Автореферат (Разработка методики проектирования замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском в перспективных газотурбинных двигателях летательных аппаратов)

На правах рукописи САПРОНОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИ.РОВАНИЯ ЗАМКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ КЕРАМИЧЕСКИХ ЛОПАТОК С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ДИСКОМ В ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Специальность 05.07.03 — Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва, 2017 Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет им. Н.Э.

Баумана (национальный исследовательский университет)» Научный руководитель Резник Сергей Васильевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Ракетно-космические композитные конструкции» ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет) Быков Леонид Владимирович кандидат технических наук, доцент кафедры 204 «Авиационно-космическая теплотехника» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» Ведущая организация: Акционерное общество «Обнинское научнопроизводственное предприятие «Технология» имени А.Г. Ромашина» Защита состоится «» 2017 г.

в часов на заседании диссертационного совета Д 2! 2.141.22 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, ауд. 407, корп. СМ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им.

Н.Э. Баумана и на сайте Ьпь|и.ги. Автореферат разослан «» 2017 г. Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просьба направлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. МГТУ им. Н.Э. Баумана, диссертационный совет Д 212.141.22 Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент Луценко А.1О. Официальные оппоненты: Белоусов Анатолий Иванович доктор технических наук, профессор кафедры «Конструкции и проектирование двигателей летательных аппаратов» ФГАОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования.

К ключевым направлениям развития газотурбинных двигателей летательных аппаратов относятся: повышение экономичности, увеличение полного назначенного ресурса, снижение эмиссии вредных веществ и уровня шума. В качестве первостепенных показателей эффективности двигателя как тепловой машины можно выделить удельную работу и эффективный К.П.Д. Для их улучшения необходимо повышать температуру газа перед турбиной. Эта задача не может быть решена без использования рабочих лопаток турбин из новых жаропрочных материалов, способных работать при температурах до 1б00 'С, например, керамических, Основной неблагоприятный фактор при создании керамических деталей — хрупкость материала.

По данным ведущих разработчиков характеристики современных керамических материалов недостаточны для обеспечения прочности цельного ротора турбины. Более реальной задачей представляется создание сборной конструкции из металлического диска и керамических лопаток. Среди главных проблем создания рабочих колес с керамическими лопатками можно выделить проблему прочности замкового соединения. Выбор оптимальной формы замкового соединения, исследование механического и теплового контакта металлического диска и керамических лопаток являются актуальными научными задачами.

Цель диссертационной работы — определение рациональных параметров замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском в перспективных газотурбинных двигателях летательных аппаратов с учетом особенностей их теплового и механического контакта. Основные задачи диссертационной работып 1. Разработать модели механического и теплового контакта металлических и керамических деталей, методики оценки контактной прочности и определения контактной термической проводимости в системе «керамика-металл». 2. Построить параметризованную модель высокого уровня рабочего колеса турбины перспективного газотурбинного двигателя летательного аппарата и исследовать с ее помощью теплонапряженное состояние замкового соединения керамических лопаток типа «ласточкин хвост» по полетному циклу. 3. Теоретически обосновать конструкцию модельного рабочего колеса и провести его стендовые испытания для определения несущей способности замкового соединения керамических лопаток на режимах нагружения, соответствующих эксплуатационным.

Объект исследований — замковое соединение керамических лопаток с металлическим диском в рабочем колесе турбины перспективного газотурбинного двигателя летательного аппарата. Предмет исследований — модели теплового и механического контакта керамических и металлических деталей, параметризованная модель рабочего колеса турбины перспективного газотурбинного двигателя летательного аппарата. Методология исследования основана на совокупности численных и экспериментальных методов исследования механических и теплофизических характеристик контактных пар «металл-керамика», анализе теплового и напряженно-деформированного состояния замкового соединения керамических лопаток с металлическим диском в рабочем колесе турбины перспективного газотурбинного двигателя летательного аппарата.

Научная новизна: 1. Впервые разработаны модели теплового и механического контакта керамических и металлических деталей, учитывающие характер эксплуатационных нагрузок в замковых соединениях турбин перспективных газотурбинных двигателей летательных аппаратов. 2. Впервые получены экспериментальные данные по контактной прочности, значения термической проводимости при уровне температур до 500 "С и контактных давлений — до 250 МПа для пар «сталь ЭИ961шкерамика на основе нитрида кремния» и «сталь ЭИ9б1ш-керамика на основе карбида кремния». 3, Построена параметризованная модель высокого уровня рабочего колеса турбины перспективного газотурбинного двигателя летательного аппарата и с ее помощью исследовано тепло напряженное состояние замкового соединения керамических лопаток типа «ласточкин хвост» по полетному циклу. Практическая значимость: 1.

Разработаны новые методики расчетно-экспериментального определения контактной прочности и контактной термической проводимости для пар «металл-керамика». 2. Создано программное обеспечение для проектирования замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском типа «ласточкин хвост» в рабочих колесах турбин перспективных газотурбинных двигателей летательных аппаратов. 3. Теоретически обоснована и испытана на стенде конструкция модельного рабочего колеса, универсально пригодного для экспериментальной проверки несущей способности замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском на режимах нагружения, соответствующих эксплуатационным.

Результаты, выносимые иа защиту: 1. Методики расчетно-экспериментального определения контактной прочности и контактного термического сопротивления для замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском, полученные экспериментальные данные. 2.

Модели и программное обеспечение для проектирования замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском типа «ласточкин хвост» в рабочих колесах турбин перспективных газотурбинных двигателей летательных аппаратов. 3. Технические решения, относящиеся к конструкции модельного рабочего колеса, методика его стендовых испытаний и результаты экспериментального определения несущей способности замкового соединения керамических лопаток. 4. Рекомендации по выбору формы, размеров замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском, теплофизическим и механическим характеристикам керамических материалов лопаток перспективных газотурбинных двигателей летательных аппаратов.

Рекомендации по внедрению: Результаты данной работы могут быть использованы при проектировании перспективных конструкций турбин с использованием керамических лопаток, а также в учебном процессе кафедры ракетнокосмических композитных конструкций МГТУ им.

Н,Э. Баумана. Предложенная методика передана во ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова». Степень достоверности: подтверждается использованием математических моделей, основанных на фундаментальных законах механики и теплофизики, высоким уровнем метрологического обеспечения экспериментальных исследований, сравнением с результатами других авторов, а также хорошим согласием теоретических и экспериментальных данных, полученных при стендовых испытаниях модельного рабочего колеса с керамическими лопатками. Личный вклад автора заключается в создании программного обеспечения для проектирования рабочих колес турбин перспективных газотурбинных двигателей летательных аппаратов различной размерности с замковым соединением керамических лопаток в среде Апзуз АРВЕ и проведении расчетных исследований, в разработке и реализации методик расчетно-экспериментального определения контактной прочности и термической проводимости для пар «металл-керамика», в подготовке, проведении и анализе результатов стендовых испытаний модельной конструкции рабочего колеса с керамическими лопатками.

Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались на ряде научных конференций: «Прочность конструкций ЛА» (г. Жуковский, Московская обл., 2012), ХХ Международная научно-техническая конференция «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов» (г. Обнинск, Калужская обл., 2013), ЯпоКизз1ап Бушроз1шп оп АсЬапсед Ма1ег1а1з апс1 Ргосезяпд ТесЬпо1опу Щшр1ао, 3 С)п1па, 2014), Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, 2014), Всероссийская научно-техническая конференция «Авиадвигатели 21 века» (г. Москва, 2015), Роцгй 1п1егпа11опа1 СоЫегепсе оп А<1 чапсе<1 Сотроя1ез ап<1 Ма1ег1а1з Темпо!орез 1ог Агс1иоиз Арр11сайопз (%гехЬат, 13К, 2015), ХЫ Академические чтения по космонавтике (Королевские) (г.Москва, 2017), а также на научных семинарах в МГТУ им.

Н.З. Баумана, ФГУП с<ЦИАМ им. П.И. Баранова» и АО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина» (2014-2017). Публикации: По тематике диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, 4 из которых в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, и один патент на полезную модель (общий объем 4,2 п.л.). Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа представлена на 15б страницах основного текста, включающего 119 рисунков, 38 таблиц, список литературы из 159 наименований и приложение.