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

Номер контракта: 14.574.21.0080

Руководитель: Аношкин Александр Николаевич

Должность: Заведующий кафедрой "Механика композиционных материалов и конструкций"

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
турбореактивные двухконтурные авиационные двигатели (трдд), лопатка спрямляющего аппарата вентилятора, конструкторско-технологическая схема, математическое моделирование, полимерные композиционные материалы, экспериментальные исследования.

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.Краткое описание основных результатов
1.1 Научно обоснованные предложения по конструкции ЛСА, применяемым материалам и технологиям ее изготовления.
1.2. Действующие статические и динамические нагрузки, основные научно обоснованные технические требования и исходные данные для разработки ЛСА из ПКМ.
1.3. Комплекс физико-механических характеристик материалов, применяемых в конструкции ЛСА 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 ПКМ 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. Технико-экономическое обоснование разработки ЛСА из ПКМ для перспективного авиационного двухконтурного двигателя.
1.9. Технические требования, рекомендации и предложения по разработке, производству и эксплуатации ЛСА из ПКМ для перспективного авиационного двигателя с учетом технологических возможностей и особенностей российского авиа-двигателестроения.
1.10. 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.
1.11. Методики неразрушающих методов контроля ЛСА из ПКМ
1.12. Патентные заявки на конструкторско-технологические решения лопатки спрямляющего аппарата из ПКМ

2.Основные характеристики планируемых результатов
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.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Создание высоконагруженных деталей авиационных двигателей из полимерных композиционных материалов является сложной проблемой и предусматривает решение целого комплекса связанных друг с другом задач. С одной стороны, моделирование, расчет и проектирование композитной конструкции, определение её конструктивных особенностей и схемы армирования, а с другой стороны, выбор материалов и технологии изготовления. При этом выбранные материалы и технологии изготовления могут решающим образом сказаться на возможности выполнения тех или иных конструктивных особенностях детали, создания определенной схемы армирования, и реализации заданных свойств материала в конструкции. Кроме того, следует учитывать возможности переноса разработанной опытной лабораторной технологии в серийное производство, обеспечение повторяемости технологических операций, уменьшение влияния ошибок и отклонений параметров технологического процесса на качество получаемого изделия.
Спрямляющий аппарат представляет собой кольцевой набор профилированных лопаток, расположенных за рабочим колесом вентилятора, и обеспечивающих выравнивание воздушного потока с целью уменьшения потерь в наружном контуре двигателя. С учетом большого количества лопаток на один двигатель, снижение массы от применения ПКМ вместо металла может быть значительным. Прогнозируется, что при правильном подходе к проектированию для каждой лопатки можно получить снижение массы не менее чем на 40 %. В абсолютном выражении для двигателя размерности выигрыш по весу сможет составить порядка 8-10 кг.
2. 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.
3. 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 авиа-двигателестроения
4. 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.
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.
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.
Определение методов неразрушающего контроля композиционного материала и конструкции ЛСА. Определение норм дефектности. Изготовление образцов с внедренными дефектами для выявления эффективных методов неразрушающего контроля.
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.
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.
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.
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.
Риски связанные с реализацией проекта можно разделить на две группы: финансовые и технологические. Финансовые риски могут стать следствием технологических и могут возникнуть в случае если потребуется дополнительное финансирование при проверке различных технических решений, при испытании дополнительных материалов или при привлечении дополнительных специалистов, обладающих расширенными компетенциями. Технологические риски могут возникнуть в случае если планируемые результаты проекта невозможно будет достичь на данном уровне развития технологий или при данном уровне компетенций персонала.

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.

Текущие результаты проекта:
1. Разработаны исходные данные для моделирования в программном пакете ANSYS образца-макета ЛСА с четырьмя схемами армирования и прототипа-демонстратора ЛСА.
2. Проведено моделирование в программном пакете ANSYS образца-макета ЛСА из ПКМ при различных схемах армирования, получены оценки запасов статической прочности.
3. Сформулированы исходные данные для разработки конструкторской и технологической документации ЛСА из ПКМ.
4. Разработана технология изготовления образца-макета ЛСА из ПКМ из выбранного типа технологий.
5. Выбрана схема армирования материала ЛСА из ПКМ по результатам математического моделирования прототипа-демонстратора ЛСА.
6. Разработана конструкторская документация на изготовление образца-макета ЛСА из ПКМ.
7. Разработана конструкторская документация на оснастку для изготовления образцов-макетов ЛСА из ПКМ.
8. Изготовлена оснастка для изготовления образцов-макетов ЛСА из ПКМ.
9. Разработана программа и методики исследовательских испытаний образцов-макетов ЛСА из ПКМ.
10. Изготовлены образцы-макеты ЛСА из ПКМ (три партии по 5 штук), для проведения исследовательских испытаний.
11. Проведены исследовательские испытания образцов-макетов ЛСА из ПКМ.
12. Разработаны программы и методики исследовательских испытаний образцов-макетов ЛСА из ПКМ с внедренными дефектами методами неразрушающего контроля.
13. Изготовлены три образца-макета ЛСА из ПКМ с внедренными дефектами.
14. Проведены исследовательские испытания образцов-макетов с внедренными дефектами методами неразрушающего контроля
15. Проведена сравнительная оценка методов неразрушающего контроля для дефектоскопии ЛСА из ПКМ по результатам исследования.
16. Разработаны рекомендации по применению методов НМК для ЛСА из ПКМ.
17. Разработана конструкторская документация для изготовления образцов-макетов ЛСА из ПКМ с внедренными дефектами в виде расслоения материала.
18. Проведено математическое моделирование в программном пакете ANSYS прототипа-демонстратора ЛСА из ПКМ.

Результаты исследований по проекту в 2015 году были представлены на Международной выставке «Композитэкспо-2015», Международном авиационно-космическом салоне МАКС 2015, на 2-ом Пермском инженерно-промышленном форуме. На выставках демонстрировался образец-макет ЛСА из ПКМ и информационный буклет, отражающий состояние работ по проекту.
Опубликована научно-техническая статья Гринёв М.А., Аношкин А.Н., Писарев П.В., Зуйко В.Ю., Шипунов Г.С. Компьютерное моделирование механического поведения композитной лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2015. – No 3. – С. 38–51. DOI: 10.15593/perm.mech/2015.3.04(рецензируется в Scopus).
Направлена для опубликования статья Гринёв М.А., Аношкин А.Н., Писарев П.В., Зуйко В.Ю., Шипунов Г.С. Исследование НДС и оценка прочности композитной лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя// Вестник ПНИПУ. Механика. – 2015. – No 4.
Полученные в 2015 году результаты работ по проекту, в том числе: математические модели, результаты расчетов по математическим моделям, конструкторская и технологическая документация, изготовленная оснастка, изготовленные образцы-макеты, результаты исследовательских испытаний образцов-макетов соответствуют техническим требованиям и перспективам продолжения работ по выполняемому проекту.
Для обеспечения правовой охраны полученных научно-технических результатов подготовлена заявка на получение патента.
Запланированные индикаторы по проекту выполнены.