close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

- РГАТА

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Крундаева Анастасия Николаевна
РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА УДЕРЖАНИЯ
ОБОРВАВШЕЙСЯ ЛОПАТКИ ГТД КОМБИНИРОВАННЫМ
КОРПУСОМ С НАМОТКОЙ ИЗ НЕПРОПИТАННЫХ
АРАМИДНЫХ НИТЕЙ
05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных
аппаратов
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Рыбинск – 2014
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении
высшего
профессионального
образования
«Рыбинский
государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева»
Научный руководитель:
доктор технических наук, Шмотин Юрий Николаевич
Официальные оппоненты:
Каримбаев Тельман Джамалдинович, доктор технических наук, профессор, ФГУП
«Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова»,
заведующий отделением композиционных материалов
Бадамшин Ильдар Хайдарович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ
ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»,
профессор кафедры «Авиационные двигатели»
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «МАТИ – Российский государственный
университет им. К. Э. Циолковского» (МАТИ), г. Москва
технологический
Защита состоится «17» сентября 2014 г. в 12.00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.210.01 в федеральном государственном
бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального
образования
«Рыбинский
государственный
авиационный
технический
университет имени П. А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославская
область, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-234.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте федерального
государственного
бюджетного
образовательного
учреждения
высшего
профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный
технический университет имени П. А. Соловьева», http://www.rsatu.ru/.
Автореферат разослан «16» июля 2014 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Б.М. Конюхов
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одной из возможных аварий ГТД является обрыв
лопатки вентилятора (разрушение компрессора), что приводит к соударению
оборвавшейся лопатки с корпусом двигателя.
В соответствии с нормами летной годности Российской Федерации
АП-33, американскими национальными нормами FAR-33, европейскими нормами
CS-E при проектировании корпусов роторов вентилятора, компрессора, турбины
должна обеспечиваться локализация повреждений вследствие разрушения
рабочей лопатки. Вторичные явления, возникающие при разрушении лопатки, не
должны приводить к отказам с опасными последствиям АП-33.75, CS-E 510.
Кинематика удара (размер фрагмента, его ориентация, скорость удара и пр.)
связана со многими факторами, предшествующими этому событию. В частности,
траектория движения зависит от размеров и формы оборвавшегося фрагмента,
условий его взаимодействия с другими элементами конструкции и т. д. Процесс
предсказания последствий от обрыва лопатки неизбежно требует серьезных
исследований возможных сценариев ударов, разрушения пера лопатки и
выявления наиболее тяжелого варианта нагружения конструкции корпуса и, как
следствие, проектирование толстостенных корпусов.
В то же время, современное двигателестроение нацелено на создание
газотурбинных двигателей с минимально возможной массой, которая является
одним из интегральных показателей, аналогом материальных затрат на создание и
эксплуатацию самолета.
Для поиска оптимальных по массе и удовлетворяющих требованиям норм
летной годности по непробиваемости корпусов применяются программные
комплексы, позволяющие путем изменения геометрических параметров создавать
корпус, удовлетворяющий условию непробиваемости и минимальной массы.
Еще одним способом уменьшения массы и повышения надежности корпуса
ГТД является использование современных конструкционных материалов.
Внедрение намотки из непропитанных арамидных нитей в конструкцию корпуса
позволяет создать комбинированный корпус, удовлетворяющий требованиям по
прочности и массе. Основное назначение намотки из непропитанных арамидных
нитей: при минимально возможной массе корпуса недопущение поражения
фюзеляжа самолета оборвавшимися в результате аварии фрагментами лопатки.
Бронепакеты из ткани достаточно широко используются в защитных
системах при баллистических воздействиях обломков или снарядов. Эти системы
весьма рентабельны также для решения, например, задачи локализации осколков
двигателя при обрыве лопатки, т.к. волокна обладают высокой удельной
прочностью на единицу веса. Более того, производство подобных защитных
систем является относительно недорогим по сравнению с традиционными
металлическими конструкциями. С этой точки зрения разработка и использование
4
комбинированных корпусов весьма перспективно. Однако, для сокращения
сроков и снижения ресурсов при создании таких систем необходимо иметь
верифицированную
конечно-элементную
методику
моделирования
деформирования материала.
В Российской Федерации необходимость решения данной задачи
обозначена федеральными целевыми программами, в частности федеральной
целевой программой «Развитие гражданской авиационной техники России на
2002 – 2010 года и на период до 2015 года», в рамках которой и выполнялась
работа.
Для решения задачи удержания оборвавшейся лопатки комбинированным
корпусом необходимо в первую очередь создать конечно-элементную модель
намотки. Существующие в настоящее время методы не обеспечивают
необходимую точность расчетов. В связи с этим является актуальной тема
диссертационной работы, посвященная разработке нового, более точного метода
расчета удержания оборвавшейся лопатки ГТД комбинированным корпусом.
Работа
выполнена
на
кафедре
«Авиационные
двигатели»
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования «Рыбинский государственный
авиационный технический университет имени имени П.А. Соловьева» и в
открытом акционерном обществе «Научно-производственное объединение
«Сатурн» (ОАО «НПО «Сатурн»).
Цель диссертационной работы. Разработать метод расчета удержания
комбинированным корпусом оборвавшейся лопатки ГТД, состоящим из
непропитанных арамидных нитей и металлической основы, на базе конечноэлементного кода LS-DYNA, выполнить верификацию созданной модели на
основе натурных экспериментов.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе
решены следующие задачи:
1. Разработана конечно-элементная модель намотки комбинированного
корпуса из непропитанных арамидных нитей. Выполнена верификация созданной
модели намотки из непропитанных арамидных нитей в составе комбинированного
корпуса.
2.Спроектировано и создано устройство, для проведения экспериментов по
определению свойств непропитанных арамидных нитей. Проведена серия
экспериментов по определению свойств непропитанных арамидных нитей и
тканей.
3. Проведены испытания по определению характера взаимодействия
имитатора лопатки ГТД и непропитанной арамидной намотки имитатора
комбинированного
корпуса.
По
результатам
испытаний
определена
удерживающая способность намотки из непропитанной арамидной нити при
5
ударе фрагментами аварийно оторвавшейся лопатки вентилятора.
4. Выполнено сравнение по массе и по удерживающей способности
комбинированного корпуса с металлическим корпусом, спроектированным в ОАО
«НПО «Сатурн», позволяющее сделать заключение: комбинированный корпус не
уступает металлическому корпусу в удерживающей способности и имеет
меньшую массу.
Метод исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи
решены с использованием метода «конечных» элементов – численный метод
решения дифференциальных уравнений физики деформируемого твердого тела,
широко используемый в различных областях техники.
Достоверность и обоснованность результатов работы достигается:
1. Использованием фундаментальных законов сохранения массы, импульса
и энергии;
2.
Применением
коммерческого
программного
комплекса,
верифицированного на основе экспериментальных данных и апробированного в
ОКБ-1 ОАО «НПО «Сатурн» в процессе проектирования корпусов ГТД
различного назначения;
3. Согласованием расчетных данных с результатами натурных
экспериментов.
На защиту выносятся:
1. Конечно-элементная модель описания поведения намотки из
непропитанных арамидных нитей при взаимодействии с оборвавшейся лопаткой
вентилятора.
2. Метод расчета удержания оборвавшейся лопатки комбинированным
корпусом, позволяющий прогнозировать поведение комбинированного корпуса.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
1. Разработана конечно-элементная модель намотки комбинированного
корпуса ГТД из непропитанных арамидных нитей на основе shell элементов с
использованием конечно-элементного кода LS-DYNA. Модель создана с учетом
свойств, полученных в ходе экспериментов и верифицирована по результатам
прямых испытаний.
2. Спроектировано и изготовлено экспериментальное устройство для
определения свойств непропитанных арамидных нитей, с использованием
которого выполнены эксперименты по определению динамических свойств нитей,
получены значения максимальных усилий на разрыв нити.
3. Экспериментально подтверждена возможность обеспечения требований
норм летной годности в части удержания фрагмента аварийно оторвавшейся
лопатки компрессора ГТД имитатором комбинированного корпуса.
Практическая ценность состоит в разработке метода расчета
комбинированных корпусов, повышающего точность прогнозирования
6
конструкции корпуса и позволяющего минимизировать объем дорогостоящих
экспериментальных
исследований,
необходимых
для
подтверждения
работоспособности комбинированного корпуса при обрыве лопатки ГТД.
Реализация результатов. Метод расчета удержания оборвавшейся лопатки
ГТД комбинированным корпусом применяется в ОАО «НПО «Сатурн» для
проектирования комбинированных корпусов современных авиационных ГТД.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались
на V всероссийской научно-технической конференции молодых специалистов,
ОАО «УФПО» (республика Башкортостан г. Уфа, 2011г.), всероссийском
конкурсе «Двигатели XXI века» (салон МАКС г. Москва, август 2011г.),
международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО
«КУЗНЕЦОВ» и 70-летию СГАУ (г. Самара, 2012г.), 12-ой Международной
конференции «Авиация и космонавтика – 2013» (г. Москва, 12 -15 ноября 2013г.),
международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы
развития двигателестроения» (г. Самара, 2014г.), зарубежной конференции ASME
Turbo Expo 2014
Публикации. Основное содержание работы отражено в 15-и печатных
работах, в том числе в 4-х статьях, опубликованных в изданиях, входящих в
перечень ВАК и 1-ой зарубежной статье, опубликованой в зарубежной
литературе, входящей в базу данных «Scopus».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести
глав, выводов, приложения изложенных на 137 листе машинописного текста и
списка использованных источников из 127 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цели
исследования, приведены основные научные положения и результаты, выносимые
на защиту.
В первой главе описаны два общепринятых подхода к решению задачи
удержания лопаток: использование «мягкостенных» корпусов вентилятора из
металла с добавлением по кругу сухого арамидного волокна. Конструкция такого
типа обеспечивает прохождение лопатки через металлическую основу, в которой
происходит ее захват и удержание внутри наружной оболочки из арамидного
волокна. Второй подход – использование «жесткостенных» корпусов
вентилятора, полностью состоящих из металла, которые удерживают лопатку за
счет увеличения толщины корпуса в месте удара.
Приведен обзор современных непропитанных арамидных нитей, выполнено
сравнение их свойств. Наилучшие показатели у отечественной арамидной нити
Руслан-Н.
Описаны возможные варианты применения намотки из арамидных нитей и
тканей в современных системах локализации осколков. Представлены результаты
7
экспериментов по удержанию лопатки комбинированным корпусом двигателя
AS907 научно-исследовательского центра NASA.
Рассмотрены особенности взаимодействия осколков с непропитанными
арамидными тканями на основе работ Ся Ю. и Ван Ю. Определена главная задача
при проектировании бронезащитных материалов: достижение эффекта
подключения максимального числа элементов конструкции к рассеиванию
энергии ударника (пули, осколка).
Подробно рассмотрен процесс удержания поражающего элемента
бронепакетом. Анализируя исследовательские работы Каримбаева Т.Д. можно
сделать вывод, что прочностные характеристики армирующих волокон при
растяжении значительно выше, чем при сдвиге, поэтому необходимо создать
условия для протягивания нити вслед за поражающим элементом без
сопротивления соседних вплетенных нитей. В то же время, количество
необходимых для удержания слоев ткани увеличивается с уменьшением длины
вытаскиваемой нити, которая ограничена вплетенными соседними волокнами. В
ткани работают только длинные нити в окружном направлении, а
перпендикулярные им короткие нити создают преграду для вытяжки нитей. В
свободно намотанных на металлическую основу нитях таких ограничений нет, в
намотке из нитей нагрузка распределяется по всей длине нити. Основываясь на
сделанные выводы, предложен вариант комбинированного корпуса с намоткой из
непропитанных полимерных арамидных нитей несвязанных в тканевый пакет.
Выполнен обзор известных методик моделирования непропитанных
арамидных нитей и тканей. На первых этапах проектирования корпусов, толщина
намотки определяется по одномерным методикам моделирования. Наиболее
известной является работа Баженова С.Л. Однако, одномерные методы
моделирования не позволяют в полной мере отразить всю физику взаимодействия
намотки и поражающего элемента. Поэтому при расчете комбинированных
корпусов большое внимание уделяют пространственным методам моделирования
намотки из непропитанных арамидных нитей и ткани.
В первой главе подробно рассмотрены возможности моделирования
методом конечных элементов. Использование в расчетах конечно-элементной
модели непропитанных арамидных нитей и ткани является более дорогостоящим
средством в вычислительном отношении по сравнению с одномерными моделями,
но она позволяет детально увидеть распространения деформации и напряжения в
элементах намотки.
Проанализировав известные способы моделирования нитей и тканей,
принято решение разработать метод моделирования намотки из непропитанных
арамидных нитей, который будет основан на достоинствах известных способов
моделирования и исключит их недостатки и сможет учесть дискретность
структуры намотки нитей.
8
Во второй главе описаны экспериментальные исследования прочностных
характеристик непропитанных арамидных нитей марки Руслан-Н, образующих
защитный слой в конструкции комбинированного корпуса ГТД и представлены
результаты.
Основные цели, которые преследовались при проведении испытаний на
получение статических свойств нитей Руслан-Н:
•
отработка методики проведения испытаний на растяжение арамидных
нитей Руслан-Н с использованием видеоэкстензометра, при нормальной и
повышенной температуре;
•
получение значений максимальной нагрузки, максимальной удельной
нагрузки и относительного удлинения при разрыве для всех образцов при
различных температурах проведения испытаний.
Для определения динамического поведения материалов спроектировано и
изготовлено экспериментальное устройство (рисунок 1), принцип работы
которого заключается в следующем: устройство устанавливается и закрепляется
на стенде, обеспечивающем разгон стержня-ударника с заданными габаритномассовыми характеристиками до заранее определенных скоростей. В качестве
разгонного стенда применяется пневматический взрывной ударный стенд
«Ствол-30С», скорость вылета ударника фиксируется акселерометром.
а)
б)
Рисунок 1 – Устройство для определения динамических свойств нити
а) фрагмент корпуса испытательной оснастки, б) установка на стенде
С использованием этой оснастки выполнена серия экспериментов и
получены основные данные динамической прочности нити. Динамическое усилие
разрыва нитей оценивалось по формуле (1):
9
N дин. разр =
1
⋅ E ⋅ ε 11 max ⋅ Fпер ,
n
(1)
где: n – число нитей в одном пучке;
E – модуль упругости стальной измерительной перемычки [Па];
ε 11 max – максимальная деформация сжатия перемычки;
2
Fпер – площадь поперечного сечения перемычки [мм ];
N дин. разр – полученный в опыте 2 уровень динамического усилия разрыва
нити [Н].
Снять показания кривых деформирования на разработанной установке не
удалось. Поэтому, для понимания динамического поведения материалов был
проведен анализ экспериментальных данных известных исследований
деформирования непропитанных арамидных нитей. В результате проделанной
работы найдены кривые деформирования для непропитанных арамидных нитей
Кевлар 49, импортного производства. Зарубежными учеными проведены
исследования влияния скорости деформации волокон Кевлара 49 до скорости
деформации 1350 с-1. Кривые деформирования непропитанных арамидных нитей
представлены на рисунке 2.
Химическая природа полимеров Кевлар 49 и Руслан-Н одинакова, они оба
П-арамиды, свойства нитей Кевлар 49 близки со свойствами Руслан-Н
(см. таблицу 1). Поэтому для проведения динамических расчетов намотки из
непропитанных арамидных нитей Руслан-Н в дальнейшем использовались кривые
деформирования нитей из Кевлар 49.
Рисунок 2 –Кривые деформирования Кевлар 49
10
Таблица 1 – Сравнение свойств Кевлар 49 и Руслан-Н
Марка материала
(страна, фирма)
Руслан-Н (Россия,
ВНИИПВ)
Кевлар-49 (США,
Дюпон)
Плотность,
кг/м3
Прочность при
растяжении,
МПа
Модуль
упругости,
ГПа
Удлинение
при
разрыве, %
Химическая
природа
полимера
1450
5000 – 5500
140 – 142
3,5 – 4,5
П-арамид
1440
4800
140
3,6
П-арамид
В третьей главе представлен расчет удержания оборвавшейся лопатки ГТД
титановым корпусом. Выполнено описание физики процесса взаимодействия
оборвавшейся лопатки вентилятора с цельнометаллическим корпусом,
определено поведение лопатки в характерные моменты времени, а так же
критические места на поверхности корпуса.
В рамках этого расчета предложено два варианта моделирования
начального
напряженно-деформированного
состояния
конструкции
от
приложения объёмной силы, соответствующей центробежной, обусловленной
действием угловой скорости. И разработан алгоритм моделирования процесса
развития трещины. Однако, результаты расчётов развития трещины на примере
ступени вентилятора двигателя SaM-146 показали, что в процессе развития
трещины в лопатке НДС соседних лопаток и диска практически не изменяется.
Учитывая данный факт, при решении дальнейших задач в целях экономии
времени используется модель мгновенного отрыва лопатки.
На основании выполненного анализа напряженно-деформированного
состояния корпуса и обзора литературы в главе 1 принято решение разработать
новую конструкцию корпуса, которая обеспечивает локализацию фрагментов
лопатки при ее аварийном обрыве с учетом фрагментации и имеет значительно
меньшую массу по сравнению с металлическим корпусом.
Основу комбинированного корпуса составляет металлическое кольцо,
основная функция которого: описать форму проточной части двигателя и
увеличить площадь контакта оборвавшейся части лопатки со вторым слоем
материала. Второй слой бронезащиты изготавливается из материала,
обладающего
высокими
демпфирующими
и
энергопоглощающими
характеристиками (рисунок 3). Его предназначение состоит в том, чтобы
поглотить энергию оборвавшихся фрагментов лопатки.
Рисунок 3 – Продольный разрез комбинированного корпуса
11
В результате проведенного анализа в главе 2 решено сделать
энергопоглощающий слой из непропитанных арамидных нитей типа
Руслан – Н, а металлическую основу из хорошо изученного титанового сплава
ВТ-6.
Принцип работы комбинированного корпуса заключается в следующем:
лопатка вентилятора обрывается, затем контактирует с соседними лопатками и
корпусом. Металлическая основа корпуса частично разрушается. Фрагмент
лопатки взаимодействует через металлическую часть корпуса с намотанными
нитками, которые поглощают основную часть энергии удара и удерживают
фрагмент лопатки за счет вытягивания и трения друг о друга.
Для дальнейшего проектирования корпуса при использовании полученных
свойств непропитанных арамидных нитей (глава 2), с учетом законов поведения
изотропных неоднородных материалов, разработан новый подход моделирования
намотки из нитей: создана модель из лент, которая описывает механизм
поведения пучков нитей. Нити намотки моделируются в виде спирально навитой
ленты с заданной шириной и толщиной (рисунок 4). Для создания геометрии
намотки разработан макрос, позволяющий строить намотку в виде лент с
различными параметрами: ширина ленты, смещение между витками, число
витков, число элементов на один виток намотки и др.
Рисунок 4 – Нити намотки в виде спирально навитой ленты
Ленты намотки моделируются shell элементами с опцией формулировки
мембранного элемента Белычко-Цая. Толщина shell элемента подбиралась при
верификации расчетов. Контроль искажения формы элементов основывается на
формулировке Фланаган-Белычко, а так же контролируется введением в расчет
дополнительных точек интегрирования в shell элементы. Расчет динамического
нагружения модели намотки проводится в программном продукте LS-DYNA. Для
описания поведения лент непропитанных арамидных нитей используется модель
материала *MAT_PLASTICITY_COMPRESSION_TENSION.
Модуль упругости нити в продольном направлении Еx=1,4·1011 Па,
12
коэффициент Пуассона µxy=0,3; плотность нити ρ=1440 кг/м3. Для обеспечения
устойчивого решения модули упругости материала нити в поперечном и
сдвиговом направлениях задавались на два порядка меньше модуля упругости в
продольном направлении, коэффициенты Пуассона µzx, µzy вычислены из
соотношений теории ортотропной упругости. При проведении расчетов
учитывается разрушение ленты при достижении максимальной главной
деформацией ε1 величины относительного удлинения нити на разрыв δ.
В конечно-элементной модели намотки ленты имеют относительную
свободу перемещения и возможность вытягивания с учетом сухого трения.
Контакт
между
лентами
намотки
задается
командой
*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE _TO_SURFACE с коэффициентом сухого
трения 0,4, характерным для арамидных нитей.
В четвертой главе для верификации модели намотки из непропитанных
арамидных нитей и модели комбинированного корпуса проведены исследование
на испытательном стенде с использованием имитатора комбинированного
корпуса (рисунок 5).
а)
б)
Рисунок 5 – Замена комбинированного корпуса имитатором
а) двигатель с комбинированным корпусом , б) имитатор комбинированного корпуса
Все нагрузки и ограничения максимально приближены к условиям на
двигателе. Поражающий элемент (ударник) максимально повторяет параметры
лопатки двигателя. Экспериментальные исследования проводились с
использованием пневмовзрывного стенда ВУС «Ствол-230 БПВ». Перечень и
результаты проведенных опытов представлен в таблице 2. По результатам
измерений экспериментов получена качественная информация обмеров:
показания датчиков радиоинтерферометра, кинограммы видеосъемки, значения
скоростей вылета имитатора лопатки из стенда «Ствол-230 БПВ».
Исходя из результатов экспериментов, проводимых практически при
одинаковой скорости имитатора лопатки, имеем: намотка из арамидных нитей
толщиной 8 мм пробивается, а намотка из арамидных нитей толщиной 16 мм не
пробивается. Но при наличии имитатора корпуса (металлической пластины)
13
комбинированный корпус удерживает имитатор
непропитанной арамидной намотки 8 мм.
Таблица 2 – Результаты экспериментов
Номер
эксперимента
1
2
3
Конструкция имитатора
комбинированного корпуса
непропитанная арамидная
намотка толщиной 8мм
непропитанная арамидная
намотка толщиной 16мм
Металлическая подложка +
непропитанная арамидная
намотка толщиной 8мм
лопатки
при
толщине
Результат
Скорость ударника при
подлете, м/с
пробитие
270
непробитие
320
непробитие
≈320
В пятой главе разработана модель имитатора комбинированного корпуса,
выполнен расчет всех вариантов экспериментов с намоткой в составе имитатора
комбинированного корпуса (рисунок 6).
t=0.0 мс
t=0.2 мс
t=0.4 мс
t=0.8 мс
t=1.0 мс
t=1.3 мс
t=1.5 мс
t=1.7 мс
t=1.9 мс
Рисунок 6 – Взаимодействие ударника и намотки толщиной 16 мм (вид сбоку)
14
Выполнена верификация физико-математической модели намотки из
непропитанных арамидных нитей с использованием результатов экспериментов
главы 4 (рисунок 7).
а) расчет
б) результаты эксперимента
Рисунок 7 – Расчетное и экспериментальное конечное состояние намотки в опыте 1
Сравнительный анализ результатов расчетов и экспериментов показывает,
что разработанная расчетная схема и предложенная технология численного
моделирования с использованием данных по динамическим свойствам арамидной
нити позволяет получить результаты, качественно (пробитие или не пробитие
намотки) согласующиеся с полученными экспериментальными данными.
В шестой главе с использованием верифицированной модели намотки из
непропитанных арамидных нитей в составе комбинированного корпуса
представлена методика расчета разработанной конструкции комбинированного
корпуса.
Из результатов расчета видно, что металлическая основа комбинированного
корпуса не в состоянии удержать оборвавшуюся лопатку. Удержание лопатки
происходит за счет непропитанной арамидной намотки. Часть нитей разрывается,
а остальные не позволяют лопатке вылететь наружу.
Анализ поведения намотки на металлической основе во времени
показывает, что вытягивание и интенсивное трение нитей происходит в моменты
ударов лопатки и ее фрагментов. Импульс, полученный от удара лопатки,
распределяется по всей длине намотки. Это обеспечивает эффективное
использование намотанных непропитанных нитей для удержания лопатки и ее
фрагментов.
В рамках работы выполнено сравнение по массе комбинированного корпуса
с металлическим корпусом, спроектированным в ОАО «НПО «Сатурн».
Комбинированный корпус, удовлетворяющий условию удержания лопатки,
на 24 % легче металлического корпуса.
15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В диссертации разработан метод расчета удержания комбинированным
корпусом оборвавшейся лопатки ГТД, состоящим из непропитанных арамидных
нитей и металлической основы, на базе конечно-элементного кода LS-DYNA.
Предложенный метод расчета позволяет сократить сроки проектирования
комбинированных корпусов с намоткой из непропитанных арамидных нитей на
~20%, исключить риски принятия неверного конструктивного решения по облику
корпуса и месту расположения намотки на корпусе.
2. Для наполнения модели намотки свойствами проведена серия испытаний
на растяжение арамидных нитей Руслан-Н с использованием универсальной
испытательной система Instron 5882. По результатам экспериментов получены
значения максимальной нагрузки до разрыва нити: 148,09±2,40 Н; максимальной
удельной нагрузки до разрыва нити: 2,52±0,04 Н/текс; относительного удлинения
при разрыве нити: 3,03± 0,06 %, а так же построена зависимость удельной
нагрузки Ру, действующей на нить во время растяжения, от деформации ε
арамидной нити. Спроектировано и создано устройство для определения
динамических свойств арамидных нитей. С использованием этой установки
проведена серия экспериментов по определению свойств непропитанных
арамидных нитей: определены значения максимальных усилий на разрыв нити.
3. Для верификации конечно-элементной модели намотки и доказательства
стойкости намотки из непропитанных арамидных нитей к пробитию фрагментами
аварийно оторвавшейся лопатки вентилятора проведены испытания по
определению характера взаимодействия имитатора лопатки массой Мфр=1.13 кг и
непропитанной арамидной намотки имитатора комбинированного корпуса
диаметром 966 мм. По результатам экспериментов, проводимых при скорости
полета имитатора лопатки 330 м/с, установлено, что минимальная толщина
намотки из непропитанных арамидных нитей Руслан-Н должна быть не
меньше 8 мм.
4. Предложенный вариант комбинированного корпуса следует использовать
в конструкции двигателя для снижения его массы, так как спроектированный
комбинированный корпус получился легче металлического корпуса, такого же
диаметра, на 24 %.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Крундаева, А.Н. Оптимизация корпусов ГТД по массе с обеспечением
требований удержания оборвавшейся лопатки [Текст] / А.Н. Крундаева,
Д.В. Габов, А.Ю. Маралев // Вестник СГАУ. – 2012. – № 3 (34) Часть 1. –
С. 109-115;
16
2. Крундаева, А.Н. Разработка облегченной конструкции корпуса вентилятора
авиационного двигателя [Текст] / А.Н. Крундаева // Вестник УГАТУ. – 2013. – T.
17, № 1 (54). – С. 27-32;
3. Крундаева, А.Н. Использование непропитанных полимерных арамидных
материалов в конструкции корпусов [Текст] / А.Н. Крундаева, Ю.Н. Шмотин //
Вестник РГАТУ. – 2013. – № 3 (26). – С. 17-23;
4. Крундаева, А.Н. Разработка конструкции комбинированного корпуса и расчет
его динамической прочности в случае обрыва лопатки ротора вентилятора [Текст]
/ А.Н. Крундаева, Ю.Н. Шмотин // электронный журнал «Труды МАИ». – 2014. –
№ 73. – С. 27-33;
В других изданиях:
5. Krundaeva, Anastasia N. Experimental and numerical investigation of nonimpregnated aramid fibers and winding for combined fan case [Текст] / Anastasia N.
Krundaeva, Yury N. Shmotin, Roman A. Didenko, Dmitry V. Karelin // ASME Turbo
Expo 2014, Dusseldorf, Germany, June 16-20. – 2014. – С. 230-238;
6. Крундаева, А.Н. Разгонный отсек стенда для ударных испытаний
/ Крундаева А.Н. Диденко Р.А. Ботвинкин А.К. // Решение о выдаче патента от
10.06.14г. – заявка №2014118996;
7. Крундаева, А.Н. «Комбинированный корпус компрессора газотурбинного
двигателя» / Крундаева А.Н. Шмотин Ю.Н. Старков Р.Ю. Диденко Р.А.
Улитичев Г.А. Габов Д.В. Иевлев Д.Г. // заявлена 08.05.2014. – заявка №
2014118798.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа