Комплексна оцінка міцності композиційної лопатки вентилятора головного провітрювання шахти

Abstract

Робота присвячена розробці та розрахункам міцності нового композиційного пера лопатки вентилятора головного провітрювання шахти, з поміж яких статичний та модальний аналізи, а також аналіз стійкості. При проведенні досліджень враховувались попередньо визначені аеродинамічні навантаження на бічну поверхню пера лопатки. Дослідження проводились за допомогою скінченно-елементного аналізу тонкостінної конструкції пера із застосуванням теорії товстих багатошарових оболонок. Оцінка статичної міцності виконувалась із застосуванням критерію міцності Хашина. Аналіз стійкості оболонки пера під дією згинних аеродинамічних навантажень проводився за допомогою методів лінійної теорії стійкості. Модальний аналіз виконувався із врахуванням переднапруженого стану від дії статичних навантажень. Аналіз результатів досліджень свідчить про достатню статичну та динамічну міцність композиційного пера та можливість його реалізації в реальній роторній машині при коректному проектуванні кріплення між металевою частиною хвоста лопатки та композиційним пером. Методика проектування та аналізу міцності композиційного пера лопатки вентилятора може бути застосована при створенні нових композиційних елементів турбомашин: коректний підбір товщин різних частин пера дозволяє прийти до равноміцної конструкції із раціональним використанням матеріалу; оптимальне розташування ребер жорсткості всередині оболонки пера дозволяє уникнути надмірних переміщень та напружень в ній і втрати нею стійкості, а також досягти максимальної відбудови від згинних власних частот коливань; запропонований комплексний підхід до оцінки міцності, що враховує дію аеродинамічних навантажень на перо лопатки при статичному аналізі та переднапружений стан при проведенні модального аналізу дозволяє значно підвищити точність та коректність розрахунків. Описаний в роботі підхід є новим для низькообертових роторних машин, оскільки на даний момент не існує комплексних методик до проектування композиційних лопаток вентиляторів та компресорів, а також відсутні згадування про конкретні приклади їхнього впровадження в реалізовані виробниками проекти.

The work is devoted to the development and calculation of the strength of a new composite fan blade of the main ventilation of the mine, including the static and modal analyzes, as well as the stability analysis. The studies took into account the pre-determined aerodynamic loads on the lateral surface of the blade airfoil. The research was carried out by means of the finite element analysis of the thin-walled airfoil structure using the theory of thick multilayer shells. Estimation of the static strength was performed using the Hashin strength criterion. Analysis of the airfoil shell buckling resistance under the action of bending aerodynamic loads was performed using the methods of the linear stability theory. The modal analysis was performed taking into account the prestressed state from the action of static loads. The analysis of the research results testifies to the sufficient static and dynamic strength of the composite airfoil and the possibility of its implementation in a real rotary machine with the correct design of the fastening between the metal part of the blade root and the composite airfoil. The method of designing and analyzing the strength of the fan blade composite airfoil can be used to create new composite elements of turbomachines: the correct selection of thicknesses of different parts of the airfoil allows obtaining a uniform design with rational use of material; the optimal location of the stiffeners inside the airfoil shell avoids its excessive displacement and stress and the buckling effects, as well as achieving the maximal detuning level from the bending natural frequencies of vibrations; the proposed integrated approach to the strength assessment, which takes into account the effect of aerodynamic loads on the blade airfoil in the static analysis and the prestressed state during the modal analysis can significantly improve the accuracy and correctness of calculations. The approach described in the paper is new for low -speed rotary machines, as at present there are no comprehensive methods for designing composite blades of fans and compressors, and there is no mention of specific examples of their implementation in the projects implemented by manufacturers.