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 22-79-10114

НазваниеРазработка системы диагностирования повреждений турбинных лопаток и способа оптимизации теплоотвода в условиях термической усталости

РуководительАндрианов Иван Константинович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Комсомольский-на-Амуре государственный университет", Хабаровский край

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-603 - Надежность и отказоустойчивость технических систем. Диагностика технического состояния и испытания

Ключевые словатеплообмен, турбинная лопатка, газовая турбина, охлаждение, массовый расход, трещина, термическая усталость, оптимизация

Код ГРНТИ55.42.47

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Работа посвящена решению проблемы улучшения безопасности авиационных полетов путем повышения надежности авиационных двигателей. Наиболее нагруженными элементами авиационных двигателей являются лопатки газовых турбин. Они работают при высоких нагрузках и повышенных температурах. В этих сложных условиях возможны обрывы лопаток газовых турбин и, как следствие, аварии всего авиационного двигателя. Обрыв лопаток не происходит мгновенно, а происходит вследствие образования и развития трещин в материалах лопаток, которые возникают из микротрещин, развиваются и растут. Предлагаемый способ заключается в том, что в теле лопаток помещены капсулы с активным веществом. При возникновении и росте трещины в теле лопатки капсулы разрушаются в этом месте, и активное вещество поступает в проточную часть турбины, где регистрируется. Систему регистрации предлагается строить на основании свойства ионизации некоторых веществ при повышенных температурах: при попадании активного вещества на систему регистрации в проточной части турбины отмечается скачек тока. При появлении соответствующего сигнала летчик сможет завершить полет без аварии двигателя. Основными задачами работы являются разработка конструкции стенда, выбор активного материала, отработка систем регистрации сигналов поступающего активного вещества в проточную часть. После чего разработанная технология может быть представлена в промышленность. Научная значимость и актуальность исследования обусловлены возможностью применения системы обнаружения микротрещин в рабочем режиме в условиях полета. Несмотря на то, что сегодня достаточно много способов диагностирования повреждений в стационарных условиях, не всегда микротрещины могут быть определены непосредство перед полетом. В тоже время работа в высоконагруженных условиях может привести к активному росту повреждения. Для исключения аварийной ситуации, связанной с отрывом и возможными катастрофическими последствиями, предлагается разработать систему диагностирования трещин и методы эффективного теплоотведения для исключения развития термоусталостных трещин. Актуальность темы исследования обусловлена широким развитием методов управления параметрами теплопереноса во внутренних системах охлаждения оболочечных элементов турбомашин ввиду постоянного повышения рабочих температур нагревающих газовых потоков и предъявления более высоких требований к тепловому состоянию элементов. Особенностью этих элементов является то, что они находятся в условиях неравномерного теплового и силового воздействия. Весьма важными на сегодняшний день являются вопросы минимизации расхода охладителя, снижения нецелесообразных затрат на охлаждение менее нагруженных участков элементов, а также повышение эффективности и экономичности работы систем теплоотвода в турбинных лопатках при ограничениях на развитие термоусталостных повреждений в результате переменных режимов нагрева и охлаждения. Научная значимость проекта обусловлена исследованием математической стороны задачи оптимального теплоотвода, что связано с построением математических моделей процессов теплопереноса, учитывающих специфические особенности систем подвода и отвода теплоты. Все чаще решения прикладных проблем требуют использования комплексного подхода, ориентированного на методы математического теплового моделирования, теории прочности, газодинамики. Соответственно, управление тепловым состоянием элементов путем изменения геометрических характеристик каналов теплоотвода на основании прочностных условий с целью повышения эффективности охлаждения является весьма перспективным направлением. Таким образом, в связи с модернизацией систем охлаждения оболочечных элементов турбомашин актуальной является разработка математических моделей течения теплообменного процесса и методов их расчета, позволяющих оптимизировать параметры работы систем теплоотвода.

Ожидаемые результаты
Обнаружение трещин рабочих лопаток турбомашин в процессе их работы является сложной инженерной задачей, требующей научного подхода к решению. Во всем мире большое количество исследований направлено на решение проблемы диагностирования дефектов рабочих лопаток в процессе их работы, однако надежных методов диагностирования достаточно мало. Диагностика на основе анализа вибрационных сигналов - один из наиболее распространенных в мире, но не самых точных методов, поскольку не позволяет обнаружить трещину при наличии микроповреждений. Наиболее активную работу в международных исследованиях по оценки повреждаемости и рисков разрушения лопаток турбомашин на основе виброанализа и анализа магнитных полей ведут зарубежные ученые: J. Rao, C. Liu, D. Jiang, J. Chen, J. Chen, J. Yang, H.-Z. Huang, H. Li-Ping, S.-P. Zhu, D. Wenc, C. Azevedo, A. Sinátora, J. Baran, C. Cuevas, J.A. Rodríguez, C. Clemente, J. Segura, G. Urquiza, Y. Hamzaoui, J.A. Rodríguez, J. García, E. Alonso, Y. Hamzaoui, J. Rodríguez, G. Urquiza, S. Sanjeev, J. Pandey, R. Singh Solanki, G. Gupta, O. Modi, J. Kubiak Sz., G. Urquiza, J. Garcıa, F. Sierra, F. Pelayo, C. Rodríguez, A. Canteli. Системы и методы снижения расхода охладителя и температурных градиентов сегодня преимущественно строятся на основании опытных экспериментов. Результатами проектами являются разработанный подход к обнаружению трещин в лопатках турбин в процессе работы на основании предлагаемой системы перфорации в стенке лопатки с капсулами, наполненными активным веществом; модели расчета геометрических характеристик данной системы диагностирования повреждений, экспериментальные стенды для оценки свойств ионизации активных веществ, моделирования разрыва капсулы с активным веществом; подходы и математические модели для снижения массового расхода хладагента при ограничениях на термическую усталость, снижения температурной неравномерности с помощью разработки моделей дефлекторов охлаждения с нелинейной реберной структурой, алгоритмы, программа расчета их геометрических характеристик. Таким образом, результаты исследования: система диагностирования повреждений и методы эффективного охлаждения - будут иметь важное значение для мировой науки и производственной сферы в области авиационного и судового турбомашиностроения. Значимость результатов исследования обусловлена повышением долговечности и безопасности эксплуатации авиационных и судовых турбоагрегатов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведен анализ свойств веществ, проявляющих термическую ионизацию при высоких температурах. Разработан подход к определению количества капсул и их расположения в теле лопатке с целью диагностирования трещин до момента развития магистральной трещины и ее отрыва. Построена математическая модель разрыва капсулы с активным веществом с помощью закономерностей, связывающих минимальную разность давлений в капсуле и проточной части турбины и геометрических параметров системы перфорации. Предложен подход диагностирования повреждения лопатки с помощью скачка тока при ионизации активного вещества в среде с высокой температурой. Разработана схемы установки, основных составляющих экспериментальной установки, моделирующей систему диагностирования трещин лопатки в рабочем режиме. Проведены серии натурных экспериментов с целью выбора активного материала и установления зависимостей вида вещества от характера сигнала при ионизации: оценка скачка тока при регистрации сигнала для различных активных веществ, впрыскиваемых в проточную часть, построены зависимости уровня сигнала от концентрации активного вещества; представлена оценка скачка тока при регистрации сигнала для активных веществ при различных значениях температур. При фиксированном объеме вещества рассмотрены различные временные промежутки впрыскивания в проточную часть с увеличением временного интервала впрыскивания.

 

Публикации

1. Андрианов И.К., Гринкруг М.С., Кара Балли М., Чепурнова Е.К. РАСЧЕТ ДАВЛЕНИЯ ВНУТРИ ОБОЛОЧЕК СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ ЛОПАТОК ТУРБИН В УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ Сборник VI Всероссийской национальной научной конференции молодых учёных «Молодёжь и наука: актуальные проблемы фундаментальных и прикладных исследований», - (год публикации - 2023)

2. Андрианов И.К., Кара Балли М., Гринкруг М.С., Новгородов Н.А. Finite Element Calculation Of The Limiting Pressure For Rupture Of Capsules With An Active Substance In The Crack Detection System Of Gas Turbine Blades Lecture Notes in Networks and Systems, - (год публикации - 2023)

3. Андрианов И.К., Палков К.А., Чепурнова Е.К. ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ ПРИ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ЗАДАЧИ О ТРЕЩИНЕ «УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КОМСОМОЛЬСКОГО-НА-АМУРЕ ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА», Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. – 2023. – № 1(65). – С. 9-15 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17084/20764359-2023-65-9

4. Андрианов И.К., Палков К.А., Чепурнова Е.К. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ МАТЕРИАЛОВ ЛОПАТОК ТУРБИН, НА ПРОЦЕСС РАСКРЫТИЯ ТРЕЩИН ОТРЫВА «УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КОМСОМОЛЬСКОГО-НА-АМУРЕ ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА», - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17084/20764359-2023-65-4

5. Андрианов И.К., Феоктистов С.И., Чепурнова Е.К. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ПРЕДЕЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И МЕТОДОМ ПЕРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ УПРУГОСТИ Сборник VI Всероссийской национальной научной конференции молодых учёных «Молодёжь и наука: актуальные проблемы фундаментальных и прикладных исследований», - (год публикации - 2023)

6. Андрианов И.К., Феоктистов С.И., Чепурнова Е.К. Limit state analysis of the thin-walled shell using a forming limit diagram and finite element modeling Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2023)

7. Андрианов И.К., Феоктистов С.И., Чепурнова Е.К., Чернышова Д.В., Солецкий В.В. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ С ПЕРФОРАЦИЯМИ ДЛЯ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ Сборник трудов: VI Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием "Исследование и проектирование интеллектуальных систем в автомобилестроении, авиастроении и машиностроении", - (год публикации - 2023)

8. Андрианов И.К., Чепурнова Е.К. Assessment of the crack development in the turbine blade with a change in radial acceleration AIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2023)

9. Андрианов И.К., Чепурнова Е.К. Оценка предельного давления и геометрии капсул в системе обнаружения трещин лопаток газотурбинного двигателя в условиях нестационарности и температурной неравномерности Вестник машиностроения (Russian Engineering Research), - (год публикации - 2023)

10. Андрианов И.К., Чепурнова Е.К. Optimization Model of the Shell Capsules Geometry for a System for Diagnosing Damage to Gas Turbine Blades in Non-stationary INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICS, International Journal of Mechanics, 2023, №17, pp. 38–44 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.46300/9104.2023.17.6

11. Гринкруг М.С., Андрианов И.К., Мохамад К.Б. Исследование влияния концентрации раствора активного вещества на величину скачка сигнала в системе обнаружения трещин в лопатках газотурбинных двигателей VI Международная научно-практическая конференция молодых учёных «ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО: ОТ СОЗДАНИЯ К ВНЕДРЕНИЮ», - (год публикации - 2023)

12. Гринкруг М.С., Новгородов Н.А., Мохамад К.Б. СИСТЕМА ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВОВРЕМЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ II Международная научно-практическая конференция молодых учёных «НАУКА, ИННОВАЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ: ОТ ИДЕЙ К ВНЕДРЕНИЮ», Комсомольск-на-Амуре, - (год публикации - 2023)

13. Гринкруг М.С., Новгородов Н.А., Кара Балли М., Ткачева Ю.И. ПРОГРАММА ВЫЧИСЛЕНИЯ НЕОБХОДИМОГО КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ В ТОНКОСТЕННЫХ КАПСУЛАХ ПРИ СОЗДАНИИ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ТРЕЩИН В ЛОПАТКАХ РАБОТАЮЩИХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ -, 2023611350 (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Получено численное решение задачи расчета предельного давления, обеспечивающего разрыв оболочечной капсулы при различных геометрических параметрах оболочки и условиях нагружения. Проведено конечно-элементное моделирование процесса разрушения капсулы с ионизирующим веществом под внешним и внутренним давлением с помощью разработанной параметрической модели при варьируемых параметрах: стенки капсулы и диаметра наружной поверхности. Проведены серии численных экспериментов на основании модели развития усталостных трещин в различных областях тела лопатки: области корневого сечения, срединной поверхности и периферии. Разработан экспериментальный стенд для проведения натурных экспериментов диагностирования трещин в турбинных лопатках с системой капсул, содержащих ионизирующее вещество в условиях высокотемпературного воздействия. Представлена математическая постановка задачи оптимального теплоотвода в системе внутреннего охлаждения турбинной лопатки с ограничением на длительную циклическую прочность. Проведена постановка задачи охлаждения лопатки при снижении температурной неравномерности с помощью дефлекторных поверхностей с криволинейными реберными структурами.

 

Публикации

1. Андрианов И.К, Чепурнова Е.К. ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КАПСУЛ С АКТИВНЫМ ВЕЩЕСТВОМ ДЛЯ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ТРЕЩИН В ТЕЛЕ ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ CIS Iron and Steel Review, - (год публикации - 2023)

2. Андрианов И.К., Гринкруг М.С., Кара Балли М. Разработка подхода к обнаружению трещин в лопатках авиационных газотурбинных двигателей на рабочих режимах Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение», - (год публикации - 2024)

3. Андрианов И.К., Гринкруг М.С., Кара Балли М. Численное исследование влияния геометрических характеристик наклонной трещины турбинной лопатки профиля Р-2617А на разрушающее давление в системе обнаружения повреждений Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. (Russian Aeronautics), - (год публикации - 2024)

4. Андрианов И.К., Палков К.А., Чепурнова Е.К. МОДЕЛИРОВАНИЕ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ С ДЕФЕКТОМ Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, - (год публикации - 2024)

5. Андрианов И.К., Чепурнова Е.К. ОЦЕНКА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ ТОНКОСТЕННОЙ КАПСУЛЫ В СИСТЕМЕ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ ЛОПАТОК ТУРБИН ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Механика и машиностроение. Наука и практика: Материалы международной научно-практической конференции, Механика и машиностроение. Наука и практика : материалы международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 08 декабря 2023 года. – Санкт-Петербург: Научно-исследовательский центр «МашиноСтроение», 2023. – С. 13-15 (год публикации - 2023)

6. Андрианов И.К., Чепурнова Е.К. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ КАПСУЛЫ ДЛЯ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН «МОЛОДЁЖЬ И НАУКА: АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ»., - (год публикации - 2024)

7. Андрианов И.К., Чепурнова Е.К. Математическая модель условной оптимизации давления в системе обнаружения трещин лопаток газовых турбин Математическое моделирование и численные методы, - (год публикации - 2024)

8. Андрианов И.К., Чепурнова Е.К., Чернышова Д.В., Солецкий В.В. Оценка напряженного состояния турбинной лопатки при наклонном расположении капсул в системе обнаружения повреждений методом конечных элементов Машиностроение: инновационные аспекты развития: Материалы международной научно-практической конференции, Машиностроение: инновационные аспекты развития: Материалы международной научно-практической конференции. – Санкт-Петербург: НИЦ МС, 2024. – № 7, с.22-24 (год публикации - 2024)

9. М.С. Гринкруг, М. Кара Балли, Ю.И. Ткачева РАЗРАБОТКА УПРОЩЕННОГО МЕТОДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ВНУТРИ КАПСУЛ В СИСТЕМЕ ОБНАРУЖЕНИЯ МИКРОТРЕЩИН В ЛОПАТКЕ ТУРБИНЫ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Сборник трудов VII Всероссийской национальной научной конференции молодых ученых "Молодежь и наука: актуальные проблемы фундаментальных и прикладных исследований", - (год публикации - 2024)

10. Н.А. Новгородов, М. Кара Балли, Ю.И. Ткачева РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НЕОБХОДИМОГО КОЛИЧЕСТВА АКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА, ПОМЕЩАЕМОГО В КАПСУЛУ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ТРЕЩИН В ЛОПАТКЕ ТУРБИНЫ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Сборник трудов VII Всероссийской национальной научной конференции молодых ученых "Молодежь и наука: актуальные проблемы фундаментальных и прикладных исследований", - (год публикации - 2024)

11. Андрианов И.К., Феоктистов С.И. ПРОГРАММА РАСЧЕТА ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ С УЧЕТОМ ФИЗИЧЕСКОЙ И ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТЕЙ -, RU 2024618964 (год публикации - )

12. Андрианов И.К., Чепурнова Е.К. ПРОГРАММА РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КАПСУЛ С ИОНИЗИРУЮЩИМ ВЕЩЕСТВОМ В СИСТЕМЕ ОБНАРУЖЕНИЯ ТРЕЩИН ДОКРИТИЧЕСКОГО РОСТА ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ -, RU 2024618992 (год публикации - )