Исследование возможности применения деталей из термостойких пластиков и их испытание в составе малоразмерного газотурбинного двигателя

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ

УДК 621.45.01

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТЕРМОСТОЙКИХ ПЛАСТИКОВ И ИХ ИСПЫТАНИЕ В СОСТАВЕ МАЛОРАЗМЕРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

А. В. Побелянский, А. И. Мустейкис, А. А. Галаджун, Д. С. Круглов

Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,

г. Санкт-Петербург, Российская Федерация

В рамках сотрудничества БГТУ «ВОЕНМЕХ» с ООО «Современное оборудование» (группа компаний «Солвер») был реализован проект по изготовлению основных узлов малоразмерного газотурбинного двигателя, оценке деталей, их дальнейшему испытанию, а также проведена предварительная оценка применения аддитивных технологий в аэрокосмической отрасли.

В качестве объекта исследования в данном проекте был выбран малоразмерный газотурбинный двигатель с расчетной тягой 10 кгс. Актуальность выбора объекта исследования объясняется тем, что в настоящее время в России активно разрабатываются

беспилотные летательные аппараты, а также силовые установки для них. Все детали малоразмерного газотурбинного двигателя можно условно отнести к трём температурным диапазонам эксплуатации, что позволило выделить ряд его деталей, которые могут быть изготовлены методом FDM из термостойкого пластика. В рамках проекта были решены следующие задачи:

- проведение предварительных расчетов теплового состояния деталей в составе малоразмерного газотурбинного двигателя;

- печать деталей, оценка точности изготовления, качества поверхности;

- проведение испытаний деталей в составе малоразмерного газотурбинного двигателя;

- съём деталей и проведение дефектации;

- анализ полученных данных, выводы и рекомендации по применению аддитивных технологий термостойких пластиков в авиакосмической отрасли.

Печать проводилась на производственных мощностях ООО «Современное оборудование» на зD-принтере Stratasys Fortus 900 mc. После удаления поддерживающих структур была проведена оценка качества поверхности деталей и замеры шероховатости исследуемых элементов. Собранный двигатель был испытан на кафедре «Двигатели и

энергоустановки ЛА» БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова. Предварительные результаты проекта позволяют утверждать, что внедрение аддитивных технологий термостойких пластиков в процесс разработки малоразмерных газотурбинных двигателей позволяет в достаточно короткие сроки создать и испытать различные варианты конструкций, что позволит сократить время разработки подобных двигателей и теоретически повысить их эффективность за счет снижения массы конструкции.

Ключевые слова: аддитивные технологии, малоразмерный газотурбинный двигатель,

термостойкие пластики.

В настоящее время в рамках сотрудничества ООО «Современное оборудование» (группа компаний «Солвер») и БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова реализуются проекты, направ-

© Побелянский А. В., Мустейкис А. И., Галаджун А. А., Круглов Д. С., 2017

ленные на исследование возможности изготовления и функционального применения деталей аэрокосмической отрасли, полученных методами аддитивных технологий из термостойких пластиков.

Аддитивные технологии термостойких пластиков находят все больше применение в аэрокосмической отрасли, например, проекты компании

А. В. Побелянский, А. И. Мустейкис, А. А. Галаджун, Д. С. Круглое

Исследование возможности применения деталей из термостойких пластиков

Stratasys [2], проект «Aurora» [1, 4] (рис. 1) и многие Такой двигатель способен поднимать в воз-

другие. Наиболее подходящими для таких целей дух беспилотный летательный аппарат

являются пластики типа PPSF и линейка пластиков массой до 50 кг. Актуальность выбора объекта ис-

ULTEM, в частности ULTEM 1010, специально раз- следования объясняется тем, что в настоящее вре-

работанный для аэрокосмической отрасли. мя в России активно ведутся разработки БПЛА,

Можно перечислить следующие преимуще- а также силовых установок для них. В качестве си-

ства применения аддитивной технологии термо- ловых установок для БПЛА могут использоваться

стойких пластиков методом экструзии полимер- малоразмерные электродвигатели, ДВС или ГТД,

ных нитей (FDM): но при этом применение именно ГТД в качестве

- повышение гибкости проектирования; силовой установки БПЛА обеспечивает большую

- уменьшение сроков изготовления функци- скорость и маневренность аппарата. ональных прототипов, переход к прямому Все детали МГТД могут быть условно отне-цифровому производству; сены к трем температурным диапазонам эксплуа- 77

- снижение массы деталей на 40-50 % . тации (рис. 3):

В качестве объекта исследования в данном I - низкотемпературный (150-220 °C);

проекте был выбран малоразмерный газотурбин- II - среднетемпературный (300-400 °C);

ный двигатель (МГТД) с расчетной тягой 10 кгс III - высокотемпературный (свыше 500 °C).

(рис. 2).

Рис. 1. Проекты компаний Stratasys и Aurora Flight Sciences

Рис. 2. Модель выбранного МГТД

ИСС/IEJ

Hav

M г

ИССЛЕДОВАНИЯ

KO-

ГРАДА

78

№ 2 (20) 2017

Том 1

Рис. 3. Температурные зоны эксплуатации

Это позволило выделить ряд деталей МГТД (рис. 4): крышку компрессора; колесо компрессора; диффузор, а также корпус камеры сгорания, которые могут быть изготовлены методом FDM из термостойкого пластика.

Далее был проведен расчет теплового состояния конструкции МГТД для условий, соответствующих максимальному режиму работы (рис. 5). Анализ распределения температуры по сечению МГТД показал, что выбранные детали испытывают умеренную тепловую нагрузку с температурой до 200 °C. При этом в зоне контакта корпуса камеры сгорания с корпусом соплового аппарата турбины имеется локальное превышение температуры свыше 200 °C, что говорит о необходимости использования в данной области теплоизолирующих материалов, например, прокладок из паронита.

Рис. 4. Детали, изготовленные методом FDM

Из имеющихся в настоящее время термостойких пластиков стоит рассматривать для данной задачи следующие (табл. 1): PPSF; ШЬТБМ 1010; ШЛЕМ 9085 [3, 5]. В ходе сравнения названных пластиков с наиболее распространенным в авиастроительной отрасли материалом дюралюминием (дюраль Д16) для печати деталей был выбран материал ШЬТБМ 1010, как наиболее подходящий по температуре эксплуатации.

Печать деталей проводилась на производственных мощностях ООО «Современное оборудование» на 3D-принтере Stratasys Fortus 900 тс.

После удаления поддерживающих структур была проведена оценка качества поверхности деталей. На исследуемых поверхностях корпуса камеры сгорания и диффузора шероховатость Яа составила примерно 20 мкм (рис. 6). При этом профиль шероховатости имеет повторяющуюся волнообразную структуру с четким разделением слоев наносимого материала. Данный тип шероховатости получается в результате обработки поверхности при удалении поддержек.

Собранный МГТД был установлен на испытательном стенде кафедры «Двигатели и энергоустановки ЛА» БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова. МГТД размещался на подвижной платформе, связанной с тягоизмерительной системой. Предварительная раскрутка ротора МГТД обеспечивалась электростартером, связанным с ротором через обгонную муфту. Подача топлива (керосин ТС-1) осуществлялась шестеренным насосом и регулировалась сигналом ШИМ от пульта управления.

Состав испытательного стенда (рис. 7): топливный насос 1, клапан запального топлива 2, клапан основного топлива 3, запальное устрой-

Исследование возможности применения деталей из термостойких пластиков

Таблица 1

Сравнительная характеристика термостойких пластиков

Материал Температура тепловой деформации (1,82 МПа), °С Плотность, кг/м3 Временное сопротивление разрыву, МПа Линейный коэффициент термического удлинения, 10-6 °С-1

РРББ 189 1280 55 55

ШЛБМ 1010 213 1270 37-81 47

ШЛБМ 9085 153 1340 42-69 65

Дюраль Д16 Рекомендуемая Тэкспл. не более 230 °С 2800 460 22

ство 4, тягоизмерительная система 5, датчик давления в КС 6, датчик числа оборотов ротора 7.

В ходе испытаний МГТД из-за сбоя циклограммы запуска режимных параметров достичь не удалось. При частоте вращения ротора примерно 10 000 об/мин произошел прогар стенки корпуса камеры сгорания и разрушение топливного коллектора, которое привело к возгоранию задней стенки диффузора и ее частичному короблению. Однако в целом детали из термостойких пластиков даже в условиях локального возгорания со-

хранили свои геометрические размеры и частично функционал.

В связи с вышеперечисленными обстоятельствами результаты испытаний деталей из термостойких пластиков в составе МГТД следует считать предварительными. Тем не менее полученные результаты позволяют сделать некоторые выводы.

1. Детали, изготовленные из термостойких пластиков методами аддитивных технологий, пригодны для использования в качестве испытательных макетов МГТД с незначительными доработ-

79

Рис. 5. Результаты теплового расчёта конструкции МГТД

^„а,™—21,9

А А а

л .

А л

Рис. 6. Профиль шероховатости поверхности деталей

ИСС/IEJ

Hav

M г

ИССЛЕДОВАНИЯ

KO-

ГРАДА

№ 2 (20) 2017

Том 1

80

Рис. 7. Испытательный стенд

ками (увеличение толщины стенок, использование теплоизоляции при сборке).

2. Требуются дополнительные испытания для подтверждения возможности использования подобных деталей в качестве полнофункциональных изделий.

3. Современный уровень SD-печати методом FDM не позволяет изначально достичь качества поверхности и точности размеров деталей, потребного для аэрокосмической отрасли. Требуется дополнительная механическая постобработка.

4. Желательно разрабатывать немеханические методы постобработки, особенно для деталей сложных форм.

В заключение стоит отметить, что внедрение технологии FDM в процесс разработки МГТД даст возможность в достаточно короткие сроки создать и испытать различные варианты конструкций, что позволит сократить время разработки подобных двигателей и теоретически повысить их эффективность за счет снижения массы конструкции.

Список литературы

1. Проект «Аврора». 3D печать. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://articles.sae.org/13170/ (дата обращения 11.05.2017).

2. Материалы, готовые для космоса. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://blog.stratasys.com/2016/03/23/ atlas-rocket-3d-printed-parts/ (дата обращения 11.05.2017).

3. Инновации в ракетостроении при помощи 3D печати. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www. stratasysdirect.com/blog/high-power-rocketry-using-3d-printing/ (дата обращения 11.05.2017).

4. Партнёрство со Stratasys. Проектировка и разработка в проекте «Аврора». [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.cimetrixsolutions.com/resources/case-studies/aerospace (дата обращения 11.05.2017).

5. Термостойкие пластики для FDM. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.stratasys.com/materials/ fdm (дата обращения 11.05.2017).

История статьи

Поступила в редакцию 29 мая 2017 г.

Принята к публикации 27 июня 2017 г.

Исследование возможности применения деталей из термостойких пластиков

RESEARCH OF THE POSSIBILITY OF USING PARTS FROM HEAT-RESISTANT PLASTICS AND THEIR TESTING AS PART OF A SMALL-SIZED GAS TURBINE ENGINE

A. V. Pobelyansky, A. I. Musteikis, A. A. Galadzhun, D. S. Kruglov

Baltic State Technical University «VOENMEH» named after D. F. Ustinov,

Saint Petersburg, Russian Federation

Within the framework of the cooperation between BSTU «VOENMEH» and LLC «Modern Equipment» (Solver Group of Companies), a project was implemented to manufacture the main components of a small-sized gas turbine engine, evaluate the details, further test them, and also make a preliminary assessment

of the application of additive technologies in aerospace Industry. 8l

As an object of research in this project was selected small-sized gas turbine engine with a calculated thrust of 10 kgf. The urgency of the choice of the object of the study is explained by the fact that at the present time unmanned aerial vehicles are actively being developed in Russia, as well as power installation for them. All the details of a small-sized gas turbine engine can be conditionally attributed to three temperature ranges of operation, which made it possible to identify a number of parts that can be manufactured by the

FDM method from heat-resistant plastic. Within the framework of the project the following tasks were formulated:

— Preliminary calculations of the thermal state of parts in the small-sized gas turbine engine;

— Printing of parts, evaluation of manufacturing accuracy, surface quality;

— Testing of parts in the small-sized gas turbine engine;

— Removal of parts and defect management;

— Analysis of the data obtained, conclusions and recommendations on the use of additive technologies of heat-resistant plastics in the aerospace industry.

Printing was carried out at the production facilities of OOO Modern Equipment on the Stratasys Fortus 900 mc 3D printer. After removing supporting structures, the surface quality of the parts was measured and the roughness of the test elements was measured. The collected small-sized gas turbine engine was tested at the Department «Engines and power plants of aircrafts» BSTU «VOENMEH» named after D. F. Ustinov. The preliminary results of the project allow us to state that the introduction of additive technologies of heat-resistant plastics in the process of developing a small-sized gas turbine engine makes it possible to create and test various versions of structures in a short time, which will shorten the development time of such engines and theoretically increase their efficiency by reducing the weight of the structure.

Keywords: additive technologies, small-sized gas turbine engine, heat-resistant plastics.

References

1. ProektAvrora. 3Dpechat [Project Aurora. 3D printing]. Available at: http://articles.sae.org/13170/

2. Materialyi, gotovyie dlya kosmosa [Materials ready for space]. Available at: http://blog.stratasys.com/2016/03/23/ atlas-rocket-3d-printed-parts/

3. Innovatsii v raketostroeniipripomoschi 3Dpechati [Innovations in rocket engineering with the help of 3D printing]. Available at: https://www.stratasysdirect.com/blog/high-power-rocketry-using-3d-printing/

4. Partnyorstvo so Stratasys. Proektirovka i razrabotka v proekte Avrora [Partnership with Stratasys. Design and development in the project Aurora]. Available at: http://www.cimetrixsolutions.com/resources/case-studies/aerospace/

5. Termostoykie plastiki dlya FDM [Heat-resistant plastics for FDM]. Available at: http://www.stratasys.com/materials/ fdm/

Article history

Received 29 May 2017 Accepted 27 June 2017