Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0080

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0080
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Название доклада
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
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель: Повышение массового совершенства спрямляющего аппарата вентилятора авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя за счет применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) при изготовлении лопатки спрямляющего аппарата (ЛСА).
Задачи проекта:Выбор полимерных композиционных материалов наиболее подходящих для использования в конструкции ЛСА, определение требуемого комплекса физико-механических свойств; разработка компьютерной модели, проведение вычислительных экспериментов и выбор схемы армирования ЛСА из ПКМ, оптимально соответствующей эксплуатационным нагрузкам и техническим требованиям; исследование влияния технологических параметров на свойства ЛСА, разработка конструкторско-технологической схемы изготовления прототипа ЛСА; разработка конструкторской и технологической документации и изготовление оснастки, образцов-макетов и образцов-прототипов ЛСА из ПКМ; исследование возможности появления и регистрации дефектов ПКМ в образах-прототипах ЛСА, разработка методов дефектоскопии ЛСА из ПКМ; испытания образцов-макетов, определение механических свойств, подтверждение заданных технических требований к ЛСА из ПКМ; разработка проекта технического задания на выполнение ОКР по проектированию ЛСА из ПКМ для новых авиационных двигателей.
Актуальность и новизна исследования
Мировой тенденцией при проектировании авиационных двигателей нового поколения является все более широкое применение ПКМ. Применение композитов обеспечивает снижение массы, повышение топливной эффективности, а ряде случаев и снижение себестоимости двигателя. Новые двигатели ведущих мировых компаний - GEnx фирмы GeneralElectric (дальнейшее развитие двигателя GE90), PW1000G фирмы Pratt&Whitney, в настоящее время проектируются с условием обязательного использования ПКМ в конструкции лопаток. 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%. Однако для создания лопатки спрямляющего аппарата из ПКМ необходимо решение комплекса научно-технических задач сформулированных в рамках проекта. Научная новизна исследований определяется новыми полимерными композиционными материалами и технологиями изготовления ЛСА, новыми постановками задач компьютерного моделирования механического поведения ЛСА из ПКМ при эксплуатационных нагрузках, новыми методиками испытаний изготовленных образцов-макетов ЛСА из ПКМ для подтверждения эксплуатационных характеристик.
Описание исследования

Проектирование и разработка технологии создания ЛСА является комплексной научно-технической задачей, включающей моделирование, расчет и проектирование композитной конструкции, определение её конструктивных особенностей и схемы армирования, а также выбор материалов, технологической схемы и оптимальных технологических режимов изготовления. При этом технология изготовления решающим образом влияет на реализацию свойств композиционного материала в конструкции и стабильность качества получаемого изделия.

Для теоретического описания механического поведения конструкции лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов при воздействии эксплуатационных нагрузок, а так же при оценке запасов прочности и жесткости применялись методы и подходы механики деформированного твердого тела, механики композиционных материалов и численного моделирования в программном пакете ANSYS  с использованием ресурсов многопроцессорных вычислительных комплексов.

Для разработки конструкции лопатки спрямляющего аппарата, а так же конструкции технологической оснастки для её изготовления использованы методы и подходы трехмерного проектирования в программных пакетах SolidWorks, NX UG, Аскон КОМПАС; для создания технологических схем раскроя лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов применен метод математического моделирования в программном пакете FiberSIM;

Для разработки конструкторской и технологической документации лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов, а так же технологической оснастки для её изготовление применялись методы проектирования в соответствии ЕСКД и ЕСТД и Авиационными правилами П.33 «Нормы лётной годности двигателей воздушных судов»

Изготовление образцов-макетов и прототипов-демонстраторов осуществляется с использованием методов автоклавного формования при повышенном давлении в специализированной технологической оснастке.

Для контроля лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов на наличие дефектов (технологических или эксплуатационных) применяются методы неразрушающего контроля:ультразвукового, импедансного, шерографии, рентгенографии.

Экспериментальные исследования механического поведения и оценка запасов прочностиобразцов-макетов и прототипов-демонстраторов лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов выполняется с использованием подходов экспериментальной механики, с использованием современного испытательного оборудования: испытательные машины Zwick Z100, Instron; системы контроля напряжений и деформаций Vic3D;

Натурные испытания лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов проводятся на специализированном стенде в составе авиационного двигателя.

Исследования по определению предела выносливости при воздействии динамических и вибрационных нагрузок проводились с использованием методов модального анализа, лазерной виброметрии и вибрационных испытаний на стенде.

Результаты исследования

В ходе выполнения проекта за 2014-2016 годы были получены следующие основные результаты:

  1. Научно обоснованные предложения по конструкции ЛСА, применяемым материалам и технологиям ее изготовления.
  2. Математические модели ЛСА из ПКМ для расчетной оценки напряженно-деформированного состояния и выбора схемы армирования.
  3. Конструкторско-технологическая схема ЛСА из ПКМ. Технологические способы изготовления ЛСА из ПКМ.
  4. Экспериментальные образцы, имитирующие ЛСА для проведения механических испытаний, а также образцы с внедренными дефектами для выявления эффективных методов неразрушающего контроля.
  5. Экспериментально установленные параметры и оценки работоспособности ЛСА из ПКМ.
  6. Конструкторская и технологическая документация, оснастка для изготовления ЛСА из композиционных материалов.
  7. Технико-экономическое обоснование разработки ЛСА из композиционных материалов для новых авиационных двигателей.
  8. Проект технического задания на проведение опытно-конструкторских работ по проектированию ЛСА вентилятора авиационного двигателя. Проект технических условий на изготовление ЛСА вентилятора.
  9. Методики неразрушающих методов контроля ЛСА вентилятора из ПКМ.
  10. Проведены испытания конструкции ЛСА из ПКМ на стендовом двигателе и определены запасы прочности при эксплуатационных нагрузок.
  11. Патентные заявки на конструкторско-технологические решения, полученные при разработке прототипа лопатки спрямляющего аппарата из ПКМ.

 

В результате внедрения разработанной лопатки из полимерных композиционных в конструкцию авиационного двигателя ожидается снижение массы на 8-10 кг, что соответствует  современным зарубежным разработкам. Конструкция лопатки из ПКМ обеспечит полную взаимозаменяемость с металлическим аналогом, что позволит произвести замену лопатки в конструкциях новых и разрабатываемых двигателях. Разработанная технология и оснастка будут пригодны для внедрения в серийное производство. Накопленный опыт работ, созданные компетенции, разработанные методики проектирования, расчета и испытания будут использоваться при создании других высоконагруженных деталей авиационных  двигателей из композиционных материалов. Разработанные подходы в решении проблем связанных с уменьшением весовых характеристик узлов спрямляющего аппарата вентилятора внесут весомый вклад в дальнейшее развитие авиационных двигательных установок.

Практическая значимость исследования
По результатам выполнения проекта будет выпущена техническая документация и передана в АО «Авиадвигатель» для проведения ОКР по созданию лопаток спрямляющего аппарата вентилятора из полимерных композиционных материалов для нового авиационного двигателя.
Внедрение разработки позволит повысить массовое совершенство и конкурентоспособность нового российского газотурбинного авиационного двигателя.
Разработанные подходы в решении проблем связанных с уменьшением весовых характеристик узлов спрямляющего аппарата вентилятора внесут весомый вклад в дальнейшее развитие авиационных двигательных установках.
Планируется участие ФГБОУ ПНИПУ в совместном производстве лопаток спрямляющего аппарата вентилятора из полимерных композиционных материалов по разработанной технологии в кооперации с АО «Авиадвигатель» и АО «Пермский завод «Машиностроитель»