Автореферат (Разработка методики проектирования замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском в перспективных газотурбинных двигателях летательных аппаратов), страница 3

где о — среднее значение прочности керамических образцов, полученное на призматических образцах при 3-х точечном изгибе; т — модуль Вейбулла; Г( ) — гамма-функция. Долговечность г керамических лопаток в результате медленного роста трещины под действием постоянного напряжения о определялась, как: 2'«о 'М1~~~а) "' ~2) А (и — 2) оп л К,с где А, и — параметры роста трещины, определяемые экспериментально с помощью методов динамической или статической усталости; Кю — вязкость разрушения; и, од — параметры распределения Вейбулла.

Необходимые характеристики длительной прочности принимались в соответствии со справочными данными. Проводилась оценка циклической долговечности диска Ж для цикла 0-МАХ-О по формуле Мэнсона: (3) 10 На основе выше описанной модели разработано специальное устройство 1Рис. 15). Данное устройство представляло собой модельное рабочее колесо, включающее в себя диск «!» с 4-мя пазами типа «ласточкин хвост» под керамические лопатки «7». Покрывные диски «3» с упорной гайкой «2» обеспечивали осевую фиксацию керамических лопаток. Фиксация покрывных дисков в окружном направлении осуществлялась посредством винтов «5». Фторопластовая проставка «6» обеспечивала контакт керамических лопаток с диском в начальный момент времени.

Для установки на разгонный стенд устройство предварительно собиралось со шпинделем тепловым методом. Паз профилировался при помощи разработанного кода, с минимизацией пластических деформаций в диске, Исследование проводилось на модельных лопатках из материала «К». Перед проведением испытаний проводилось численное моделирование раскрутки рабочего колеса. Благодаря оптимальной форме паза, металлический диск кратковременно сохраняет работоспособность до уровня растягивающих напряжений в керамических хвостовиках не менее 430 МПа.

По отношению к типовому режиму «Крейсер» может быть обеспечена перегрузка по уровню растягивающих напряжений в керамических хвостовиках и">2,3. В предыдущих работах двигателестроительных фирм отмечалась сложность обеспечения п*>1,3 из-за недостаточной прочности металлических дисков. Поэтому предложенная модель также пригодна для ресурсных испытаний с перегрузкой. ИОИЕРСННО~ СВНЕН11В ' ' ! НОЛВ'1ЬНО!! ,~",.*1~ЧОЙВТНН ! - МОЛЕЛВНЫ11 ЛИНН '" Гайка .'. - ПОН11ЫВНО11 ЛНСН -! - нннтроВИВ ~ - ВИНТ 6 - л13ОетВВнВ - молельная логатнн Рис.

15. Модельное рабочее колесо с керамическими лопатками Испытания проводились на раз го ни ом стенде с установленной приводной турбиной фирмы Тез| Оей сея 1пс в свинцовой камере. Проводилось два типа испытаний: (1) без проставок и (2) с медными проставками толщиной 0,1 мм между лопатками и диском. Моменты разрушения определялись по диаграммам изменения частоты вращения и виброперемещения демпферной опоры приводной турбины (Рис.

16). В первом случае разрушение произошло при частоте вращения 67784 об/мин, а во втором — при 64702 об/мин. Различие полученных разрушающих частот вращения, не превысило 5%, и объяснялось разбросом механических характеристик керамики. Расчетное значение разрушающей частоты вращения при уровне надежности 0,99 составило 64000 об/мин. Экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами расчетов.

80000 400 500 Я Е .00 150 Ъ 100 10000 00 Разрушение керамических лопаток происходило в области с максимальным растягивающим напряжением — радиус перехода от контактной грани лопатки к ножке. При отсутствии проставок разрушение происходило также и в области контакта, однако момент разрушения по диаграммам выявить не удалось. Разрушающая частота в области контакта составила 44600 об/мин и была определена теоретически: посредством сопоставления с критическими значениями напряжений смятия в образцах простой формы (экспериментальные данные из главы 2).

Отсюда следует целесообразность использования подобных проставок в области контакта металлического диска и керамических лопаток. 13 Я 00000 50000 ж ~~ ~0000 с. 50000 4 00000 00 50 40 50 00 В15емя. с Рис. 16. Результаты стендовых испьпаний ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1, Предложена комплексная методика проектирования замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском в перспективных газотурбинных двигателях летательных аппаратов, с учетом особенностей их теплового и механического контакта. Она включает в себя разработку параметризованной модели конструкции замкового соединения в среде Апзуз АР01, моделирование ее теплонапряженного состояния и оптимизацию по критериям прочности и массы. Данная методика универсальна и может быть использована при изменении формы узла соединения и применении керамик с улучшенными механическими характеристиками. При постановке исследования основное внимание было уделено конструкции соединения типа «ласточкин хвост», а для моделирования температурного и напряженно- деформированного состояния были выбраны два вида керамик: на основе карбида кремния, армированного алмазными частицами «К», и нз горячепрессованного нитрида кремния «Н», имеющих высокий уровень механических характеристик и отлаженную технологию производства.

2. Разработаны универсальные методики расчетно-экспериментального определения контактной прочности и контактной термической проводимости, применимые и для других те ил о нагруженных узлов соединения «керамика-металл» в аэрокосмической технике. 3. Впервые получены экспериментальные данные по контактной прочности и контактной термической проводимости в парах «К»-сталь ЭИ961ш», «Н»-сталь ЭИ961ш». 4. Определен конструктивный облик рабочего колеса турбины высокого давления с керамическими лопатками перспективного газотурбинного двигателя среднемагистрального самолета.

Результаты анализа теплонапряженного состояния его замкового соединения на трех типовых режимах («Взлет», «Крейсер», «Земной малый газ») показали, что для обеспечения прочности лопаток с уровнем надежности Я,=0,999999 керамика должна иметь предел прочности на изгиб не менее 800 МПа при модуле Вейбулла более 20, контактная прочность должна быть не менее 170 МПа. 5. Теоретически обоснована конструкция модельного рабочего колеса для определения несущей способности замкового соединения керамических лопаток на режимах нагружения, соответствующих эксплуатационным, а также разработана методика ее стендовых испытаний.

Экспериментально подтверждена эффективность применения промежуточных проставок в области контакта металлического диска и керамических лопаток. Предложенная конструкция модельного рабочего колеса также пригодна для ресурсных испытаний с перегрузкой и для испытаний по отбраковке керамических лопаток с низкими характеристиками. 14 Направлениями дальнейших исследований могут быть: совершенствование моделей исчерпания долговечности керамических лопаток, обусловленной ростом трещин от исходных дефектов, ползучестью, окислением и деградацией свойств материала; обеспечение прочности при вибрационном и ударном воздействии на керамические лопатки; определение рациональных параметров замковых соединений композиционных керамических лопаток с металлическим диском.

Труды по теме диссертации: 1. Резник С.В., Сапронов Д.В. Проектирование замкового соединения керамических лопаток и металлического диска в рабочем колесе газовой турбины // Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов: Сб. тезисов докл. Международной научнотехнич. конф. Обнинск: ОНПП «Технология», 2013. С. 25. (0,1 п.л./0,07 п.л.) 2. Резник С.В., Сапронов Д.В. Исследование статической прочности замкового соединения керамической лопатки и металлического диска газовой турбины // Известия высших учебных заведений.

Машиностроение. 2014. №4. С. 3-10. (0,5 п.л./0,3 п.л.) 3. Резник С.В., Сапронов Д.В. Проектирование замкового соединения керамической лопатки и металлического диска газовой турбины // Известия Высших учебных заведений. Машиностроение: 2014. №9. С. 29-38. (0,7 п.л./0,4 п.л.) 4. Резник С.В., Сапронов Д.В. Проектирование рабочего колеса газовой турбины с использованием керамических лопаток // Вестник СГАУ, 2014.

№5(47). С. 222-229. (0,5 п.л./0,3 п.л.) 5. Кекп1!с ЯХ., Ргозцптзо~ РХ., Баргопоъ ЮХ. Вея8п о( 1Ье А|гсгай Оаз ТигЬ1пе Еп81пе Когог %Ьее! ыгЬ Сегаппс В!ас!ез // Ргосеейп8з о(' %по-Кцзяап Бутрозшт оп АсЬапсес! Магепа1з апд Ргосезяпд ТесЬпо!о8у. 2014. Р. 43. (0,1 п.л./0,04 п.л.) 6.Кезп|с1с 8Х., Ргозцп1зоч РХ., Яаргопо~ ВХ. 1пт~езП8аноп о(' а сега1шс ъапе ачгп а тега! сЫс тЬеппа! апд тесЬап|са! соп1ас1 ш а 8аз шгЬ1пе ппре11ег // ТЬе Епгореап РЬуяса! 1оцгпа! ЖеЬ оТ Соп(егепсея 2015. Ъ'о1.

82, 01034. (%/Р). (0,5 п.л./0,3 п.л.) 7. Сапронов Д.В. Исследование кратковременной прочности замковых соединений керамических лопаток и металлических дисков рабочих колес газовых турбин // Новые решения и технологии в газотурбостроении: Сб. тезисов докл. Всероссийской научно-технич. конф. молодых ученых и специалистов. М.: ЦИАМ, 2015. С. 266-267. (0,2 п.л./0,2 п.л.) 8. Лепешкин А.Р., Каримбаев К.Д., Сапронов Д,В. Численное исследование влияния теплопроводности на тепловое состояние рабочих лопаток авиационных двигателей с учетом эксплуатационных факторов // Авиадвигатели ХХ1 века: Сб.

тезисов докл. Всероссийской научно-технич. конф. М,: ЦИАМ, 2015. С. 76-77. (0,2 п.л./0,07 п.л.) 9. Сапро нов Д.В., Мезенцев М.А.„Серветник А.Н. Расчетно- экспериментальное исследование кратковременной прочности замковых соединений керамических лопаток и металлических дисков рабочих колес газовых турбин // Авиадвигатели ХХ1 века: Сб.

тезисов докл. Всероссийской научно-технич. конф. М.: ЦИАМ, 2015. С. 599-б00. (0,2 п.л./0,05 п.л,) 1О. хартоно~ 1Э.У., Ргозпп1зо~ Р,У., Кекпй ЯХ. хоай-Саггу1пя СараЬ11йу Апа1уз1з о1 йе Саз ТпгЬ1пе Егпрпе Оо~ега11 Соппес11оп Вегжееп Сегапйс В1ас1ез апс1 Косог %Ъее1 // Ргосеейпаз оК Адъапсед Сотроз11ез апд Ма1ег1а1з ТесЬпо1орез 1ог Агдиопз Арр11сайопз, 2015.

Р.19-20. (0,2 п.л./0,09 п.л.) 11. Исследование теплонапряженного состояния замкового соединения керамических лопаток и металлического диска турбины по полетному циклу перспективного летательного аппарата / А,С. Базунов, А,А. Лаврухин, С,В. Резник, Д.В. Сапронов // Сб. тезисов докл. Х1.1 Академических чтений по космонавтике. М.: МГТУ им. Н.З. Баумана, 2017. С. 47. (О,! п.л./0,05 п.л.) 12. Модель для исследования замковых соединений керамических лопаток газотурбинного двигателя; пат.

155239 Рос, Федерация 2015: МКП 001М13/00 / Авторы и заявители Сапронов Д,В., Серветник А.Н.; патентообладатель ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова». (0,9 п.л./0,7 п.л.) .