Введение к работе
Актуальность проблемы. Создание современных газотурбинных двигателей (ГТД) характеризуется заменой в ряде деталей традиционных конструкционных материалов (сталей и титановых сплавов) на современные композиционные материалы (КМ), имеющие более высокие удельные прочность и жесткость. Такие работы проводят все ведущие двигателестроительные фирмы мира (General Electric, Pratt and Whitney, CFM International и др.). Исследованиями в этой области в нашей стране занимаются ФГУП ЦИАМ, ФГУП ВИАМ, ОАО «НПП «Мотор», ОАО «Пермский моторный завод» и др. В настоящее время одним из основных направлений по применению КМ в газотурбинных двигателях является создание лопатки из углепластика, лопатки из титанового сплава, армированного волокнами карбида кремния, лопатки составной конструкции и лопатки из КМ на металлической матрице.
В ОАО «НПП «Мотор» создана рабочая лопатка первой ступени компрессора ГТД на основе магниевой матрицы, армированной борными и углеродными волокнами.
При создании работоспособной лопатки из КМ одним из важнейших направлений является максимальное снижение напряжений в местах перехода от пера лопатки к ее хвостовику и в угловых точках на боковых гранях хвостовика, где и происходит разрушение лопатки из традиционных материалов. В отличие от однородных материалов в лопатке из КМ напряжения в опасных зонах можно снижать не только за счет геометрической формы лопатки, но и за счет выбора рациональной схемы ее армирования. Эффективность этого подхода до настоящего времени в лопатках ГТД детально еще никто не анализировал, хотя это может дать весьма заметный положительный эффект.
Для реализации такой возможности необходима методика расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) лопатки из КМ с учетом его реальной структуры. При создании такой методики необходимо решить ряд актуальных научных задач: разработать методику экспериментального определения упругих и прочностных характеристик композиционных материалов; разработать методику расчета коэффициентов жесткости композитов при различных схемах армирования с одним или двумя видами армирующих волокон; разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния лопатки из КМ с определением напряжений в матрице и армирующих волокнах и выбрать наиболее рациональную схему армирования с наименьшими напряжениями в наиболее опасных точках лопатки. Решение указанных задач является в настоящее время весьма актуальным, обладающим существенной новизной и имеющим важное практическое значение.
Целью работы является разработка методики расчета на прочность композиционной лопатки компрессора газотурбинного двигателя.
Исходя из цели работы, для ее реализации были поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработка методики расчета на прочность композиционной лопатки компрессора газотурбинного двигателя, позволяющей рассчитывать напряжения в матрице и армирующих волокнах.
-
Создание расчетной модели для определения эффективных характеристик жесткости гибридного композиционного материала на основе магниевой матрицы, армированной углеродными и борными волокнами, включающей формирование представительного элемента гибридного композита, построение конечно-элементной модели композита, реализацию расчета и анализ точности получаемых результатов.
-
Экспериментальное изучение упругих и прочностных свойств композиционного материала на основе магниевой матрицы, армированной углеродными волокнами.
4) Проведение конечно-элементного анализа напряженного состояния
хвостовика лопатки компрессора ГТД в форме «ласточкин хвост» при различ
ных схемах армирования, анализ влияния схем армирования на напряжения в
компонентах КМ и разработка рекомендаций по выбору направлений укладки
волокон, обеспечивающих наивысшую прочность лопатки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана методика расчета на прочность лопатки компрессора газотурбинного двигателя из гибридного композиционного материала, отличающаяся тем, что позволяет определять напряжения в матричном материале и в армирующих волокнах, оценивать по ним прочность лопатки и, рассматривая различные схемы армирования, выбирать из них вариант, обеспечивающий минимизацию напряжений в наиболее опасных точках лопатки.
-
Разработана расчетная модель для определения эффективных характеристик жесткости гибридного композиционного материала на основе магниевой матрицы, армированной углеродными и борными волокнами, включающая формирование представительного элемента гибридного композита, построение конечно-элементной модели композита, реализацию расчета в рамках пакета ANSYS и анализ точности получаемых результатов.
-
Экспериментально исследованы упругие и прочностные свойства композиционного материала на основе армирующих углеродных волокон и магниевой матрицы, применяемого в лопатках компрессора газотурбинного двигателя; выявлены причины разрушения образцов вблизи захватов при испытании на растяжение и доказано, что равномерное приложение нагрузки к образцу существенно снижает концентрацию напряжений вблизи захватов.
Методы исследований основаны на использовании:
соотношений теории упругости анизотропного тела и механики композиционных материалов;
методик испытаний и экспериментального оборудования, позволяющего определять характеристики композитов при различных схемах нагружения;
метода конечных элементов, реализуемого в программе ANSYS.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на фундаментальных положениях, современных экспериментальных и численных методах механики деформируемого твердого тела и подтверждается:
использованием классических уравнений теории упругости анизотропных тел, механики композиционных материалов и применением современных компьютерных программных продуктов;
сопоставлением численных решений с результатами соответствующих экспериментальных исследований.
Практическое значение работы состоит в следующем:
-
Разработанная методика позволяет выполнять многовариантные расчеты на прочность хвостовика лопатки из гибридного композиционного материала при различных направлениях укладки армирующих волокон. На её основе рассмотрен ряд схем армирования композиционной лопатки и выявлено, что в перьевой части лопатки, работающей в основном на растяжение, целесообразно армирование углеродными волокнами, а в хвостовике целесообразно применять гибридный композиционный материал, в котором наряду с углеродными волокнами перпендикулярно к боковым граням хвостовика укладываются борные волокна. При этом существенно снижается концентрация напряжений в зоне перехода от пера к хвостовику и в угловых точках на боковых гранях хвостовика. Так в существующей лопатке борные волокна уложены перпендикулярно к оси пера лопатки, а переход к схеме с борными волокнами, перпендикулярными к боковой грани хвостовика, позволяет снизить напряжения в матричном материале в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику на 20%, а в угловой точке на боковой грани на 70%.
-
Проведены экспериментальные исследования упругих и прочностных характеристик углеродомагния и армирующей его углеродной нити, которые показали их перспективность для применения в лопатках компрессора.
Реализация результатов работы
Данная работа выполнялась в период с 2006 по 2012 год в лаборатории композиционных материалов ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре «Сопротивление материалов».
Результаты работы внедрены в ОАО «НПП «Мотор» при проектировании лопатки из композиционного материала, в ФГБОУ ВПО УГАТУ в виде разделов курсов лекций «Механика композиционных материалов» и «Сопротивление материалов».
Автор выносит на защиту:
-
Методику расчета на прочность лопатки компрессора газотурбинного двигателя из гибридного композиционного материала, отличающуюся тем, что позволяет определять напряжения в матричном материале и в армирующих волокнах, оценивать по ним прочность лопатки и, рассматривая различные схемы армирования, выбирать из них вариант, обеспечивающий минимизацию напряжений в наиболее опасных точках лопатки.
-
Расчетную модель для определения эффективных характеристик жесткости гибридного композиционного материала на основе магниевой матрицы,
армированной углеродными и борными волокнами, включающую формирование представительного элемента гибридного композита, построение конечно-элементной модели композита, реализацию расчета в рамках пакета ANSYS и анализ точности получаемых результатов.
-
Результаты экспериментального исследования упругих и прочностных свойств композиционного материала на основе армирующих углеродных волокон и магниевой матрицы, применяемого в лопатках компрессора газотурбинного двигателя; объяснение причины разрушения образцов вблизи захватов при испытании на растяжение и доказательство того, что равномерное приложение нагрузки к образцу существенно снижает концентрацию напряжений вблизи захватов.
-
Результаты расчетов напряжений и коэффициентов запасов прочности в компонентах гибридного композиционного материала хвостовика лопатки компрессора при различных схемах армирования и рекомендации по направлению укладки волокон, обеспечивающих наивысшую прочность лопатки.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийской школе-конференции для аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании» (г.Уфа, 2008), на Всероссийских молодежных научных конференциях «Мавлютовские чтения» (г.Уфа, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011), Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения» (г.Уфа, 2011), 2-ой региональной зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых "Актуальные проблемы в науке и технике" (г.Уфа, 2007), Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г.Самара, 2008), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (г.Москва, 2008), Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «X Королевские чтения» ( г.Самара, 2009), VIII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодежь и современные информационные технологии» (г.Томск, 2010), 6-ой Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых (с международным участием) «Актуальные проблемы науки и техники» (г.Уфа, 2011), XXXVII Гагаринских чтениях (г.Москва, 2011), Всероссийской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы современного дви-гателестроения» (г.Уфа, 2011).
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 18 печатных работах в том числе в 4-х статьях, в изданиях рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов, списка литературы. Содержит 154 страницы машинописного текста, включающего 160 рисунков и библиографический список из 88 наименований.
