Influence of manufacturing deviations on natural frequencies and mode shapes of turbine blisks

Abstract

EN: Purpose. To establish the vibration characteristics of cast turbine blisks (monowheels) and to determine the influence of inevitable manufacturing deviations on their natural frequencies and mode shapes by combining computational and experimental methods. Research methods. A comprehensive computational-experimental approach was applied. The computational part included finite element modal analysis of two models: 1) an idealized cyclically symmetric model with nominal geometry, and 2) a full model reproducing the actual geometry of the manufactured product, obtained via high-precision 3D scanning. The experimental part consisted of two stages: preliminary determination of the amplitude-frequency spectrum using the impact excitation method (tap testing) and a detailed investigation of natural frequencies and mode shapes using a piezo-probe. Results. It was confirmed that manufacturing deviations cause significant changes in the dynamic behavior of the blisk. Frequency spectrum splitting and asymmetry of mode shapes, which are not predicted by nominal geometry models, were established. The computational model built from 3D scanning data demonstrates significantly better correlation with experimental data. A shift in nodal diameters relative to the axis of symmetry was experimentally recorded, which is direct proof of the influence of asymmetry caused by manufacturing tolerances. Scientific novelty. For the first time, an approach to blisk quality control has been proposed and tested, based not on static geometric comparison, but on the analysis of the product's integral dynamic “signature” – its natural frequencies and mode shapes. It has been proven that the discrepancies between the nominal geometry calculation and the experiment are not an error, but a quantitative measure of the manufacturing deviations' impact on the structure's dynamic behavior. Practical value. A rationale for a new non-destructive testing (NDT) method has been developed, which allows for objective decisions regarding the serviceability of both new and in-service blisks. The creation of a “reference” vibrational passport is proposed for the objective quality assessment of series-produced products and for diagnosing component degradation during inter-repair maintenance, thereby increasing the reliability and safety of aircraft engine operation. UK: Мета роботи. Встановлення особливостей коливань моноколіс турбіни, виготовлених методом лиття, та визначення впливу неминучих виробничих відхилень на їхні власні частоти і форми коливань шляхом поєднання розрахункових та експериментальних методів. Методи дослідження. Застосовано комплексний розрахунково-експериментальний підхід. Розрахункова частина включала модальний аналіз методом скінченних елементів двох моделей: 1) ідеалізованої циклосиметричної моделі з номінальною геометрією та 2) повної моделі, що відтворює фактичну геометрію виготовленого виробу, отриману за допомогою високоточного 3D-сканування. Експериментальна частина складалася з двох етапів: попереднього визначення амплітудно-частотного спектра методом ударного збудження та детального дослідження власних частот і форм коливань з використанням п'єзощупа. Отримані результати. Підтверджено, що виробничі відхилення спричиняють значні зміни в динамічній поведінці моноколеса. Встановлено розшарування частотного спектра та асиметрію форм коливань, що не прогнозуються моделями з номінальною геометрією. Розрахункова модель, побудована за даними 3D-сканування, демонструє значно кращу кореляцію з експериментальними даними. Експериментально зафіксовано зміщення вузлових діаметрів відносно осі симетрії, що є прямим доказом впливу асиметрії, спричиненої виробничими допусками. Наукова новизна. Вперше запропоновано та апробовано підхід до контролю якості моноколіс, що базується не на статичному геометричному порівнянні, а на аналізі інтегральної динамічної «сигнатури» виробу – його власних частот та форм коливань. Доведено, що розбіжності між розрахунком для номінальної геометрії та експериментом є не похибкою, а кількісною мірою впливу виробничих відхилень на динамічну поведінку конструкції. Практична цінність. Розроблено обґрунтування для нового методу неруйнівного контролю, що дозволяє приймати об'єктивні рішення про придатність до експлуатації моноколіс. Запропоновано створення «еталонного» вібраційного паспорта для об'єктивної оцінки якості серійних виробів та діагностики деградації компонентів під час міжремонтного обслуговування, що підвищує надійність та безпеку експлуатації авіаційних двигунів.