Применение современных полимерных композиционных материалов в элементах и узлах газотурбинных авиационных двигателей

Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях авиационных двигателей для гражданской авиации началось значительно позднее, чем в конструкциях корпусных деталей и узлов планера самолета. Это обусловлено особенностями существующих конструкций двигателей, относительно небольшими габаритами и сложной формой деталей, наличием большого количества фланцевых соединений, многообразием действующих нагрузок и другими факторами. Особым препятствием на пути широкого внедрения композитов являлась традиционная ориентация конструкторов двигателей на технологические методы изготовления деталей из металлов, которые существенно отличаются от методов изготовления деталей из композитов. Первые опытные композитные детали турбовентиляторных двигателей появились в начале 1990;х годов. Это были такие детали как обтекатель вентилятора и детали мотогондолы. В течение 1989;1995 годов группой предприятий г. Перми во главе с ОАО «Авиадвигатель» (прежние названия ПНПО «Авиадвигатель», Моторостроительное конструкторское бюро) была разработана и частично реализована программа внедрения полимерных композиционных материалов в конструкции турбовентиляторных двигателей ПС-90А, ДЗОКУ-154. Было спроектировано около 15 композитных узлов двигателей, полностью взаимозаменяемых с металлическими аналогами, что позволило производить отработку конструкций композитных деталей и наработку ресурса на серийных двигателях. Десять типов композитных узлов было изготовлено, несколько узлов прошли необходимый объем испытаний и были сертифицированы для установки в серийных двигателях и последующей эксплуатации в системе гражданской авиации. Несмотря на то, что металлические аналоги изготавливаются из легких алюминиевых и титановых сплавов, применение ПКМ позволило получить снижение веса в среднем 15−20% на каждый узел. Общее снижение массы двигателя ПС-90А после полного завершения программы внедрения полимерных композиционных материалов должно было составить более 200 килограммов. При установке двигателей на самолет ИЛ96−300 это дает увеличение коммерческой нагрузки более чем на 800 кг при тех же эксплуатационных затратах, т. е. снижение стоимости перевозок. Основной эффект снижения массы деталей был достигнут за счет применения в конструкциях деталей композитных фланцев, которые традиционно в конструкциях узлов летательных аппаратов проектируют и изготавливают из металлических сплавов. К середине 1990;х годов работа пермского куста предприятий по широкомасштабному применению ПКМ не имела аналогов в мировом авиадвигателестроении.

Производство изделий из композиционных материалов до начала 90-х годов было обширной и стабильной частью российской экономики. Технологии и оборудование для производства композитных изделий имелись (и остаются на сегодня) примерно на десятке предприятий Пермского края, среди которых завод «Машиностроитель», ОАО «Искра», Уральский НИИ композиционных материалов, ОАО «Мотовилихинские заводы», завод им. С. М. Кирова, НИИПМ, ПНИТИ, Уральский филиал ГИПХ, ОАО «Привод» и др. Однако все многотоннажное производство было ориентировано исключительно на нужды оборонной промышленности и космоса, производственные мощности предприятий были перегружены оборонными заказами. Поэтому предпринятые ОАО «Авиадвигатель» попытки в середине 1980;х начать применение композитов в конструкциях авиадвигателей для пассажирских самолетов не могли быть реализованы на предприятиях Пермского региона. С конца 1980;х годов в связи с политикой конверсии оборонных производств высвободилось значительное количество производственных мощностей. В 1989 году ОАО «Авиадвигатель», УНИИКМ и завод «Машиностроитель» подписали несколько соглашений о развертывании работ по внедрению композитов в конструкцию двигателя ПС-90А и распределении функций. Пермский государственный технический университет приступил к разработке компьютерных моделей композитных деталей авиадвигателей, в частности фланцевых соединений. Началось проектирование, производство, испытания и сертификация композитных узлов и коммерческая эксплуатация некоторых из них на рейсовых самолетах Аэрофлота.

Экономический спад середины 1990;х годов в России практически остановил НИОКР по внедрению полимерных композиционных материалов в конструкцию авиационных двигателей. В связи с резким сокращением к / середине 1990;х годов заказов на отечественную авиационную технику эти работы были практически свернуты. Остались нерешенными многие теоретические, методологические, конструкторские, технологические и организационные вопросы проектирования и изготовления композитных узлов авиационных двигателей, многие конструкторские наработки остались нереализованными.

В настоящее время ожидается подъем спроса на отечественную авиационную технику. На ближайшие годы потребность российского рынка оценивается в 10−30 двигателей в год для установки на самолеты ИЛ-96−300, ТУ-204 и их модификации. Двигатель ПС-90А является единственным российским двигателем, производящимся серийно и сертифицированным для полетов практически во все аэропорты мира. Планеры российских самолетов ТУ-204 и ИЛ-96−300 превосходят по летным характеристикам зарубеленые аналоги. Они востребованы на мировом рынке, а трудности в продвижении на этот рынок связаны, в основном, с нерыночными методами конкурентной борьбы со стороны зарубежных самолетостроительных компаний. Двигатель ПС-90А является единственным российским сертифицированным двигателем для установки на эти самолеты. Установка на них модифицированных двигателей с большим количеством узлов из ПКМ увеличит коммерческую нагрузку, повысит конкурентоспособность этих самолетов на рынке и увеличит экспортный потенциал российской авиационной промышленности. Отдельный сегмент рынка композитных узлов для авиадвигателей представляет перспектива производства нового турбовентиляторного двигателя для среднемагистральных самолетов. Некоторые узлы этого двигателя, такие как широкохордная рабочая лопатка вентилятора, могут быть изготовлены только из композиционных материалов.

В России имеются все необходимые и достаточные предпосылки для организации технологического кластера предприятий по производству композитных узлов авиадвигателей, на котором будет сосредоточен весь производственный цикл — проектирование, производство, сопровождение в эксплуатации, ремонт и утилизация выработавших ресурс изделий. Рост заказов на авиационную технику будет иметь большое значение для экономики регионов. Получат загрузку простаивающие мощности предприятий. Кроме восстановления рабочих мест это дает сохранение и дальнейшее развитие уникальных технологий. Производство крупногабаритных изделий из ПКМ, каковыми являются детали мотогондолы и другие узлы авиадвигателей, требует большого количества крупногабаритной технологической оснастки. Заказы на изготовление такой оснастки могут быть размещены на металлообрабатывающих предприятиях.

На сегодняшний день имеется значительный научно-технический и технологический задел, опыт производственной кооперации машиностроительных предприятий, свободные производственные мощности и помещения, необходимое, в том числе уникальное, оборудование для серийного изготовления композитных узлов авиадвигателей, что исключает необходимость капитального строительства и значительных капитальных вложений.

Для успешного внедрения новых полимерных композиционных материалов в конструкцию перспективных авиационных двигателей необходимо развитие комплексного научного подхода к проектированию, отработке и организации производства композитных деталей и узлов с последовательным и интенсивным применением методов математического моделирования и вычислительных экспериментов.

Целью настоящей работы являлось создание научных основ внедрения современных полимерных композиционных материалов в элементах и узлах перспективных газотурбинных двигателей. Для создания научных основ в диссертации решены следующие задачи:

1. выполнено обоснование и выбраны объекты поэтапного внедрения ПКМ в конструкции современных и перспективных газотурбинных двигателей;

•2. предложены расчетно-экспериментальные методы определения требуемого комплекса характеристик ПКМ полимерных композиционных материалов, необходимых для расчета конструкций;

3. разработаны наиболее рациональные принципиальные конструкторско-технологические схемы для материал-деталей из ПКМ перспективных авиационных двигателей;

4. разработаны методики и алгоритмы расчета и подтверждения запасов прочности и ресурса работы деталей из ПКМ на основе структурно-феноменологических моделей.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. На основе анализа современных технологий ПКМ и общих тенденций их развития обоснован перечень элементов и узлов для поэтапного внедрения ПКМ в конструкцию перспективных газотурбинных авиационных двигателей ПС-90А2, ПС-12, Д30КУ-154 с обеспечением полной взаимозаменяемости композитных и серийных металлических узлов. В качестве первоочередных объектов внедрения предложена номенклатура корпусных деталей и узлов наружного контура и мотогондолы авиадвигателей, определены уровни снижения массы (20−30%) соответствующих деталей, узлов и конструкции в целом при внедрении композиционных материалов.

2. Сформулированы принципы формирования структуры и свойств материал — деталей из ПКМ авиационных двигателей. Предложены современные расчетно-экспериментальные методики, на основе которых проведены исследования и определены комплексы механических свойств ПКМ, требуемых для расчета прочности и ресурса деталей и узлов.

3. Проведена классификация и разработаны принципиальные конструкторско-технологические схемы для трех групп материал — деталей авиационных газотурбинных двигателей из полимерных композиционных материалов. На основе анализа накопленного опыта создания композитных деталей и узлов для авиадвигателя ПС-90 разработаны научно обоснованные технические требования для типовых технологических операций изготовления композитных деталей перспективных газотурбинных авиационных двигателей. Разработаны конструкторско-технологические схемы для материал-деталей из ПКМ системы шумозащиты авиационного газотурбинного двигателя ДЗОКУ-154, превышающей по основным показателям эффективности (массовым, технологическим и акустическим) существующие аналоги из металлов.

4. Проведены расчеты, определены запасы прочности и ресурса работы типичных материал — деталей из ПКМ корпуса внутренней обшивки авиадвигателя. Установлено, что применение ПКМ позволяет обеспечить требуемый запас статической и усталостной прочности проектируемых корпусных деталей.

Достоверность основных научных положений и выводов, полученных в диссертации, подтверждена данными экспериментов на образцах материалов, а также опытом эксплуатации первых корпусных материал — деталей из полимерных композиционных материалов для современного газотурбинного авиационного двигателя ПС-90.

Практическая ценность. Научные и технические рекомендации, конструкторско-технологические схемы, методики расчета и проектирования материал — деталей из ПКМ для современных и перспективных газотурбинных авиадвигателей внедрены в практику опытного и серийного производства в Уральском НИИ композиционных материалов (г. Пермь). Четыре корпусные детали из ПКМ, разработанные в Уральском НИИ композиционных материалов (г. Пермь), прошли опытную эксплуатацию в составе газотурбинного авиационного двигателя ПС-90. Ресурс налета деталей из ПКМ, к настоящему времени, составил более 10 000 часов, указанные детали эксплуатируются без существенных замечаний и отказов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции «Космические исследования, технологии и конверсия-Н» (Узбекистан, Ташкент, 1997), на НТС ОАО «Внуковский авиаремонтный завод» (Москва, 2005), НТС ОАО «Авиадвигатель» (Пермь, 2006), секции «Материаловедение» НТС Федерального космического агентства (Москва, 2006), IX и X Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» (Пермь, 2006, 2007), на XXIIV ежегодной международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком, Ялта, 2007), на Международной научно-технической конференции ШЛИКОМТРИБ-2007 (Гомель, 2007),. Диссертация в завершённом виде докладывалась и обсуждалась на научных семинарах кафедр механики композиционных материалов и конструкций (руководитель — профессор Ю. В. Соколкин, 2007, 2008 г. г.), динамики и прочности машин (руководитель — профессор Г. Л. Колмогоров, 2008 г.) Пермского государственного технического университета и НТС Уральского НИИ Композиционных материалов (2007, 2008 г. г.).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в трех статьях, пяти тезисах докладов, по теме диссертации получено два патента на изобретение и одна заявка на выдачу патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения и списка литературы. Работа включает 148 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 9 таблиц. Общий объем диссертации составляет 146 страниц. Библиография включает 91 наименование.

Основные результаты и выводы по главе.

1. Проведена классификация деталей и узлов из полимерных композиционных материалов для газотурбинных авиационных двигателей. Согласно данной классификации можно выделить три группы деталей:

— звукопоглощающие панели и кожуха, образующие канал газового тракта и представляющие собой коробчатые конструкции с перфорированными поверхностями;

— силовые панели и кожуха, представляющие собой коробчатые конструкции, которые выполняют в узлах роль силовых элементов;

— монослойные конструкции, выполняемые как единые силовые или соединительные элементы, оболочки и корпуса.

2. Для трех групп композитных деталей авиационных газотурбинных двигателей разработаны принципиальные конструкторско-технологические схемы, являющиеся научно обоснованным техническим документом, описывающим особенности конструирования и технологии изготовления деталей указанных групп, с учетом особенностей современного промышленного производства полимерных композиционных материалов.

3. На основе анализа накопленного опыта создания композитных деталей и узлов для авиадвигателя ПС-90 разработаны обоснованные технические требования для типовых технологических операций изготовления композитных деталей перспективных газотурбинных авиационных двигателей.

4. Научные и технические рекомендации, конструкторско-технологические схемы деталей из полимерных композиционных материалов для современных и перспективных газотурбинных авиадвигателей внедрены в практику опытного и серийного производства в Уральском НИИ композиционных материалов (г. Пермь).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные результаты исследований выполненных в диссертационной работе сводятся к следующему.

1. Даны научно обоснованные рекомендации поэтапного внедрения современных полимерных композиционных материалов в конструкцию перспективных газотурбинных авиационных двигателей ПС-90А, ПС-12 и ДЗОКУ-154. Предложена номенклатура деталей и узлов корпусных деталей обшивки авиадвигателей для первоочередной отработки и внедрения. Применение полимерных композиционных материалов обеспечивает снижение массы соответствующих деталей и узлов газотурбинных авиационных двигателей на 20−30%.

2. Разработаны научные основы применения полимерных композиционных материалов в элементах и узлах современных и перспективных авиационных газотурбинных двигателей. Выбраны типы армирующих наполнителей и полимерных матричных композиций для создания новых материалов, обладающих улучшенным комплексом свойств и удовлетворяющих требованиям к перспективным авиационным газотурбинным двигателям.

3. .Выбраны методики испытаний полимерных композиционных материалов, рекомендованных для использования в элементах и узлах авиационных двигателей, экспериментально определены значения физико-механических характеристик конкретных типов армированных стеклои углепластиков.

4. Предложены способ оценки требуемых механических характеристик рассматриваемых полимерных композиционных материалов с помощью современных моделей и методов механики композиционных материалов. Проведены расчеты и определен деформационные свойства и пределы прочности полимерных композиционных материалов при различных видах нагружения, в том числе поперечных, сдвиговых и комбинированных нагрузках. Сформирован расчетно-экспериментальный комплекс механических свойств полимерных композитов требуемый для последующего подтверждения прочности и ресурса композитных деталей.

5. Проведена классификация и разработаны принципиальные конструкторско-технологические схемы для трех групп материал — деталей авиационных газотурбинных двигателей из полимерных композиционных материалов. На основе анализа накопленного опыта создания композитных деталей и узлов для авиадвигателя ПС-90 приводятся обоснованные технические требования для типовых технологических операций изготовления композитных деталей перспективных газотурбинных авиационных двигателей.

6. С помощью оригинального программного комплекса проведены расчеты, определены запасы прочности и ресурса работы типичных композитных материал — деталей авиадвигателя. Показано, что наиболее нагруженными элементами композитных корпусных материал — деталей являются участки фланцевых соединений. Установлено, что применение полимерных композиционных материалов позволяет обеспечить требуемый запас статической и усталостной прочности проектируемых корпусных деталей.

7. Научные и технические рекомендации, конструкторско-технологические схему, методики расчета и проектирования материал — деталей из полимерных композиционных материалов для современных и перспективных газотурбинных авиадвигателей внедрены в практику опытного и серийного производства в Уральском НИИ композиционных материалов (г. Пермь).