Регистрация / Вход
Прислать материал

Научное обоснование конструкторско-технологических решений по созданию высоконагруженных узлов перспективных авиационных двигателей, подверженных интенсивному воздействию аэродинамических факторов, из полимерных композиционных материалов на примере лопатки спрямляющего аппарата

Докладчик: Аношкин Александр Николаевич

Должность: профессор, начальник Управления науки и инноваций

Цель проекта:
1. Снижение веса перспективной авиационной двигательной установки за счет применения полимерных композиционных материалов в узлах спрямляющего аппарата 2. Целью реализуемого проекта является повышение массового совершенства спрямляющего аппарата вентилятора авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя за счет применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) при изготовлении лопатки спрямляющего аппарата (ЛСА). Результатом разработанного прототипа-демонстратора ЛСА из ПКМ послужит разработка технического задания для проведения опытно-конструкторских работ по проектированию и последующему внедрению в перспективный авиационный двигатель ПД-14.

Основные планируемые результаты проекта:
1.1 Научно обоснованные предложения по конструкции лопатки спрямляющего аппарата, применяемым материалам и технологиям изготовления ее.
1.2 Действующие статические и динамические нагрузки, основные технические требования и исходные данные для разработки ЛСА из ПКМ.
1.3 Комплекс физико-механических характеристик материалов, применяемых в конструкции лопатки спрямляющего аппарата из ПКМ.
1.4 Конструкторско-технологическая схема ЛСА из ПКМ. Технологические способы изготовления лопатки спрямляющего аппарата из ПКМ. Экспериментальные образцы-макеты имитирующих лопатку спрямляющего аппарата для проведения статических, циклических испытаний, а также образцов с внедренными дефектами для выявления эффективных методов неразрушающего контроля.
1.5 Математические модели ЛСА из полимерных композиционных материалов для расчетной оценки напряженно-деформированного состояния.
1.6 Экспериментально установленные параметры и оценки работоспособности ЛСА из ПКМ.
1.7 Конструкторская и технологическая документация и оснастка для изготовления комплектов прототипов-демонстраторов ЛСА из композиционных материалов.
1.8 Проект технического задания на проведение опытно-конструкторских работ по проектированию лопатки спрямляющего аппарата вентилятора авиационного двигателя. Проект технических условий на изготовление лопатки спрямляющего аппарата вентилятора.
1.9 Методики неразрушающих методов контроля лопатки спрямляющего аппарата вентилятора из полимерных композиционных материалов.
1.10 Патентные заявки на конструкторско-технологические решения лопатки спрямляющего аппарата из ПКМ.

2.1. Стандартные образцы и методы проведения их испытаний должны соответствовать требованиям:
ГОСТ 25.601-80 – для испытаний на растяжение;
ГОСТ 25.602-80 – для испытаний на сжатие;
ГОСТ 25.604-82 – для испытаний на межслоевой сдвиг.
2.2 Модели ЛСА должны быть выполнены в трехмерной постановке, учитывать схему армирования, анизотропию свойств материалов, слоистую структуру изделия. Решение краевых задач механики деформируемого твердого тела должно проводиться с использованием современных пакетов конечно-элементного анализа типа ANSYS 14.5.7 и ANSYS Composite Prep-Post 14.5.
Достоверность результатов должна подтверждаться сравнением с экспериментальными данными. При использовании метода конечных элементов должна быть подтверждена практическая сходимость путем исследования зависимости результатов от степени дискретизации.
2.3. Технологическая инструкция на изготовление образцов-макетов и прототипов-демонстраторов должна исчерпывающим образом фиксировать технологию изготовления изделий.
2.4. Оснастка для изготовления образцов-макетов и прототипа-демонстратора может быть выполнена как из металлов (сталь), так и из неметаллов (модельная плита, пластик).
Оснастка должна обеспечивать формование образцов-макетов и прототипа-демонстратора без отклонений поверхности от указанной в КД. Габаритные размеры – в соответствии с чертежами на оснастку. Конструктивный облик определяется технологией изготовления (прессформа, оснастка для одностороннего формования и др.).
2.5. Образцы-макеты ЛСА предназначены для отработки конструктивно-технологических режимов изготовления прототипа-демонстратора ЛСА и определения прочностных характеристик элементов конструкции.
Образцы-макеты ЛСА из ПКМ должны имитировать основные конструктивные элементы ЛСА: схему укладки, места закрепления, тип материала.
Образцы-макеты ЛСА должны быть изготовлены с применением разрабатываемых технологических способов изготовления прототипа-демонстратора ЛСА.
Конкретные геометрические размеры образцов-макетов ЛСА определяются дополнительно в процессе проведения работ.
2.6 Создаваемый прототип-демонстратор ЛСА должен соответствовать следующим техническим требованиям:
2.6.1 Масса прототипа ЛСА должна быть не более 1,4 кг;
2.6.2 Рабочая температура от -55°С до +100°С
2.6.3 Толщина пера прототипа ЛСА не должна превышать толщину металлического аналога и в максимальном сечении составлять 10,14 мм.
2.6.4 Высота прототипа ЛСА – не менее 400 мм
2.6.5 Радиус входной кромки – 0,6…1 мм
2.6.6 Должно быть предусмотрено наружное защитное покрытие (Эмаль) для предотвращения от воздействия внешних воздействующих факторов
2.6.7 Коэффициент запаса прочности для прототипа ЛСА относительно действующих нагрузок должен быть ≥ 1,5. Запасы прочности подтверждаются расчётами.
2.6.8 Материал – углепластик на термореактивном связующем.

3. В конструкциях современных авиадвигателей можно выделить несколько групп узлов, различающихся характером действующих на них нагрузок. Разный тип нагрузок диктует разные подходы к конструктивно-технологическим решениям создания узлов. Узлы, подверженные действию интенсивных аэродинамических нагрузок (рабочие лопатки вентилятора, спрямляющие лопатки, воздухозаборник, подвижные обтекатели реверса) помимо статической прочности (являющейся основным для узлов подвески двигателя и его модулей) должны обеспечивать отстройку от резонансов, устойчивость к флаттеру, и другие специфические требования. Современные авиационные двигатели являются совершенными конструкциями. Даже незначительное повышение массовой эффективности требует значительных интеллектуальных, исследовательских, финансовых и материальных затрат.
Одной из сложных в конструктивном и технологическом плане деталей является статорная лопатка спрямляющего аппарата вентилятора. С учетом большого количества лопаток на один двигатель, снижение массы от применения ПКМ вместо металла может быть значительным. С другой стороны, углепластики обладают пониженной межслоевой прочностью, поэтому для обеспечения высоких прочностных характеристик конструкции, стойкости к повреждениям и обеспечения большого срока службы лопаток из ПКМ требуется проведение большого объема научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
Предварительный анализ материалов из открытых источников, посвященных данной проблеме, показывает довольно малое количество публикаций, описывающих различные аспекты проектирования, прочностных расчётов, механических испытаний и производства лопаток спрямляющего аппарата из ПКМ.. С другой стороны, очевидна большая заинтересованность авиадвигателестроительных компаний во внедрении композитных технологий в основные конструктивные элементы двигателя и, в частности, в замене металлических лопаток спрямляющего аппарата на композитные.
Таким образом методы и подходы к решению поставленных научно-технических задач должны обладать несомненной новизной.

4. Мировой тенденцией при проектировании авиационных двигателей нового поколения является все более широкое применение ПКМ. Применение композитов обеспечивает, в первую очередь, снижение массы и обеспечение высокой топливной эффективности самолетов.
Уже имеется положительный опыт применения ПКМ для конструктивных элементов двигателя в России и странах СНГ. Так, в конструкции спрямляющей лопатки вентиляторной ступени двигателя Д-18Т, установленного на самолетах Ан-124 «Руслан» и Ан-225 «Мрия», углепластики позволили снизить массу лопаток на 40%. Углепластик использован и для лопаток спрямляющего аппарата двигателя ПС-90А, устанавливаемого на самолетах Ил-96-300 и Ту-204
Новые двигатели ведущих мировых компаний в настоящее время проектируются с условием обязательного использования ПКМ в конструкции лопаток. Это GEnx фирмы General Electric – дальнейшее развитие двигателя GE90, устанавливаемого на лайнерах Boeing 777, лопасти вентилятора которого уже были изготовлены из углепластика, это проект LEAP разработки концерна CFM International (объединение американской компании General Electric и французской компании SNECMA) и двигатель PW1000G фирмы Pratt & Whitney.
Таким образом, в свете обеспечения конкурентоспособности разрабатываемого авиационного двигателя на мировом рынке гражданской авиации и достижения качественного скачка в основных его характеристиках, данная работа может считаться крайне актуальной для всего отечественного авиадвигателестроения.

5.1 Проработка и анализ конструктивных особенностей исполнения лопатки спрямляющего аппарата (ЛСА). Определение номенклатуры и свойств материалов и перечня технологий изготовления. Определение действующих статических, динамических нагрузок, формулировка основных технических требований и исходных данных для разработки лопатки спрямляющего аппарата.
5.2 Исследование физико-механических свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) при статических, динамических нагрузках, возникающих в процессе работы ЛСА, получение базовых расчетных характеристик материалов. Разработка математических моделей ЛСА из ПКМ с учетом системы нагрузок и воздействий, возникающих в процессе ее эксплуатации.
5.3 Разработка принципиальной конструкторско-технологической схемы лопатки спрямляющего аппарата из ПКМ. Разработка конструкции и изготовление образцов-макетов, имитирующих лопатку спрямляющего аппарата для проведения статических, циклических испытаний. Проведение технологических исследований вариантов конструктивно-технологических схем ЛСА, технологических свойств основных и вспомогательных материалов.
5.4 Определение методов неразрушающего контроля композиционного материала и конструкции ЛСА. Определение норм дефектности. Изготовление образцов с внедренными дефектами для выявления эффективных методов неразрушающего контроля.
5.5 Математическое моделирование и проведение вычислительных экспериментов по оценке напряженно-деформированного состояния лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов. Расчетная оценка статической и усталостной прочности, предварительная оценка ресурса работы и работоспособности ЛСА из ПКМ.
5.6 Экспериментальные исследования комплексных образцов и образцов-макетов ЛСА из композиционных материалов при статических и циклических нагрузках, включая проектирование и изготовление оснастки. Оптимизация конструктивно-технологических решений. Экспериментальные исследования по получению методик неразрушающего контроля лопатки спрямляющего аппарата из ПКМ , в том числе исследование образцов-макетов с внедренными дефектами для выявления эффективности методов неразрушающего контроля.
5.7 Проектирование, разработка технологии, изготовление прототипов-демонстраторов ЛСА из ПКМ. Проведение комплекса испытаний узлов-демонстраторов с целью подтверждения работоспособности и возможности применения в составе авиационного ТРДД.
5.8 Разработка комплекта документов для проведения опытно-конструкторских работ по проектированию и внедрению в конструкцию авиационного ТРДД лопатки спрямляющего аппарата из ПКМ, в том числе конструктивно-технологических схем и рекомендаций по проектированию, перечня материалов и оборудования, физико-механических и физико-химических характеристик композиционных материалов, методик неразрушающего контроля.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные подходы в решении проблем связанных с уменьшением весовых характеристик узлов спрямляющего аппарата вентилятора внесут весомый вклад в дальнейшее развитие авиационных двигательных установок.

По результатам выполнения проекта будет выпущена техническая документация и передана для проведения ОКР по внедрению в опытное производство лопаток спрямляющего аппарата вентилятора из полимерных композиционных материалов в конструкцию перспективного авиационного двигателя на ОАО «Авиадвигатель» и заводах кооперации.

Разработанные концепции и технологии изготовления лопаток спрямляющего аппарата вентилятора из полимерных композиционных материалов будут использованы ОАО «Авиадвигатель» и другими предприятиями ОАО «ОДК» для проведения ОКР; предприятиями серийной кооперации – ОАО «Пермский моторный завод» для изготовления серийной продукции – семейства двигателей ПД-14.


Текущие результаты проекта:
4.1 Техническое задание для проведение патентных исследований содержащее ключевые слова: Лопатка спрямляющего аппарат из полимерных композитных материалов (из композиционных материалов) для газотурбинных двигателей (ГТД); Статорная лопатка из композиционных материалов ГТД; Покрытия, применяемые в изделиях из композитных материалов для защиты от воздействия внешних факторов в ГТД; Способы крепления деталей из композиционных материалов в ГТД; Способы изготовления лопатки спрямляющего аппарата ГТД из композиционных материалов.
4.2 Технологическая справка содержащая анализ типов материалов из ПКМ пригодных для изготовления ЛСА из полимерных композиционных материалов. В технологической справке приведён анализ известных производителей препрегов, материалов для пропитки под давлением, термопластичных материалов, пресс-материалов; отражены возможные варианты технологий изготовления лопатки спрямляющего аппарата и предварительные варианты её конструктивного исполнений.
4.3. Изготовлено 6 образцов, соответствующих ГОСТ 25.601-80, из препрега ФГУП «ВИАМ» КМУ-2м 120.Э0,1 для последующего проведения испытаний на растяжение. Выпущен акт об изготовлении образцов.
4.4 Техническое задание ОАО «Авиадвигатель» на научно-исследовательские работы «Разработка эскизного проекта лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов» содержащее:
требования к условиям эксплуатации ЛСА, комплекс эксплуатационных нагрузок, действующих на ЛСА (аэродинамические, вибрационные, ударные, эрозионные);
конструктивные особенности ЛСА и первоочередные требования к конструкции ЛСА из ПКМ (требования к геометрии допуски, полки и посадочные места)
4.5. Буклет ПНИПУ на «Вузпромэкспо-2014».
4.6. Отчёт о патентных исследованиях содержащий обзор Российских и зарубежных патентов по ключевым словам: Лопатка спрямляющего аппарат из полимерных композитных материалов (из композиционных материалов) для газотурбинных двигателей (ГТД); Статорная лопатка из композиционных материалов ГТД; Покрытия, применяемые в изделиях из композитных материалов для защиты от воздействия внешних факторов в ГТД; Способы крепления деталей из композиционных материалов в ГТД; Способы изготовления лопатки спрямляющего аппарата ГТД из композиционных материалов.