Прочность композиционной лопатки компрессора газотурбинного двигателя

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 материаловразработать методику расчета коэффициентов жесткости композитов при различных схемах армирования с одним или двумя видами армирующих волоконразработать 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 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 ANSYS 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 двигателявыявлены 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 их испытания;

• метода конечных элементов реализуемого в программе ANS YS.

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 и механики композиционных материалов;

• 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 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 до 20%- а в угловой точке на боковой грани до 70%.

2) Проведены экспериментальные исследования упругих и прочностных характеристик углеродомагния и его армирующей 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 материалав ФГБОУ ВПО УГАТУ в виде разделов курсов лекций «Механика композиционных материалов» и «Сопротивление материалов».

Автор выносит на 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 А№>У8 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 двигателяобъяснение 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 двигателестроения» (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 выводов, списка литературы. Содержит 154 страницы машинописного текста, включающего 160 рисунков и библиографический список из 88 наименований.

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 упругости 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».