Применение современных полимерных композиционных материалов в элементах и узлах газотурбинных авиационных двигателей

• Автор: Рубцов, Сергей Михайлович
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 148 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СОЗДАНИИ И МОДИФИКАЦИИ ГАЗОТУРБИННЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
1.1 Выбор объектов внедрения полимерных композиционных материалов в конструкции серийных (ПС-90А, ДЗОКУ-154) и перспективных (ПС-90А12) газотурбинных авиационных двигателей
1.2 Выбор и обоснование технологий полимерных композиционных материалов для создания элементов и узлов газотурбинных авиационных двигателей
Основные результаты и выводы по главе
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Структура и свойства полимерных композиционных материалов для деталей и узлов газотурбинных авиационных двигателей
2.2 Расчетная методика определения деформационных и прочностных свойств полимерных композиционных материалов
2.3 Расчетная методика подтверждения ресурса деталей и узлов газотурбинных авиационных двигателей из полимерных композиционных материалов
Основные результаты и выводы по главе
3. СТРУКТУРНО-ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА МАТЕРИАЛ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
3.1 Структурно-феноменологические модели механического поведения композитных корпусных деталей газотурбинных авиационных двигателей при эксплуатационных нагрузках
3.2 Структурно-феноменологические модели и критерии оценки статической и усталостной прочности композитных корпусных деталей газотурбинных авиационных двигателей

3.3 Прогнозирования прочности и ресурса композитных корпусных
деталей газодинамических авиационных двигателей с помощью структурно-феноменологические модели накопления повреждений Основные результаты и выводы по главе
4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПКМ
4.1 Типовые технологические схемы создания корпусных деталей газотурбинных авиационных двигателей
4.2 Конструкторско-технологические схемы создания корпусных деталей газотурбинных авиационных двигателей с элементами шумозащиты
4.3. Конструкторско-технологические схемы создания монослойных
конструкций
Основные результаты и выводы по главе
Заключение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях авиационных двигателей для гражданской авиации началось значительно позднее, чем в конструкциях корпусных деталей и узлов планера самолета. Это обусловлено особенностями существующих конструкций двигателей, относительно небольшими габаритами и сложной формой деталей, наличием большого количества фланцевых соединений, многообразием действующих нагрузок и другими факторами. Особым препятствием на пути широкого внедрения композитов являлась традиционная ориентация конструкторов двигателей на технологические методы изготовления деталей из металлов, которые существенно отличаются от методов изготовления деталей из композитов. Первые опытные композитные детали турбовентиляторных двигателей появились в начале 1990-х годов. Это были такие детали как обтекатель вентилятора и детали мотогондолы. В течение 1989-1995 годов группой предприятий г. Перми во главе с ОАО "Авиадвигатель" (прежние названия ПНПО "Авиадвигатель", Моторостроительное конструкторское бюро) была разработана и частично реализована программа внедрения полимерных композиционных материалов в конструкции турбовентиляторных двигателей ПС-90А, ДЗОКУ-154. Было спроектировано около 15 композитных узлов двигателей, полностью взаимозаменяемых с металлическими аналогами, что позволило производить отработку конструкций композитных деталей и наработку ресурса на серийных двигателях. Десять типов композитных узлов было изготовлено, несколько узлов прошли необходимый объем испытаний и были сертифицированы для установки в серийных двигателях и последующей эксплуатации в системе гражданской авиации. Несмотря на то, что металлические аналоги изготавливаются из легких алюминиевых и титановых сплавов, применение ПКМ позволило получить снижение веса в

связующих выделяется достаточно много летучих веществ, что ведет к образованию пор и снижению свойств композита. Поэтому ответственные изделия отверждают под внешним давлением, создаваемым натяжением арматуры (при изготовлении методом намотки) или с помощью эластичной диафрагмы (вакуумного мешка) в автоклаве. К полостям под вакуумным мешком подключается вакуумный насос для дополнительного удаления летучих веществ. Между формуемым изделием и вакуумным мешком рамещается дренажный слой из пористого материала для удаления излишков связующего, выдавливаемого из арматуры при формовании. Все эти технологические приемы являются стандартными для автоклавного формования. Сложная форма фланцев узлов авиадвигателей потребовала для их формования разработки дополнительных технологических приемов, таких как использование резиновых пуансонов, поджимных колец и т.п., подробно описанных в последующих разделах.
Обычно все изделие отверждается за один цикл нагрева. В том случае в связующем образуется единая сетка пространственно сшитого полимера, что обеспечивает наибольшую прочность. Особенности конструкции узлов двигателей не позволяют собрать заготовку узла целиком из неотвержденных препрегов для отверждения в одном цикле, и приходится использовать многоцикловый режим, с последовательным отверждением различных деталей узлов. В этом случае на поверхностях контакта разных деталей получается адгезионное соединение вместо пространственной сшитой полимерной сетки. Прочность такого адгезионного соединения ниже прочности пространственной полимерной сетки. Поэтому для компенсации снижения прочности потребовалось изменить конструкцию ряда элементов узлов в сравнении с конструкцией металлических узлов-аналогов. В этом проявилось влияние технологии на конструкцию.
Наиболее радикальному изменению подверглись конструкции шумопоглощающих элементов. В металлических узлах шум гасится с помощью резонаторных ячеек Гельмгольца, образуемых ячейками сотовых титановых панелей и приваренными к ним листовыми обшивками. Естественным