Details

Данная работа посвящена исследованию и повышению вибронадёжности замкового соединения рабочей лопатки турбины высокого давления (ТВД) методом параметрической оптимизации геометрических параметров. Предметом исследования выступает влияние формы ёлочного замка на динамические характеристики и прочностное состояние системы «лопатка-диск». Целью работы является минимизация количества резонансных пересечений на диаграмме Кэмпбелла при сохранении допустимого уровня напряжений в условиях эксплуатационных нагрузок. В рамках работы разработан трёхмерный виртуальный испытательный стенд на базе программного комплекса Ansys Workbench 2022 R1, включающий построение конечно-элементной модели сектора рабочего колеса ТВД с учётом температурных и центробежных воздействий, контактных взаимодействий и циклической симметрии. Методологической основой исследования послужило сочетание модального анализа с предварительным напряжением и параметрической оптимизации геометрии замка с применением алгоритмов MOGA и Adaptive Single-Objective. Для автоматизированного расчёта целевой функции разработан специализированный APDL-скрипт, позволяющий количественно оценивать число критических скоростей. В результате оптимизации удалось снизить количество резонансных пересечений с трёх до двух, при этом максимальные напряжения в хвостовике лопатки были снижены с 1002 до 879 МПа, что соответствует требованиям прочности. Оптимальная конфигурация замка характеризуется перераспределением напряжений и отстройкой от опасных гармоник возбуждения. Полученные результаты подтверждают эффективность предложенной методики и её применимость на ранних стадиях проектирования при ограниченной информации о внешних нагрузках. Разработанная методика может быть интегрирована в процессы проектирования и модернизации турбинных узлов с целью повышения надёжности и ресурса ГТД. Работа демонстрирует практическую значимость использования численных методов в задачах динамической оптимизации и может служить основой для дальнейших научных исследований в области прочности и динамики роторных систем.

The given work is devoted to the investigation and enhancement of the vibration reliability of the fir-tree joint in a high-pressure turbine (HPT) blade through parametric optimization of its geometric parameters. The subject of the study is the influence of the fir-tree joint shape on the dynamic behavior and stress state of the blade-disk assembly. The main objective of the work is to minimize the number of resonance crossings on the Campbell diagram while maintaining acceptable stress levels under operational loads. As part of the research, a three-dimensional virtual test bench was developed using the Ansys Workbench 2022 R1 software package. It includes a finite element model of an HPT rotor sector that accounts for thermal and centrifugal loads, contact interactions, and cyclic symmetry. The methodological foundation of the study combines prestressed modal analysis with parametric optimization of the joint geometry using the MOGA and Adaptive Single-Objective algorithms. A custom APDL script was developed for automated evaluation of the objective function, enabling quantitative assessment of critical speeds. As a result of the optimization, the number of resonance crossings was reduced from three to two, while the maximum von Mises stress in the blade root was lowered from 1002 to 879 MPa, satisfying the strength criteria. The optimal joint configuration exhibits a redistribution of stresses and effective detuning from dangerous excitation harmonics. These results confirm the effectiveness of the proposed methodology and its applicability at the early stages of design when external excitation data are limited. The developed approach can be integrated into the design and modernization processes of turbine components to enhance the reliability and service life of gas turbine engines. This work demonstrates the practical significance of numerical methods in dynamic optimization tasks and may serve as a basis for further research in the field of strength and vibratory behavior of rotor systems.