Прочность композиционной лопатки компрессора газотурбинного двигателя тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

НУСРАТУЛЛИН Эдуард Марсович

ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИЦИОННОЙ ЛОПАТКИ КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Специальность 01.02.06 -Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005043812

1 ' МАЙ 2012

Уфа-2012

005043812

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре сопротивления материалов

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент

Павлов Виктор Павлович,

профессор кафедры сопротивления материалов Уфимского государственного авиационного технического университета

доктор технических наук, профессор Жарин Денис Евгеньевич, заведующий кафедрой композитных материалов и технологий Камской государственной инженерно-экономической академии

доктор физико-математических наук, профессор

Грешное Владимир Михайлович,

заведующий кафедрой теоретической механики Уфимского государственного авиационного технического университета

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ОАО «НПП «Мотор», г.Уфа

Защита диссертации состоится «31» мая 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г.Уфа, ул. К.Маркса, 12, УГАТУ, актовый зал 1-го корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан «28» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, проф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Создание современных газотурбинных двигателей (ГТД) характеризуется заменой в ряде деталей традиционных конструкционных материалов (сталей и титановых сплавов) на современные композиционные материалы (КМ), имеющие более высокие удельные прочность и жесткость. Такие работы проводят все ведущие двигателестроительные фирмы мира (General Electric, Pratt and Whitney, CFM International и др.). Исследованиями в этой области в нашей стране занимаются ФГУП ЦИАМ, ФГУП ВИАМ, ОАО «НПП «Мотор», ОАО «Пермский моторный завод» и др. В настоящее время одним из основных направлений по применению КМ в газотурбинных двигателях является создание лопатки из углепластика, лопатки из титанового сплава, армированного волокнами карбида кремния, лопатки составной конструкции и лопатки из КМ на металлической матрице.

В ОАО «НПП «Мотор» создана рабочая лопатка первой ступени компрессора ГТД на основе магниевой матрицы, армированной борными и углеродными волокнами.

При создании работоспособной лопатки из КМ одним из важнейших направлений является максимальное снижение напряжений в местах перехода от пера лопатки к ее хвостовику и в угловых точках на боковых гранях хвостовика, где и происходит разрушение лопатки из традициошгых материалов. В отличие от однородных материалов в лопатке из КМ напряжения в опасных зонах можно снижать не только за счет геометрической формы лопатки, но и за счет выбора рациональной схемы ее армирования. Эффективность этого подхода до настоящего времени в лопатках ГТД детально еще никто не анализировал, хотя это может дать весьма заметный положительный эффект.

Для реализации такой возможности необходима методика расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) лопатки из КМ с учетом его реальной структуры. При создании такой методики необходимо решить ряд актуальных научных задач: разработать методику экспериментального определения упругих и прочностных характеристик композицио1шых материалов; разработать методику расчета коэффициентов жесткости композитов при различных схемах армирования с одним или двумя видами армирующих волокон; разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния лопатки из КМ с определением напряжений в матрице и армирующих волокнах и выбрать наиболее рациональную схему армирования с наименьшими напряжениями в наиболее опасных точках лопатки. Решение указанных задач является в настоящее время весьма актуальным, обладающим существенной новизной и имеющим важное практическое значение.

Целью работы является разработка методики расчета на прочность ком-позициошюй лопатки компрессора газотурбинного двигателя.

Исходя из цели работы, для ее реализации были поставлены и решены следующие задачи:

1) Разработка методики расчета на прочность композиционной лопатки компрессора газотурбинного двигателя, позволяющей рассчитывать напряжения в матрице и армирующих волокнах.

2) Создание расчетной модели для определения эффективных характеристик жесткости гибридного композиционного материала на основе магниевой матрицы, армированной углеродными и борными волокнами, включающей формирование представительного элемента гибридного композита, построение конечно-элементной модели композита, реализацию расчета и анализ точности получаемых результатов.

3) Экспериментальное изучение упругих и прочностных свойств композиционного материала на основе магниевой матрицы, армированной углеродными волокнами.

4) Проведение конечно-элементного анализа напряженного состояния хвостовика лопатки компрессора ГТД в форме «ласточкин хвост» при различных схемах армирования, анализ влияния схем армирования на напряжения в компонентах КМ и разработка рекомендаций по выбору направлений укладки волокон, обеспечивающих наивысшую прочность лопатки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Разработана методика расчета на прочность лопатки компрессора газотурбинного двигателя из гибридного композиционного материала, отличающаяся тем, что позволяет определять напряжения в матричном материале и в армирующих волокнах, оценивать по ним прочность лопатки и, рассматривая различные схемы армирования, выбирать из них вариант, обеспечивающий минимизацию напряжений в наиболее опасных точках лопатки.

2) Разработана расчетная модель для определения эффективных характеристик жесткости гибридного композиционного материала на основе магниевой матрицы, армированной углеродными и борными волокнами, включающая формирование представительного элемента гибридного композита, построение конечно-элементной модели композита, реализацию расчета в рамках пакета АЫБУЗ и анализ точности получаемых результатов.

3) Экспериментально исследованы упругие и прочностные свойства композиционного материала на основе армирующих углеродных волокон и магниевой матрицы, применяемого в лопатках компрессора газотурбинного двигателя; выявлены причины разрушения образцов вблизи захватов при испытании на растяжение и доказано, что равномерное приложение нагрузки к образцу существенно снижает концентрацию напряжений вблизи захватов.

Методы исследований основаны на использовании:

• соотношений теории упругости анизотропного тела и механики композиционных материалов;

• методик испытаний и экспериментального оборудования, позволяющего определять характеристики композитов при различных схемах нагружения;

• метода конечных элементов, реализуемого в программе АМБУЗ.

Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на фундаментальных положениях, современных экспериментальных и численных методах механики деформируемого твердого тела и подтверждается:

• использованием классических уравнений теории упругости анизотропных

тел, механики композиционных материалов и применением современных

компьютерных программных продуктов;

• сопоставлением численных решений с результатами соответствующих

экспериментальных исследований.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1) Разработанная методика позволяет выполнять многовариантные расчеты на прочность хвостовика лопатки из гибридного композиционного материала при различных направлениях укладки армирующих волокон. На её основе рассмотрен ряд схем армирования композиционной лопатки и выявлено, что в перьевой части лопатки, работающей в основном на растяжение, целесообразно армирование углеродными волокнами, а в хвостовике целесообразно применять гибридный композиционный материал, в котором наряду с углеродными волокнами перпендикулярно к боковым граням хвостовика укладываются борные волокна. При этом существенно снижается концентрация напряжений в зоне перехода от пера к хвостовику и в угловых точках на боковых гранях хвостовика. Так в существующей лопатке борные волокна уложены перпендикулярно к оси пера лопатки, а переход к схеме с борными волокнами, перпендикулярными к боковой грани хвостовика, позволяет снизить напряжения в матричном материале в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику на 20%, а в угловой точке на боковой грани на 70%.

2) Проведены экспериментальные исследования упругих и прочностных характеристик углеродомагния и армирующей его углеродной нити, которые показали их перспективность для применения в лопатках компрессора.

Реализация результатов работы

Данная работа выполнялась в период с 2006 по 2012 год в лаборатории композиционных материалов ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре «Сопротивление материалов».

Результаты работы внедрены в ОАО «НПП «Мотор» при проектировании лопатки из композиционного материала, в ФГБОУ ВПО УГАТУ в виде разделов курсов лекций «Механика композиционных материалов» и «Сопротивление материалов».

Автор выносит па защиту:

1) Методику расчета на прочность лопатки компрессора газотурбинного двигателя из гибридного композиционного материала, отличающуюся тем, что позволяет определять напряжения в матричном материале и в армирующих волокнах, оценивать по ним прочность лопатки и, рассматривая различные схемы армирования, выбирать из них вариант, обеспечивающий минимизацию напряжений в наиболее опасных точках лопатки.

2) Расчетную модель для определения эффективных характеристик жесткости гибридного композиционного материала на основе магниевой матрицы,

армированной углеродными и борными волокнами, включающую формирование представительного элемента гибридного композита, построение конечно-элементной модели композита, реализацию расчета в рамках пакета ANSYS и анализ точности получаемых результатов.

3) Результаты экспериментального исследования упругих и прочностных свойств композиционного материала на основе армирующих углеродных волокон и магниевой матрицы, применяемого в лопатках компрессора газотурбинного двигателя; объяснение причины разрушения образцов вблизи захватов при испытании на растяжение и доказательство того, что равномерное приложение нагрузки к образцу существенно снижает концентрацию напряжений вблизи захватов.

4) Результаты расчетов напряжений и коэффициентов запасов прочности в компонентах гибридного композиционного материала хвостовика лопатки компрессора при различных схемах армирования и рекомендации по направлению укладки волокон, обеспечивающих наивысшую прочность лопатки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийской школе-конференции для аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании» (г.Уфа, 2008), на Всероссийских молодежных научных конференциях «Мавлютовские чтения» (г.Уфа, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011), Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения» (г.Уфа, 2011), 2-ой региональной зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых "Актуальные проблемы в науке и технике" (г.Уфа, 2007), Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г.Самара, 2008), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (г.Москва, 2008), Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «X Королевские чтения» ( г.Самара, 2009), VIII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодежь и современные информационные технологии» (г.Томск, 2010), 6-ой Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых (с международным участием) «Актуальные проблемы науки и техники» (г.Уфа, 2011), XXXVII Гагаринских чтениях (г.Москва, 2011), Всероссийской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы современного дви-гателестроения» (г.Уфа, 2011).

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 18 печатных работах в том числе в 4-х статьях, в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов, списка литературы. Содержит 154 страницы машинописного текста, включающего 160 рисунков и библиографический список из 88 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, направления исследований и основные научные положения, выносимые на защиту, научная новизна, достоверность и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе дана общая характеристика исследований по разработке, расчету и внедрению лопаток компрессоров ГТД из композиционных материалов. Показана высокая конкурентоспособность легких лопаток, выполненных с широким применением композиционных материалов. Отмечено, что в настоящее время разрабатывается ряд направлений по применению композиционных лопаток: изготовление лопаток из углепластиков, применение для лопаток титановых сплавов, армированных непрерывными керновыми волокнами карбида кремния, создание лопаток составной конструкции и изготовление лопаток по технологии вакуумно-компрессионной литейной пропитки армирующего угле-родо-борного каркаса, обеспечивающей получение качественных деталей.

Исследования данной диссертации ориентированы на изучение напряженно-деформированного состояния лопатки из гибридного композиционного материала, разрабатываемой в ОАО «НПП «Мотор». В связи с этим в первой главе проведен анализ и обзор отечественной и зарубежной литературы по данной тематике. Приведены физико-механические свойства углеродных и борных волокон, металлической матрицы на основе магниевого сплава. Рассмотрены технологии изготовления КМ на основе углеродных и борных волокон. Рассмотрены вопросы физико-химического взаимодействия углеродных и борных волокон с магниевой матрицей.

Выполненный обзор показал, что в настоящее время существует необходимость в разработке методики расчета НДС лопаток из гибридного композиционного материала и в разработке на основе результатов расчетов рекомендаций по рациональному армированию лопаток, обеспечивающему снижение возникающих в лопатках максимальных напряжений, а, следовательно, и увеличение их ресурса. Это позволяет считать исследования данной диссертации весьма актуальными.

Во второй главе решаются три основные задачи:

• экспериментально изучаются характеристики упругости и прочности композиционного материала на основе углеродных армирующих волокон и матрицы из сплава МЛ-10;

• разрабатывается методика уточнения результатов численных расчетов НДС образцов из КМ;

• на основе анализа НДС образцов при растяжении выявляются причины наблюдающегося в эксперименте разрушения образцов из углеродомагния не в рабочей части, а вблизи захватов.

Внутренняя структура углеродомагния, армированного углеродными волокнами, представлена на рис. 1, а нить из углеродных волокон - на рис. 2.

Рисунок 1 - Структура композита Рисунок 2 - Углеродные волокна

Из рис. 1 видно, что в изучаемом композите имеются пустоты, не заполненные матричным материалом. Из рис. 2. видно, что нити представляют собой пучок волокон круглого поперечного сечения с диаметром с1 ~ 10 мкм.

Для прогнозирования прочности углеродомагния необходимо знать предел прочности применяемой углеродной нити. Углеродная нить состоит из большого количества волокон, которые трудно нагрузить одновременно, и поэтому определение прочности нити и ее волокон - сложная экспериментальная задача. Предварительной пропиткой нити клеем БФ-2 и применением специальных захватов удалось в какой-то мере приблизиться к одновременному на-гружению всех волокон и получить оценку предела прочности материала углеродной нити: о11Ч «1440... 1700 МПа.

Для экспериментального определения коэффициента армирования изучаемого КМ разработана методика, где для выделения углеродных волокон образцы из КМ для растворения магния помещались в азотную кислоту. Далее выполнялось фильтрование и сушка в сушильном шкафу ШС-0,25-60. Материал образцов до и после удаления матрицы взвешивался на высокоточных весах лабораторных В Л-210. Среднее значение коэффициента армирования у = 0,28.

При растяжении образцов в форме лопаток, представленных на рисунке 3, разрушение происходило не в рабочей зоне, а вблизи захватов. После того, как ширина образцов в узкой части была уменьшена в три раза, по сравнению с иной в зоне захватов, образцы разрушались в зауженной части (рис. 4).

Рисунок 3 - Разрушение вблизи захватов Рисунок 4 - Разрушение а рабочей часта На основе метода конечных элементов с использованием пакета АЫБУБ было проанализировано напряженно-деформированное состояние в образцах из углеродомагния при растяжении.

Выяснилось, что основной причиной разрушения образцов не в зауженной рабочей части, а в более широкой части является высокая концентрация напряжений вблизи захватов, которая во многом определяется способом приложения внешних нагрузок к образцу со стороны захватов.

Так на рис. 5 показано поле напряжений на поверхности образца при задании одинаковых перемещений точек в зоне захватов, а на рис. 6 - при равномерном по площади захватов задании сил, действующих на образец.

Рисунок 5 - Поле напряжений при задании Рисунок 6 - Поле напряжений при равномер-одинаковых в зоне захватов перемещений ном распределении нагрузки в зоне захватов На рис. 7 и 8 показаны графики изменения напряжений на поверхности образца вдоль его длины. Рисунок 7 соответствует рис. 5, а рисунок 8 - рис. 6.

О 0005 0.01 0015 о.ог 0026 от с

0 04 . С Ы5 0 05

Рисунок 7 - Изменение напряжений вдоль длины образца при задании одинаковых в зоне захватов перемещений

Рисунок 8 - Изменение напряжений вдоль длины образца при равномерном распределении нагрузки в зоне захватов

Из сопоставления рис. 7 и рис. 8 видно, что при задании равномерной нагрузки, передающейся от захватов к образцу (рис. 8), напряжения в зоне концентрации существенно меньше по сравнению со случаем задания одинаковых перемещений в зоне захватов (рис.7). Из этого следует вывод, что созданием специальных захватов можно решить проблему концентрации напряжений вблизи захватов и проводить испытания на стандартных образцах.

Такой же эффект может проявиться в зоне перехода от пера к хвостовику лопатки компрессора, изготовляемой из КМ. Снизить его можно выбором рациональной схемы армирования хвостовика лопатки, обеспечив равномерное распределение нагрузки, передаваемой от перьевой части лопатки через хвостовик к диску.

Модули упругости и пределы прочности определялись в условиях растяжения и изгиба плоских образцов. Проведенные эксперименты показали, что при растяжении вдоль армирования образцов из углеродомагния модуль упругости принимает значение Ер = 172 ГПа при коэффициенте вариации

со£ =45%. Предел прочности принимал значение стпчр =394МПа при коэффициенте вариации свпр = 35%.

В работе проведено исследование предела прочности ати при трехточечном изгибе плоских образцов из однонаправленного углеродомагния и выяснилось, что предел прочности при изгибе стпчи = 367 МПа близок к пределу прочности при растяжении, и при этом так же наблюдается значительный разброс экспериментальных результатов (при коэффициенте вариации шстн= 29%).

Значительный разброс экспериментальных значений модулей упругости и пределов прочности объясняется: вырезкой образцов не строго вдоль армирующих волокон, не достаточно качественной пропиткой массива армирующих волокон магниевой матрицей, разбросом коэффициентов армирования КМ и направлений армирующих волокон даже в пределах одной плиты. Учитывая это, целесообразно ориентироваться на более высокие значения модуля упругости и предела прочности, так как они получаются при испытании более качественных образцов из КМ.

В ряде экспериментов предел прочности атр и модуль упругости £р

определялись на одних и тех же образцах. Это позволило построить зависимость предела прочности от модуля упругости (рис. 9), показывающую, что с ростом модуля упругости возрастает предел прочности.

от модуля упругости

Результаты численных расчетов зависят от размерности сетки. При этом возникает задача нахождения решения, наиболее близкого к точному, и оценки точности получаемых приближенных результатов расчетов.

Для оценки точности результатов расчета выбиралась математическая модель погрешности в виде:

гп=г + схпк +5(л), (1)

где 2 - точное значение; гл - приближенный результат, полученный при числе узловых точек, равном п; с, - коэффициент, который предполагается не зависящим от числа узлов п; к - неизвестный порядок точности метода; 8(п) -величина, полагаемая малой по сравнению со значением величины с1п'к при тех значениях п, которые использовались в данных конкретных расчетах.

Для определения параметров г, к я с1 модели по1решности (1) в работе использован метод наименьших квадратов.

Рисунок 9 - Зависимость предела прочности

В третьей главе создается расчетная модель для математического моделирования эффективных характеристик жесткости гибридного композиционного материала с применением программного комплекса АКБУБ. Данная задача актуальна при расчетах конструкций на прочность и жесткость, когда неоднородный гибридный композиционный материал заменяют эквивалентным ему однородным анизотропным материалом.

Сформирован представительный элемент трехкомпонентного гибридного композиционного материала, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда с одним борным волокном диаметром <1в «ЮОмкм и четырнадцатью прямыми углеродными волокнами - й?с ¡«Юмкм (рис. 10).

На рис. 10 в ГКМ борное волокно перпендикулярно к углеродным. В этом случае эквивалентный материал является ортотропным. В общем случае слой с борными волокнами повернут относительно оси Z на некоторый угол ср и эквивалентному материалу присуща общая степень анизотропии, при которой связь между напряжениями

определяется ше-

(2)

Углеродное волокно

Рисунок 10 - Модель гибридного материала

(Уг,хху,ху2,1Х2 и деформациями ех, £у, вг, у^, у^, у стью соотношениями:

= Еи*х +ЕиЪу+ЕПЪг +ЕиУху+Е15Ууг+Е1бУхг> ° у = Ег£х + Егг*у + + ЕиУ*у + ЕгъУ>* + ЕгбУх*>

+ £338г + Е^Уху + -Ё35Ууг + -^збУ хг » *ху = Е*\Ъх + ЕП Ъу + £436* +Е4аУхУ+ЕкУУ* +Е4бУк>

= Е51вх + Е52^у+Е53ех + Е5\У ху + Е5$У уг + Е5бУ хг> ^ хт = ЕбРх + Е62*у + Е63^х + ЕвлУ ху + Е65 У ух + Е6бУхх-

Коэффициенты жесткости Е1 р г, у = 1,..., 6 закона Гука (2) определяются на основе шести математических экспериментов, в каждом из которых только одна из компонент деформации задается отличной от нуля.

Так в первом эксперименте задается ех ^ 0, гу =е2 =уху =УХ2 =0.

Средствами ЛКБУБ на гранях ГКМ при заданных деформациях представительного объема рассчитываются осредненные напряжения ст^', ст^при подстановке которых в уравнения системы (2) определяется часть из коэффициентов жесткости:

Е2]=о^/Ех

Е31=^/ех

Аналогично определяются остальные коэффициенты жесткости из (2). Также в третьей главе разработана методика оценки прочности композиционного материала по напряжениям, возникающим в его компонентах. Так гибридный композиционный материал рассматривается состоящим из двух видов слоев: слой углеродомагния и слой боромагния. В каждом слое при расчете конструкции определяются деформации гх,ву,уху в главных осях X, У. Затем

на их основе рассчитываются деформации г'х, Еу, у' относительно осей X', У

локальной ортогональной координатной системы, ось X' которой направлена вдоль армирующих волокон каждого из слоев.

Далее при известных эффективных упругих характеристиках слоя композита Е'х, Е'у, у'^,, у'^, С^ на основе закона Гука рассчитываются осредненные

напряжения а'х,а'у, т' относительно локальной координатной системы Х'У.

После этого при известных характеристиках упругости армирующих волокон Ев,чд и матрицы Ек,ум определяются напряжения: в армирующих волокнах

а®, сг®, т^, и в матрице о", а", т^. По величине этих напряжений рассчитываются коэффициенты запаса прочности в каждой из компонент композита.

В четвертой главе приведены результаты конечно-элементного анализа напряженного состояния корневой части лопатки компрессора ГТД в форме «ласточкин хвост» при различных схемах армирования и сформулированы на их основе рекомендации по рациональной схеме укладки волокон.

Для оценки напряжений в хвостовике вначале решалась контактная задача с учетом податливости диска. На рис. 11,12 показаны напряжения по Мизе-су в материале хвостовика и диска при схеме армирования 3 (рис. 13). Расчеты проводились при различных значениях коэффициента трения между боковыми

Рисунок 11 - Напряжения в лопатке и диске Рисунок 12 - Напряжения в хвостовике

Для детального изучения влияния схемы армирования на прочность хвостовика лопатки, имеющей форму «ласточкин хвост», создана специализированная программа, позволяющая проводить многовариантные расчеты при различных размерностях сетки и схемах армирования (рис. 13... 15). Расчеты проведены при одинаковых средних напряжениях а<уср) = 100 МПа, действующих в сечении В5С5 перьевой части лопатки (рис. 13... 15). В варианте на рис. 13 углеродные волокна направлялись вдоль пера лопатки, а борные волокна перпендикулярны к углеродным волокнам. В варианте на рис. 14 углеродные волокна

Рисунок 13 - Борные волокна Рисунок 14 - Борные волокна Рисунок 15 - Борные волок-перпендикулярны к углерод- перпендикулярны к боковой на перпендикулярны к боко-ным волокнам грани хвостовика, а углерод- вой грани, а углеродные во-

жде волокна вдоль оси У локна отклонены от оси У

Зависимости напряжений в углеродных и борных волокнах от схемы армирования представлены на рис. 16 и 17.

Максимальные нлпряжямия по Мизвсу а углеродных вопохнах Максимальные напряжения по Миаосу в Сорных волокнах

при коподвижной посадке при неподвижной посадка

° щвисимос1и от армирования при розничных радиусах перехода в зависимости от схемы армирования при розничных радиусах перехода

3.5 4 4.5 5 5.6 в Номер схвмы армировании

Рисунок 16 - Напряжения в углеродных во- Рисунок 17 - Напряжения в борных волокнах локнах

Зависимости напряжений от радиуса перехода и от схемы армирования в магниевой матрице представлены на рис. 18 и 19.

Из рисунков 16... 19 видно, что снизить напряжения в переходной зоне можно не только за счет увеличения радиуса перехода, но и за счет выбора схемы армирования.

Максимальные напряжения по Мизосу в магниевой матрица

в зоне лереюда от пора хвостовику при неподвижной посадке э зависимости от радиуса перехода при различных схемах армирования

450-г--->-■-,----1— , , .

Максимальные напряжения по Мигвсу в матиееой матрице в зоне перехода от пера хвостовику при неподвижной посадив зависимости от схемы армирования при различных радиусах перехода

Схвма I Схема 2 Схвма 3 Схвма 5 Схвма 7

Радиус переходной зоны R. мм

Рисунок 18 - Напряжения в зависимости от радиуса перехода R

Номер иены армировании

Рисунок 19 - Напряжения в зависимости от схемы армирования

направлены вдоль оси пера лопатки, а борные волокна перпендикулярны к боковым граням хвостовика. В варианте на рис. 15 углеродные волокна отклонены от оси У, а борные волокна перпендикулярны к боковым граням.

На рис. 20 и 21 показаны поля напряжений в зоне перехода пера лопатки в хвостовик. Видно, что напряжения в неармированном хвостовике (рис. 20) равны 200 МПа, а в случае армирования по схеме 5 (рис. 14) напряжения снижаются до 110 МПа (рис. 21).

Напряжения по Мизесу в магниевой матрице Яюяовнк из иапшааага ¡матричного материала без армирующих еопоюш »с30- *е=0

Схвив I. неподвижная посад«. №4.5 мм Седма 5, неподвижная посадт, мм

Координата X, mw

Рисунок 20 - Напряжения в зоне перехода для неармированного хвостовика

Рисунок 21 — Напряжения в зоне перехода для схемы армирования 5

В неармированном хвостовике лопатки имеются три явных зоны концентрации напряжений: в месте перехода от пера лопатки к хвостовику, и в угловых точках боковой грани хвостовика (рис. 22). Рисунок 23 соответствует лопатке, у которой армирована только перьевая часть с коэффициентом армирования \|/с = 0,3. Из сопоставления рис. 22 и рис. 23, что армирование пера лопатки снизило напряжение в точке С4 от = 224 МПа до 185 МПа. В точке

С3 наблюдается понижение напряжений от а™" = -488 МПа до - 457 МПа. На рисунке 24 показаны напряжения для хвостовика, армированного по схеме 5 (рис. 14). Наблюдается (рис. 24) снижение максимальных растягивающих напряжений в зоне перехода от пера к хвостовику до aj*" = 165 МПа, а на боковой грани хвостовика до ст = -203 МПа.

Рисунок 22 - Напряжения по поверхности неармированной лопатки

Рисунок 23 - Напряжения но поверхности лопатки, армированной только углеродными волокнами

МПа i'flr>-~110 МПа МПа

МПа. (rjHosga МПа. 10 МПа

Рисунок 24 - Напряжения по поверхности лопатки из ГКМ при армировании по схеме 5

При армировании борными волокнами перпендикулярными к оси пера лопатки по схеме из рис. 13, выяснилось (рис. 25), что растягивающие напряжения в точке С4 равны а™3" =210 МПа, а сжимающие напряжения в точке С3

ст™'" =-292МПа, в то время как при схеме армирования 5 (рис. 14) там же: а™"* = 165 МПа, = -203 МПа (рис. 24). Таким образом, при схеме 5 по

сравнению со схемой 3 напряжения о™ 1,4 раза.

и а™" меньше соответственно в 1,3 и

Из этого следует вывод, что армирование хвостовика лопатки компрессора высокомодульными и высокопрочными волокнами является эффективным инструментом управления напряженно-деформированным состоянием лопатки в наиболее нагруженных ее зонах. Но при этом необходимо рационально выбирать направления укладки армирующих волокон и их концентрацию.

Рисунок 25 - Напряжения по поверхности лопатки, армированной по схеме 3

На рис. 26 приведена диаграмма коэффициентов запаса прочности, из которой видно, что замена титановой лопатки на лопатку из композиционного материала на магниевой матрице, армированной углеродными и борными волокнами, не приведет к снижению прочности (коэффициенты запаса практически одинаковы), но при этом масса лопатки уменьшается приблизительно в 2,5 раза, и при этом уменьшаются нагрузки, действующие со стороны лопатки на диск.

Зона перехода пера лопатки в хвостовик

Титан Титан (^р=0) Углеродные Углеродные Магний (схема Магний (схема

(неподвижная волокна (схема волокна (схема армирования армирования

посадка) армирования армирования №5. №5, Гтр)=0

№5, №5, (тр=0) неподвижная

неподвижная посадка)

посадка)

Рисунок 26 - Коэффициенты запаса в титановой лопатке и в компонентах гибридного композиционного материала хвостовика лопатки, армированного по схеме 5

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика расчета на прочность лопатки компрессора газотурбинного двигателя из гибридного композиционного материала, отличающаяся тем, что позволяет определять напряжения в матричном материале и в армирующих волокнах, оценивать прочность лопатки по коэффициентам запаса прочности соответственно в каждой из компонент композита и, рассматривая различные схемы армирования, выбирать из них вариант, обеспечивающий минимизацию напряжений в наиболее опасных точках лопатки.

2. Предложена структурная модель гибридного композиционного материала на основе магниевой матрицы, армированной борными и углеродными волокнами, и на ее основе разработана конечно-элементная методика расчета эффективных характеристик жесткости ГКМ при различных коэффициентах армирования и углах укладки армирующих волокон. Проведено сопоставление значений расчетных эффективных характеристик жесткости композиционного материала, полученных методом конечного элемента и по приближенным моделям, и выяснено, что различие результатов расчетов не превышает 15%, но скорость расчетов по приближенным моделям существенно выше по сравнению с МКЭ, что делает их в многовариантных расчетах более предпочтительными.

3. Экспериментально исследованы упругие и прочностные свойства композиционного материала на основе армирующих углеродных волокон и магниевой матрицы, и показана перспективность данного материала для применения в лопатках компрессора ГТД. Выявлено на основе конечно-элементного анализа, что причиной наблюдающегося в эксперименте разрушения образцов из углеродомагния не в рабочей зауженной зоне, а в более широкой области образца вблизи захватов, является высокая концентрация напряжений, в сильной степени зависящая от способа приложения внешних сил от захватов к образцу. Показано, что, создавая более равномерное распределение передаваемой нагрузки в зоне контакта захватов и испытуемого образца, можно существенно снизить концентрацию напряжений в образце вблизи захватов и тем самым перенести разрушение в рабочую область образца.

4. Выполнена серия расчетов на прочность лопатки компрессора ГТД при различных схемах армирования и показано, что в лопатке из гибридного композиционного материала существует возможность за счет выбора схемы армирования добиваться оптимального распределения внутренних усилий по компонентам композита, и тем самым, снижая напряжения в наиболее опасных точках, повышать прочность всей лопатки. Так, результаты исследований показали, что в перьевой части лопатки, работающей в основном на растяжение, целесообразно применять углеродные волокна, а в корневой части лопатки, передающей усилия от пера лопатки к диску, целесообразно, наряду с углеродными волокнами, направленными вдоль пера лопатки, укладывать борные волокна, направляя их перпендикулярно к боковым граням хвостовика «ласточкин хвост».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Упрочнение хвостовика лопатки компрессора за счет армирования высокомодульными волокнами. / Нусратуллин Э. М. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. СПбГПУ. 2010. №4 (110). С. 107 - 111.

2. Влияние армирования на прочность композитной лопатки компрессора ГТД. / Павлов В. П., Нусратуллин Э. М., Филиппов А. А. // Вестник УГАТУ: Научный журнал Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. УГАТУ - Уфа: РИК УГАТУ, 2010. Т. 14, №4 (39). С. 50 - 60.

3. Прочность лопатки компрессора авиационного двигателя при замене титанового сплава на композиционный материал./ Павлов В. П., Нусратуллин Э. М., Филиппов А. А. // Вестник УГАТУ: Научный журнал Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. УГАТУ-Уфа: РЖ УГАТУ, 2011. Т. 15, №4 (44). С. 73 - 81.

4. Моделирование характеристик упругости гибридного композиционного материала на основе борных и углеродных волокон. / Павлов В. П., Нусратуллин Э. М., Филиппов А. А. И Вестник УГАТУ: Научный журнал Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. УГАТУ - Уфа: РИК УГАТУ, 2011. Т. 15, № 4 (44). С. 98 - 107.

Публикации в других изданиях

5. Упругие и прочностные свойства композиционного материала на основе углеродных волокон и магниевой матрицы / Нусратуллин Э. М. // Мавлго-товские чтения: Материалы Всероссийской молодежной научной конференции. Уфа: УГАТУ, 2007. С. 114 - 115.

6. Математическое моделирование процесса смачивания углеродных волокон жидкими металлами / Нусратуллин Э. М. // Сборник статей 2-ой региональной зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых. Уфа: Изд-во «Технология», 2007. Т.2. С. 222 - 226.

7. Компьютерное моделирование упругих характеристик ортотропного композиционного материала / Павлов В. П., Нусратуллин Э. М. // Механика деформируемых тел и конструкций: Межвузовский научный сборник. Уфа: УГАТУ, 2008. С. 167-177.

8. Определение упругих эффективных характеристик композиционного материала методом конечного элемента / Нусратуллин Э. М. // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды пятой всероссийской научной конференции с международным участием. Самара: СамГТУ, 2008. С. 215 - 217.

9. Экспериментальное исследование упругих и прочностных свойств композиционного материала на металлической матрице / Нусратуллин Э. М. // Фундаментальная математика и её приложения в естествознании: Материалы всероссийской школы-конференции для аспирантов и молодых ученых. Математика. Том 2. Уфа: РИЦ БашГУ, 2008. С. 232 - 236.

10. Методика определения упругих эффективных характеристик композиционного материала / Нусратуллин Э. М. // Мавлютовские чтения: Материалы Всероссийской молодежной научной конференции. Уфа: УГАТУ, 2008. С. 84 - 86.

11. Методика расчета упругих характеристик композиционного материала с помощью пакета ANSYS / Нусратуллин Э. М. // Новые материалы и технологии: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. В 3-х томах. Т. 2. - М.: МАТИ, 2008. С. 110-111.

12. Физико-механические свойства композиционного материала на магниевой матрице армированной углеродными волокнами/ Нусратуллин Э. М. // Фундаментальная математика и её приложения в естествознании: тезисы докладов всероссийской школы-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых. Математика. Уфа: РИЦБашГУ, 2008. С. 38 - 39.

13. Расчет на прочность хвостовой части лопатки компрессора из композиционного материала / Нусратуллин Э. М. Н X Королевские чтения: Всерос. молод, науч. конф. с междун. участием, Самара: СГАУ, 2009. С. 139 - 140.

14. Моделирование напряженного состояния в месте перехода пера лопатки к хвостовику / Нусратуллин Э. М. // Молодежь и современные информационные технологии: УШ Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, Томск: ТПУ, 2010. С. 194- 196.

15. Прочность лопатки компрессора авиационного двигателя из композиционного материала / Нусратуллин Э. М., Павлов В. П. // Мавлютовские чтения: Российская научно-техническая конференция, том 3 Механика процессов деформирования и разрушения вязкоупругопластических тел. Уфа: УГАТУ, 2011. С. 160-165.

16. Моделирование характеристик упругости гибридного композиционного материала / Нусратуллин Э. М., Павлов В. П., Филиппов А. А. // Мавлютовские чтения: Российская научно-техническая конференция, том 3 Механика процессов деформирования и разрушения вязкоупругопластических тел. Уфа: УГАТУ, 2011. С. 165- 170.

17. Тензометрический комплекс на базе модулей ADAM / Нусратуллин Э. М., Шаяхметов В. А. // Мавлютовские чтения: Материалы Всероссийской молодежной научной конференции. Уфа: УГАТУ, 2011. С.137-139.

18. Результаты экспериментального определения упругих и прочностных свойств углеродомагния / Нусратуллин Э. М., Шаяхметов В. А., Ахтямов А. О. // Мавлютовские чтения: Материалы Всероссийской молодежной научной конференции. Уфа: УГАТУ, 2011. С. 139 -141.

Диссертант

Нусратуллин Э. М.

НУСРАТУЛЛИН Эдуард Марсович

ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИЦИОННОЙ ЛОПАТКИ КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Специальность 01.02.06 -Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 28.04.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1.0. Уч.- изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 735. .

ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный

технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ 450000, Уфа - центр, ул. К. Маркса, 12

61 12-5/2898

ФГБОУ ВПО «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

НУСРАТУЛЛИН Эдуард Марсович

ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИЦИОННОЙ ЛОПАТКИ КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин,

приборов и аппаратуры

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель: доктор технических наук, доцент Павлов Виктор Павлович

Уфа-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 8

ГЛАВА 1. ЛОПАТКИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РЕШЕНИЯ (Литературный обзор).................................................................................. 14

1.1. Общая характеристика проблемы и задачи, возникающие при

ее решении....................................................................................................... 14

1.2. Работы ведущих зарубежных авиадвигателестроительных компаний по применению композиционных материалов в перспективных авиационных двигателях........................................................ 17

1.3.Работы ведущих отечественных авиадвигателестроительных компаний по применению композиционных материалов в перспективных авиационных двигателях........................................................ 19

1.3.1. Исследования ФГУП ЦИАМ и ФГУП ВИАМ..................... 19

1.3.2. Исследования ОАО «НЛП Мотор».................................... 21

1.4. Исследования напряжений в замковых соединениях лопатки с компрессором........................................................................... 24

1.5. Методы механики композиционных материалов и теории упругости анизотропных тел.............................................................. 26

1.6. Механические и физические характеристики компонент композиционного материала.............................................................. 27

1.6.1. Механические и физические характеристики углеродных волокон................................................................................... 27

1.6.2. Механические и физические характеристики борных волокон......................................................................................... 28

1.6.3. Механические свойства магния и сплавов на его основе....... 28

1.6.4. Механические и физические характеристики титановых сплавов................................................................................... 29

1.7. Основные уравнения, применяющиеся при решении задаи по прочности композиционной лопатки компрессора.............................. 29

1.7.1. Соотношения теории упругости анизотропных тел.............. 29

1.7.2. Численные решения уравнений теории упругости............... 30

1.7.3. Соотношения для оценки прочности композиционной лопатки....................................................................................... 30

1.7.4. Исследования автора.................................................... 32

1.8. Основные результаты главы 1.......................................... 33

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ МАГНИЕВОЙ МАТРИЦЫ, АРМИРОВАННОЙ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ........................ 34

2.1. Общая характеристика исследования................................. 34

2.2. Структура композиционного материала............................. 35

2.3. Экспериментальное изучение прочности углеродной нити...... 26

2.3.1. Весовые и размерные параметры углеродной нити и её волокон...................................................................................... 36

2.3.2.Испытание углеродной нити на прочность при растяжении... 38

2.4. Экспериментальное исследование упругих и прочностных свойств углеродомагния при растяжении и изгибе.............................. 41

2.4.1. Образцы для испытаний и испытательное оборудование...... 41

2.4.2. Результаты испытаний по определению модуля упругости

и предела прочности углеродомагния при растяжении и изгибе............ 46

2.4.3. Обсуждение результатов исследований модуля упругости и предела прочности углеродомагния при растяжении и изгибе................ 48

2.5. Моделирование напряженно-деформированного состояния образца из углеродомагния при растяжении............................................... 51

2.5.1. Общая характеристика исследования.............................. 51

2.5.2. Геометрическая форма прямоугольного образца и его размеры....................................................................................... 51

2.5.3. Конечно-элементная сетка по объему прямоугольного образца....................................................................................... 52

2.5.4. Напряженно-деформированное состояние прямоугольного образца из композиционного материала при растяжении..................... 53

2.6. Методика уточнения результатов расчета, полученных численным методом, и оценка их точности........................................... 57

2.6.1. Постановка задач........................................................ 57

2.6.2. Методика экстраполяции при неизвестном порядке аппроксимации.................................................................................. 57

2.6.3. Экстраполяция применительно к вычислению максималь- 60

ных напряжений в прямоугольном образце из композиционного материала

2.7. Оценка точности результатов расчетов максимальных напряжений в образцах при растяжении.............................................. 63

2.7.1. Обработка результатов численных расчетов максимальных напряжений в прямоугольном образце............................................ 63

2.7.2. Оценка точности результатов расчетов максимального напряжения в образце из КМ по относительной ошибке......................... 65

2.8. Напряженно-деформированное состояние при растяжении образца из композиционного материала, имеющего зауженную рабочую

зону....................................................................................... 71

2.8.1. Форма и размеры образца с зауженной рабочей зоной.......... 71

2.8.2. Результаты расчетов НДС для образца в форме лопатки....... 72

2.9. Растяжение прямоугольного образца при одинаковых узловых силах на поверхностях захватов.................................................... 74

2.10. Растяжение прямоугольного образца при внешней нагрузке, равномерно распределенной по площади поверхности образца, взаимодействующей с захватами............................................................ 76

2.11. Основные результаты главы 2......................................... у^

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИБРИДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА....................... 80

3.1. Постановка задачи и этапы её решения............................... 80

3.2. Представительный элемент гибридного композиционного материала................................................................................... 81

3.3. Анизотропный однородный материал, эквивалентный гибридному композиционному материалу............................................ 82

3.3.1. Моделирование напряженного состояния представительного элемента при его деформации вдоль оси X.................................... 82

3.3.2. Моделирование напряженного состояния представительного элемента при его деформации вдоль оси У...................................... 83

3.3.3. Моделирование напряженного состояния представительного элемента при его деформации вдоль оси Z...................................... 84

3.3.4. Моделирование напряженного состояния представительного элемента при деформации сдвига у .............................................

3.3.5. Моделирование напряженного состояния представительного элемента при деформации сдвига уyz.............................................

3.3.6. Моделирование напряженного состояния представительного элемента при деформации сдвига yxz............................................. 86

3.4. Определение упругих характеристик гибридного композиционного материала в пакете ANS YS................................................. 86

3.5. Расчет упругих характеристик гибридного композиционного материала по приближенным аналитическим формулам..................... 91

3.5.1. Упругие характеристики слоя однонаправленного двухком-понентного композиционного материала......................................... 91

3.5.2. Слой боромагния в гибридном композиционном материале.. 92

3.5.3. Слой углеродомагния в гибридном композиционном материале...................................................................................... 95

3.5.4. Характеристики жесткости двухслойного гибридного композиционного материала.............................................................. 96

3.6. Определение напряжений в компонентах композиционного материала................................................................................ 97

3.6.1. Структура представительного элемента композиционного материала и возникающие в его компонентах напряжения......................................98

3.6.2. Напряжения в компонентах слоя однонаправленного композиционного материала................................................................................................................................100

3.6.3. Оценка прочности по материалу армирующих волокон................102

3.6.4. Оценка прочности по материалу матрицы................................................102

3.7. Основные результаты главы 3..........................................................................................104

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ ЛОПАТКИ ИЗ

КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА....................................................................................105

4.1. Постановка задачи и методы ее решения................................................................105

4.2. Оценка напряжений при решении объемной задачи....................107

4.2.1 .Лопатка из изотропного материала....................................................................107

4.2.2. Лопатка из композиционного материала......................................................108

4.3. Схемы армирования корневой части рабочей лопатки компрессора из композиционного материала..................................................................................109

4.4. Особенности методики расчета хвостовика лопатки из композиционного материала..............................................................................................................................112

4.5. Результаты расчетов напряжений на границе модели хвосто- 114

вика лопатки компрессора...........................................................

4.6. Напряжения в углеродных армирующих волокнах хвостовика лопатки................................................................................... 120

4.6.1. Напряжения в углеродных армирующих волокнах хвостовика лопатки при различных схемах армирования и радиусах переходной поверхности.............................................................................. 120

4.6.2. Напряжения в углеродных волокнах при скользящей посадке хвостовика лопатки в паз диска................................................. 122

4.6.3. Напряжения в углеродных волокнах при неподвижной посадке хвостовика лопатки в паз диска............................................. 123

4.7. Напряжения в борных армирующих волокнах хвостовика лопатки...................................................................................... 124

4.7.1. Напряжения в борных армирующих волокнах хвостовика лопатки при различных схемах армирования и радиусах переходной поверхности................................................................................ 124

4.7.2. Напряжения в борных волокнах при скользящей посадке хвостовика лопатки в паз диска..................................................... 125

4.7.3. Напряжения в борных волокнах при неподвижной посадке хвостовика лопатки в паз диска..................................................... 126

4.8. Напряжения в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику в зависимости от схемы армирования.................... 127

4.8.1. Сопоставление эквивалентных напряжений в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к ее хвостовику при различных схемах армирования............................................................. 127

4.8.2. Напряжения в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику при скользящей посадке хвостовика лопатки в паз диска при различных схемах армирования....................................... 129

4.8.3. Напряжения в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику при неподвижной посадке хвостовика лопатки в

паз диска при различных схемах армирования.................................. 130

4.9. Влияние радиуса перехода от пера к хвостовику лопатки на максимальные эквивалентные напряжения в магниевой матрице прь различных схемах армирования.................................................... 131

4.9.1. Сопоставление эквивалентных напряжений в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к ее хвостовику при различ- 131

ных радиусах переходной поверхности...........................................

4.9.2. Поля напряжений в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику при скользящей посадке хвостовика лопатки в пазе диска в зависимости от радиуса переходной поверхности и схеме армирования 5........................................................................... 133

4.9.3. Поля напряжений в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику при неподвижной посадке хвостовика лопатки в паз диска в зависимости от радиуса переходной поверхности и

схеме армирования 5................................................................... 134

4.9.4. Поля напряжений в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику при скользящей посадке хвостовика лопатки в паз диска в зависимости от радиуса переходной поверхности для неармированной лопатки.......................................................................................... 136

4.9.5. Поля напряжений в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику при неподвижной посадке хвостовика лопатки в паз диска в зависимости от радиуса переходной поверхности для неармированной лопатки...................................................................................... 137

4.10. Напряжения в магниевой матрице в верхней угловой точке боковой грани хвостовика лопатки................................................ 138

4.10.1. Напряжения в магниевой матрице в верхней угловой точке боковой грани хвостовика при различных посадках хвостовика лопатки

в паз диска и различных радиусах перехода...................................... 138

4.10.2. Напряжения в магниевой матрице в верхней угловой точке боковой грани хвостовика при скользящей посадке хвостовика лопатки

в паз диска............................................................................... 140

4.10.3. Напряжения в магниевой матрице в верхней угловой точке боковой грани хвостовика при неподвижной посадке хвостовика лопатки в паз диска........................................................................... 141

4.10.4. Сопоставление по прочности титановой лопатки и лопатки

из композиционного материала, армированной по схеме 5.................. 142

4.11. Основные результаты главы 4.......................................... 144

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ............................................ 145

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................... 147

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Создание современных газотурбинных двигателей (ГТД) характеризуется заменой в ряде деталей традиционных конструкционных материалов (сталей и титановых сплавов) на современные композиционные материалы (КМ), имеющие более высокие удельные прочность и жесткость. Такие работы проводят все ведущие двигателестроительные фирмы мира (General Electric, Pratt and Whitney, CFM International и др.). Исследованиями в этой области в нашей стране занимаются ФГУП ЦИАМ, ФГУП ВИАМ, ОАО «НЛП «Мотор», ОАО «Пермский моторный завод» и др. В настоящее время одним из основных направлений по применению КМ в газотурбинных двигателях является создание лопатки из углепластика, лопатки из титанового сплава, армированного волокнами карбида кремния, лопатки составной конструкции и лопатки из КМ на металлической матрице.

В ОАО «НПП «Мотор» создана рабочая лопатка первой ступени компрессора ГТД на основе магниевой матрицы, армированной борными и углеродными волокнами.

При создании работоспособной лопатки из КМ одним из важнейших направлений является максимальное снижение напряжений в местах перехода от пера лопатки к ее хвостовику и в угловых точках на боковых гранях хвостовика, где и происходит разрушение лопатки из традиционных материалов. В отличие от однородных материалов в лопатке из КМ напряжения в опасных зонах можно снижать не только за счет геометрической формы лопатки, но и за счет выбора рациональной схемы ее армирования. Эффективность этого подхода до настоящего времени в лопатках ГТД детально еще никто не анализировал, хотя это может дать весьма заметный положительный эффект.

Для реализации такой возможности необходима методика расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) лопатки из КМ с учетом его реальной структуры. При создании такой методики необходимо решить ряд

актуальных научных задач: разработать методику экспериментального определения упругих и прочностных характеристик композиционных материалов; разработать методику расчета коэффициентов жесткости композитов при различных схемах армирования с одним или двумя видами армирующих волокон; разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния лопатки из КМ с определением напряжений в матрице и армирующих волокнах и выбрать наиболее рациональную схему армирования с наименьшими напряжениями в наиболее опасных точках лопатки. Решение указанных задач является в настоящее время весьма актуальным, обладающим существенной новизной и имеющим важное практическое значение.

Целью работы является разработка методики расчета на прочность композиционной лопатки компрессора газотурбинного двигателя.

Исходя из цели работы, для ее реализации были поставлены и решены следующие задачи:

1) Разработка методики расчета на прочность композиционной лопатки компрессора газотурбинного двигателя, позволяющей рассчитывать напряжения в матрице и армирующих волокнах.

2) Создание расчетной модели для определения эффективных характеристик жесткости гибридного композиционного материала на основе магниевой матрицы, армированной углеродными и борными волокнами, включающей формирование представительного элемента гибридного композита, построение конечно-элементной модели композита, реализацию расчета и анализ точности получаемых результатов.

3) Экспериментальное изучение упругих и прочностных свойств композиционного материала на основе магниевой матрицы, армированной углеродными волокнами.

4) Проведение конечно-элементного анализа напряженного состояния хвостовика лопатки компрессора ГТД в форме «ласточкин хвост» при