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

отзыв официального оппонента Белоусова Анатолия Ивановича о диссертационной работе Сапронова Дмитрия Владимировича «Разработка методики проектирования замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском в перспективных газотурбинных двигателях летательных аппаратов», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.03— «Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов» Актуальность теми рецензируемой диссертации заключается в том, что для повышения технического совершенства авиационных газотурбинных двигателей (АГТД) постоянно разрабатываются новые материалы, но из-за специфических свойств их возникают многие проблемы, в том числе и проектирования, особенно при использовании их в одном из самых напряженных по прочностным и тепловым режимам структурного элемента АГТД вЂ” в рабочих лопатках турбин.

Создание АГТД вЂ” совокупность длительных и сложных этапов. Всего пять стран обладают технологической и кадровой возможностями создания в полном объеме авиационных двигателей разных типов и назначения — это Россия, США, Англия, Франция и Китай. Программы развития авиационной техники направлены на повышение безопасности полетов, экономичности и улучшение экологических характеристик. Для улучшения параметров экономичности и экологичности АГТД необходимо повышать температуру газа перед турбиной и применять рабочие лопатки турбин из материалов, способных выдерживать температуру более 1600 'С. Конструкционная и композиционная виды керамики считаются одними из наиболее перспективных материалов для газогенераторов АГТД. При разработке конструкций рабочих колес с керамическими лопатками встает вопрос о способе соединения лопаток с диском: диссертант анализирует три варианта.

Одним из них является создание цельнокерамического ротора, вторым — создание ротора, в котором диск и лопатки выполнены из двух разнородных керамических материалов, сопрягаемых посредством специальных технологических операций, третьим — создание сборной конструкции из металлического диска и керамических лопаток. Опыт ведущих двигателестроительных фирм даже при создании малоразмерных турбомашин показал наибольшую эффективность последнего варианта. Но при этом возникают проблемы, связанные с особенностями теплового и механического контактов хрупких керамических лопаток с металлическим диском, особенно для размерностей мощных АГТД, например, для аэробусов.

Отклонения геометрии и шероховатость контактирующих поверхностей хвостовика лопатки и диска приводят к особенностям локальных концентрации напряжений и теплообмена, разогреву и последующему разрушению (прочностному отказу конструкции) из-за хрупкости керамики. При отсутствии охлаждения керамических лопаток необходимо исследование вопросов теплопередачи в зоне контакта их с металлическим диском. Актуальность диссертации Сапронова Д В.

видится в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований процессов механического и теплового контактов керамических лопаток с металлическим диском обоснован выбор оптимальной формы замкового соединения, обеспечивающей его пр очно стную надежность в условиях многорежимности работы АГТД. Степень обоснованности научных положений, выводов, рекомендаций сформулированных в диссертации, отметим при анализе ее содержания, включающего введение, четыре главы с выводами по каждой из них, заключение, список источников и приложение.

Заранее подчеркнем, что степень обоснованности научных положений диссертации достаточна. Работа изложена на 156 страницах, содержит 119 рисунков и 38 таблиц. Во введении обоснована актуальность темы, представлены новизна ' и практическая значимость, определены объект и предмет исследования, сформулирована цель, приведены задачи диссертации и характеристика методов исследования, а также описание структуры и содержания работы. К сожалению, во введении допущены неточности. Задачи исследования формулируются не во введении (где приводятся для общей характеристики работы), а в гл.

1 (подробнее — см. анализ гл. 1). Объект исследования (познания) — это происходящие в техническом объекте процессы, определяющие суть и характеристики его. Объект исследования может совпадать с техническим объектом, например, в случае структурного анализа последнего, но не в теме рецензируемой диссертации. Первая глава посвящена обзору современного состояния проблемы проектирования рабочих колес турбин с использованием керамических лопаток. В гл, 1 описаны международные программы по созданию керамических элементов АГТД, приведены свойства керамики, рассмотрены методы расчета на прочность металлических дисков, проведен литературный обзор по данным о термической проводимости зоны контакта твердых тел из разнородных материалов.

Важно, что соискатель выделил ряд важнейших задач обеспечения прочностной надежности керамических изделий: создание моделей исчерпания долговечности керамических деталей, обусловленной ростом трещин от исходных дефектов, ползучестью, окислением и деградацией свойств материалов; изучение особенностей контактного взаимодействия керамических и металлических деталей, в том числе учет контактного теплообмена; обеспечение прочности при вибрационном и ударном воздействиях на керамические детали; улучшение контроля качества и отбраковки керамических изделий.

Назначение гл.1 — в рамках сформулированной во введении цели диссертации провести анализ современного состояния объекта исследования с учетом особенностей предмета исследования для выявления и формулирования наиболее актуальных задач исследования. Итак, задачи исследования формулируются как выводы гл.1, но приводятся в «Общей характеристике работы» вводной части автореферата, поэтому в заключении гл. 1 следовало бы отметигь, что при подведении итогов анализа состояния проблемы сформулированы задачи исследования, приведенные во введении. На рис.1.2 желательно иметь данные по всем отечественным двигателям гражданской авиации разных поколений. Во второй главе автор разрабатывает модели теплового и механического контактов керамических и металлических деталей. При анализе напряженного состояния в замковом соединении диссертант делает допущение о несущественном влиянии растягивающих и изгибающих нагрузок и минимальном коэффициенте трения в области локального контакта лопатки и диска, после чего проводит анало- гию с напряженным состоянием в задаче о вдавливании штампа в упругое полупространство.

Это позволило ему для оценки контактной прочности соединения «ме- талл-керамика» предложить модель, состоящую из штампов с круговым основанием. Но это допущение может быть грубым при наличии касательных напряжений в контакте, поэтому желательно было бы выявить критерии этого допущения.

Диссертант разрабатывает специальную оснастку для передачи сжимающего усилия и центровки модели, экспериментально исследует контакт стальных образцов (ЭИ961ш) с керамическими (на основе горячепрессованного нитрида кремния и карбида кремния, армированного алмазными частицами, с двумя значениями шероховатостей обработки контактных поверхностей). Фракто граф ические исследования контактных поверхностей керамических образцов до и после испытаний показали существенное влияние локальной концентрации напряжений, обусловленной особенностями микрогеометрии.

Для исследования теплового контакта автор предложил использовать ту же модель из штампов с круговым основанием и расчетно-экспериментальную методику определения контактной термической проводимости в паре «металл- керамика» на основе решения обратной задачи теплопроводности. Но целесообразно было бы при анализе теплового контакта «керамика-металл» использовать критерии подобия и установить их значения, при которых можно пользоваться более простыми одномерными вида (2.12) или двумерными моделями по сравнению с численными конечно-элементными. Непонятно также, почему тепловая модель имеет ограничение 800 С, если используемый материал ЭИ961ш имеет ограничение еще ниже.

В третьей главе автор предлагает методику проектирования оптимального замкового соединения керамических лопаток и металлического диска. Методика содержит следующие этапы: выбор конструктивной схемы замкового соединения; разработка параметризованной модели конструкции в среде Апзуз с использованием встроенного языка программирования АРФ.; построение КЭ-модели сектора рабочего колеса под одну лопатку; моделирование теплоонапряженного состояния рабочего колеса; оптимизация формы замкового соединения. Диссертант исследовал теплонапряженное состояние замкового соединения керамических лопаток с металлическим диском АГТД средне- магистрального самолета.

Обоснованы требования к характеристикам керамики для обеспечения прочностной надежности 0,999999 керамических лопаток рабочего колеса АГТД рассматриваемого типа самолета. Желательно указать, как проверяется и подтверждается такой уровень надежности замкового соединения лопатки с удлиненной ножкой. В четвертой ачаве автор экспериментально исследует несущую способность замкового соединения керамических лопаток с металлическим диском на эксплуатационных режимах нагружения.

Предложено использовать уменьшенную модель при обеспечении одинакового уровня напряжений смятия в реальной конструкции и опытной модели и сохранении геометрического подобия замкового соединения. В этом ценность предложения: получен патент на полезную модель. К сожалению, при сопоставлении теоретических и экспериментальных данных в гл, 4 отсутствуют сведения о погрешностях экспериментов, а при решении задачи о раскрутке ротора предел длительной прочности принят независящим от частоты вращения, хотя повышение ее связано с увеличением температуры газа, поступающего в реальную турбину. Общие выводы и заключение по диссертации включают четыре пункта в диссертации и пять в автореферате.