Design, Simulation and Failure Analysis of Inertially and Aerodynamically Loaded Composite Blades

Ing. Václav Vomáčko

Disertační práce

Abstract:

This dissertation thesis focuses on the development of composite blades for blade flutter measurements. In controlled flutter measurements, the blades oscillate at high frequencies which induce significant inertial forces in addition to the aerodynamic loads caused by air flow. Current blades are made from steel, which, due to high inertial moments, does not allow oscillations at sufficiently high frequencies to simulate the real-world conditions of turbomachines. The goal is to substitute steel blades by ones from carbon fiber epoxy composite material with low specific density, high stiffness, and strength. Initially, the loading conditions of the blade are analyzed to provide essential input for the composite blade design. Topology optimization is employed to determine the optimal internal structure of the blade. Given that the blade operates near its mechanical limits, a comprehensive failure analysis is performed. Subsequently, a prototype blade is manufactured and experimentally validated through forced oscillation tests up to a frequency of 400 Hz, without any indication of structural damage. These results confirm the suitability of the developed composite blades for controlled flutter research and turbomachine testing. In general, the research contributes significantly to the advancement of flutter measurement technologies.

Abstract:

Tato disertační práce se zaměřuje na vývoj kompozitních lopatek pro měření lopatkového flutteru. Při řízených měřeních flutteru lopatky kmitají na vysokých frekvencích, což vedle aerodynamického zatížení způsobeného prouděním vzduchu vyvolává i významné setrvačné síly. Stávající lopatky jsou vyrobeny z oceli, která kvůli vysokým setrvačným momentům neumožňuje oscilace na dostatečně vysokých frekvencích potřebných pro simulaci reálných podmínek v turbostrojích. Cílem práce je nahradit ocelové lopatky lopatkami z kompozitního materiálu na bázi uhlíkových vláken a epoxidové matrice s nízkou měrnou hmotností, vysokou tuhostí a pevností. Nejprve jsou analyzovány zátěžové stavy lopatek za účelem získání klíčových vstupních dat pro návrh kompozitní lopatky. K určení ideální vnitřní struktury lopatky je využita topologická optimalizace. Vzhledem k tomu, že lopatky jsou provozovány v blízkosti svých mechanických limitů, tak je provedena analýza porušení. Následně je vyroben prototyp lopatky, který je experimentálně ověřen v režimu nucených oscilací až do frekvence 400 Hz, bez jakýchkoliv známek strukturálního poškození. Výsledky potvrzují vysokou odolnost a vhodnost vyvinutých kompozitních lopatek pro měření flutteru a testování turbostrojů, čímž práce významně přispívá k dalšímu rozvoji technologií v této oblasti.

Keywords

kompozitní materiály, lopatkový flutter, oscilace, turbostroje, analýza porušení

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 7. 8. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: doc. Ing. Petr Šidlof, Ph.D.

Technická univerzita v Liberci

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Doktorský studijní program / obor:
Aplikované vědy v inženýrství / Aplikované vědy v inženýrství