочностных характеристик вентилятора для экспериментальной установки по исследованию разрушения льда на вращающихся рабочих лопатках «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика», №1 2023 (год публикации - 2023)
10.15593/perm.mech/2023.1.09

2. С.М. Белобородов, В.Я. Модорский, А.И. Неверов Вибрационные задачи в технологических процессах сборки роторов с обмерзающими поверхностями Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника, Белобородов С. М., Модорский В. Я., Неверов А. И. ВИБРАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ СБОРКИ РОТОРОВ С ОБМЕРЗАЮЩИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2022. – №. 70. – С. 97-103. (год публикации - 2022)
10.15593/2224-9982/2022.70.09

3. С.М. Белобородов, В.Я. Модорский, Д.М. Цимберов Обеспечение динамической устойчивости обмерзающих роторов технологическими методами Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника, Белобородов С. М., Модорский В. Я., Цимберов Д. М. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОБМЕРЗАЮЩИХ РОТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2022. – №. 70. – С. 104-111. (год публикации - 2022)
10.15593/2224-9982/2022.70.10

4. В.Я. Модорский, И.Е. Черепанов, А.В. Бабушкина ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ РОТОРА С УЧЕТОМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ПОТОКА В ЗАЗОРАХ ЛАБИРИНТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика», Модорский В. Я., Черепанов И. Е., Бабушкина А. В. ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ РОТОРА С УЧЕТОМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ПОТОКА В ЗАЗОРАХ ЛАБИРИНТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2022. – №. 4. – С. 13-21. (год публикации - 2022)
10.15593/perm.mech/2022.4.13

5. Микрюков А.А., Модорский В.Я., Калюлин С.Л., Максимов Д.С. Research of the Influence of the Thermal State of an Air-Intake Model on In-Flight Icing Conditions Communications in Computer and Information Science, CCIS, Vol. 1868, pp. 351–363 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-38864-4_25

6. Модорский В.Я., Калюлин С.Л., Саженков Н.А. Экспериментальная установка для оценки влияния обледенения и разрушения льда на вибрационное состояние модельного вентилятора малогабаритного летательного аппарата Вестник Московского авиационного института, Модорский В.Я., Калюлин С.Л., Саженков Н.А. Экспериментальная установка для оценки влияния обледенения и разрушения льда на вибрационное состояние модельного вентилятора малогабаритного летательного аппарата // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 4. С. 19–26. (год публикации - 2023)
-

7. Максимов Д.С., Модорский В.Я., Микрюков А.О. Численное исследование влияния жесткости конструкции на процесс разрушения льда с лопастей винта беспилотной авиационной системы Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика (год публикации - 2024)
10.15593/perm.mech/2024.1.06

8. Белобородов С.М. Модорский В.Я. Управление сборкой вентиляторов авиадвигателей в предвидении их обледенения Вестник машиностроения (год публикации - 2024)

9. Белобородов С.М. Модорский В.Я. Технологическое обеспечение экспериментов с обледенением роторов Вестник машиностроения, Beloborodov S.M., Modorskiy V.Ya. Virtual Assembly of Engine Fans to Ensure Dynamic Stability //Russian Engineering Research. – 2024. – Vol. 44. – No. 11. – pp. 1545-1547. (год публикации - 2024)
10.3103/S1068798X24702836

10. Максимов Д.С., Модорский В.Я. Верификация численного исследования по оценке влияния жесткости лопастей винта беспилотной авиационной системы на процесс разрушения с поверхности ледяной корки ВЕСТНИК ПНИПУ. МЕХАНИКА (год публикации - 2025)

11. Максимов Д.С., Модорский В.Я., Калюлин С.Л., Саженков Н.А. Расчетно-экспериментальная оценка влияния жесткости лопастей на напряженно-деформированное состояние и вибрации воздушного винта двигателя летательного аппарата при обледенении ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО АВИАЦИОННОГО ИНСТИТУТА, Максимов Д.С., Модорский В.Я., Калюлин С.Л., Саженков Н.А. Расчетно-экспериментальная оценка влияния жесткости лопастей на напряженно-деформированное состояние и вибрации воздушного винта двигателя летательного аппарата при обледенении // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 3. С. 52–60. (год публикации - 2024)

12. Белобородов С.М., Модорский В.Я. Обеспечение динамической устойчивости вентилятора при сборке с применением компьютерного моделирования ВЕСТНИК МАШИНОСТРОЕНИЯ, Белобородов С.М., Модорский В.Я. Обеспечение динамической устойчивости вентилятора при сборке с применением компьютерного моделирования // Вестник машиностроения. 2024. Т. 103. № 9. С. 744—746. DOI: 10.36652/0042-4633-2024-103-9-744-746. (год публикации - 2024)
10.36652/0042-4633-2024-103-9-744-746

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе работ по проекту в отчетном периоде (2024 г.) выполнены все поставленные задачи и получены следующие основные научные результаты: 1. Разработана методика численного моделирования обледенения вентилятора с учетом работы модельной противообледенительной системы. 2. С использованием разработанной методики была проведена серия вычислительных экспериментов по исследованию влияния работы модельной противообледенительной системы на различных режимах на процессы образования и таяния льда. Получены распределения газодинамических полей, водности потока и формы ледяных наростов. Определено, что при работе модельной противообледенительной системы с тепловым потоком Q = 1000 Вт/м2 образование ледяных наростов не происходит. 3. Разработана методика численного исследования влияния на обледенение профиля лопастей, количества лопастей, расположения разножестких лопастей. 4. Для выбранных схем разножесткостных лопастей винта определены поля распределения напряжений и перемещений в ледяной корке. Количество лопастей оказывает существенное влияние на характер разрушения ледяных наростов на частотах вращения свыше 7000 об/мин. При увеличении жесткости лопасти на 36% средние напряжения в корке льда уменьшилось на 22% по сравнению с исходными значениями. Форма лопастей существенно влияет на процесс разрушения ледяных наростов. Так у винта В1 при увеличении жесткости на 13% происходит снижение средних напряжений в ледяной корке на лопастях на 63%, в то время как у винта В2 лишь на 16%. 5. В рамках исследования на модельной установке климатической аэродинамической трубы проводились физические эксперименты по исследованию влияния различных факторов на обледенение. Для исследования изготовлена серия воздушных винтов с различными параметрами по аддитивной технологии. В результате проведенных экспериментов получены формы образовавшихся ледяных наростов. Выполнено описание полученных форм ледяных наростов. Профиль лопастей воздушного винта имеет слабо выраженное влияние на форму образующихся наростов для рассматриваемых вариантов воздушных винтов. 6. При действующих отклонениях угла закрутки величиной +15 град у комля, +2 град на периферии для воздушного винта П1 и -15 град. у комля, -2 град. на периферии для воздушного винта П2 в рассматриваемом диапазоне частот вращения наблюдается эквидистантное намерзание льда вдоль передних кромок лопастей. 7. Количество лопастей оказывает существенное влияние на форму и расположение образующихся наростов по длине лопасти. 8. Влияние расположения разножестких лопастей на образование и характер разрушения ледяных наростов на лопастях воздушных винтов не обнаружено. 9. По результатам экспериментального исследования влияния на обледенение модельной противообледенительной системы выявлено, что образования ледяных наростов на лопастях воздушного винта не происходит при тепловом потоке Q = 100 Вт/м2. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту: 1. https://pstu.ru/news/2024/11/20/16256/ 2. https://www.innovanews.ru/info/news/transport/v-pnipu-nashli-prichinu-po-kotorojj-povrezhdajutsja-vinty-malorazmernykh-samoletov/

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработка технологий обеспечения безопасной эксплуатации авиационных систем в условиях Крайнего Севера позволит активно осваивать отдаленные регионы, привлекать кадровые, материальные и др. ресурсы. Также это позволит улучшить инфраструктуру при освоению Арктики и Крайнего Севера и безопасно эксплуатировать авиационные системы в любых погодных условиях.