Особенности звукопоглощающих гофровых конструкций для горячей части турбореактивного двигателя (ТРД)

УДК 62-213.6

ОСОБЕННОСТИ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХ ГОФРОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ЧАСТИ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

М.В. Молод, В.И. Максименков, В.И. Федосеев

В статье рассмотрен новый тип звукопоглощающих гофровых конструкций (ЗПК). Особенность данной конструкции заключается в том, что в пространство между гофрами помещают гофрированную вставку, которая обеспечивает повышение акустической эффективности, что подтверждается испытаниями образцов гофровой панели на стенде «канал с потоком» во ФГУП «ЦАГИ».

Рассмотрены основные материалы, применяемые для изготовления гофровых панелей, проведены механические испытания листовых материалов. В статье представлен технологический процесс изготовления гофровой конструкции, при этом рассмотрен этап перфорирования заготовок, который осуществляется на прессе с ЧПУ. Разработана конструкция штампа, позволяющая осуществлять формообразование гофров без утонения материала заготовки. Приведена схема процесса сварки обшивок с гофровым заполнителем. Приведены параметры гофрового заполнителя и вставки.

Выполнены расчеты плотности гофрового заполнителя, определены весовые параметры гофровой панели со вставкой для различных материалов. Определены предельные значения напряжений сжатия для исследуемых материалов.

Методом конечных элементов проведены исследования образцов гофровой панели, в результате которых определен характер потери устойчивости гофров и наиболее нагруженные элементы конструкции. Полученные данные представлены в виде картины распределения напряжений по поверхности гофрового заполнителя

Ключевые слова: гофровый заполнитель, вставка, контактная сварка

В конструкциях летательных аппаратов широкое применение находят гофровые конструкции [1].

Особый интерес представляют их применение в качестве звукопоглощающих конструкций в ТРД.

Так, для осесимметричных оболочек конической формы для горячей части двигателя целесообразно применять звукопоглощающие конструкции (ЗПК) с гофровым заполнителем.

Применение сотовых конструкций при изготовлении осесимметричных оболочек вызывает при формообразовании появление браковочных признаков в виде искажения граней ячеек. Это приводит к снижению ресурсных характеристик панелей, выполненных с сотовым заполнителем, а также непредсказуемому изменению эффекта шумоглушения.

Конструкция с гофровым заполнителем состоит из двух обшивок, одна из которых перфорированная, и гофрового заполнителя

тель; 3 - сплошная обшивка

Основные материалы, применяемые для изготовления гофровых панелей - нержавеющие стали (12Х18Н10Т), титановые сплавы (ОТ4-1, ВТ1-0); алюминиевые сплавы (Д16АТ).

Проведены механические испытания образцов листовых материалов (табл. 1). Образцы были изготовлены по ГОСТ 1497.

Таблица

Материал 5т, Ов, О0,2, 5, Е,

мм МПа МПа % МПа

Д16АТ 0,3 402 265 13 68000

ОТ4-1 0,3 760 461 20 12000

12Х18Н10Т 0,3 648 275 37 19800

Гофровые панели обладают:

1. высокой степенью жесткости;

2. монолитностью конструкции;

3. термостойкостью;

4. высоким сопротивлением акустическим усталостным напряжениям;

5. акустической эффективностью.

Акустическая эффективность гофровой

панели соответствует по звукопоглощению сотовой конструкции, но уступает ей по весовым характеристикам.

С целью повышения акустической эффективности ЗПК разработан новый тип гофровой конструкции [2], в которой в зону между гофрами помещают гофрированной формы перфорированные вставки (рис. 2).

1

Рис. 2. ЗПК с гофровым заполнителем и вставками: 1 - перфорированная обшивка; 2 - сплошная обшивка; 3 - гофровый заполнитель; 4 - гофровая вставка

Молод Марина Владиславовна - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: molodmv@yandex.ru Максименков Владимир Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: maksimenkov. v. i@mail.ru Федосеев Владислав Игоревич - Филиал ПАО «Корпорация «Иркут», инженер-конструктор, e-mail: vladislav. f@inbox.ru

Наличие вставки создает дополнительный эффект снижения шума за счет явления резонансного гашения звуковых волн, а также возникающей интерференции звуковых волн, прошедших через перфорированную обшивку.

Во ФГУП «ЦАГИ» на установке «канал с потоком» были проведены акустические испытания, соответствующие полетным условиям. Выявлено, что разработанная конструкция по эффективности превышает существующую однослойную гофровую конструкцию до 5 EPN дБ, что подтверждает перспективность ее применения в конструкции турбореактивных двигателей.

Разработан технологический процесс изготовления панели с гофровым заполнителем со вставками.

Схема технологического процесса получения гофровой панели представлена на рис. 3.

Раскрой заготовок

I

Перфорирование заготовок

Формообразование заготовок заполнителя

I

Формообразование заготовок вставок

I

Сварка сплошной обшивки с гофровым заполнителем и вставками

I

Сварка конструкции с перфорированной обшивкой

Контроль качества панели

Рис. 3

Перфорирование заготовок осуществляли на дыропробивном прессе с ЧПУ. Диаметр получаемых отверстий составляет 1,1 мм [3].

Процесс формообразования заполнителя и вставок осуществляют на гидравлическом или кривошипно-шатунном прессе.

Схема штампа, разработанная для данного процесса формообразования, приведена на рис. 4. При формообразовании гофра листовая заготовка с помощью пуансона 2 получает форму гофра без утонения материала. Пуансон 5 осуществляет окончательную калибровку гофра.

Рис. 4. Штамп для изготовления гофрового заполнителя и вставки: 1 - матрица; 2 - калибровочный пуансон; 3 - пружина; 4 - прижим; 5 - формовочный пунсон; 6 - опора; 7 - направляющая втулка; 8 - нажимная опора

Такой метод формообразования позволяет получать гофровый заполнитель с высокой точностью, что необходимо для последующего процесса сварки обшивок с заполнителем.

Процесс соединения гофрового заполнителя с обшивками осуществляется контактной сваркой.

Схема сварки панели приведена на рис. 5. 1

м А /Л

-— ч ч\\\ ^

а)

Рис. 5. а) - Сварка гофрового заполнителя и вставок со сплошной обшивкой;

б) - Сварка гофрового заполнителя с перфорированной обшивкой

1 - гофровый заполнитель; 2 - ролик; 3 - сплошная обшивка; 4 - перфорированная обшивка; 5 - вставка; 6 - стержень

Параметры гофрового заполнителя и вставок показаны на рис. 6 и в табл. 2.

Рис. 6

Таблица 2

№ п/п Элементы гофровой панели сЗ § нм а я 1 С? ^ о ю Н о ю Высота Нгз, Нв мм Угол наклона Р0, Рв град м в (С а н и л Коэффициент формы гофра Кр

1 Обшивка 0,5 - - - -

2 Заполнитель 0,3 30 55 37 0,58

3 Вставка 0,1 26 35 48 0,2

Плотность гофрового заполнителя определяется по зависимости (1) [4]:

Ргз = £+К/0чР«

Подставив в приведенную зависимость значения из табл. 2, получим ргз для:

12Х18Н10Т 92 кг/м3; ОТ4-1 49 кг/м3; Д16 31 кг/м3

Проведен расчет на прочность заполнителя и гофровой панели. Прочность стенок гофра при поперечном сжатии определяется (2):

сткр сж г = Ем

где Ем - модуль упругости материала гофра.

Подставив значения из табл. 1, 2, получим ^кр сж г для:

12Х18Н10Т 7,3 МПа; ОТ4-1 4,5 МПа; Д16 2,6 МПа

Вставка не оказывает влияния на прочность панели при испытании на сжатие.

Методом конечных элементов проведены исследования параметров прочности, которые необходимо учитывать при формообразовании панелей на заданный радиус кривизны. На рис. 7, 8 представлены результаты расчета для панели из Д16АТ - форма потери устойчивости гофра при поперечном сжатии образца, трехслойной панели, распределение напряжений по элементам конструкции. Результаты анализа математической модели соответствуют расчетам панели, полученным аналитическим методом.

Рис. 7. Форма потери устойчивости

Рис. 8. Распределение напряжений по заполнителю

Проведен расчет весовых параметров (3) гофровых панелей размером 1 м2 для материалов 12Х18Н10Т, ОТ4-1 и Д16Т (рис. 9, табл. 3).

Р=Р+Р+Р+Р

1 гп 1 го 1 1 гз 1 1 гв 1 1 гпр? V-V

где Рго - вес сплошной обшивки;

Ргз - вес гофрового заполнителя;

Ргв - вес гофровой вставки;

Ргпр - вес перфорированной обшивки.

Вес гофровой панели из 12Х18Н10Т составляет 10,9 кг, из ОТ4-1 - 5,8 кг, из Д16Т -

3,7 кг.

Таблица 3

№ Материал Р А го, Р А гз, Ргв, г Р А гпр, Р А гп,

п/п г г г г

1 12Х18Н10Т 3950 2939 762 3160 10811

2 ОТ4-1 2100 1563 405 1678 5746

3 Д16Т 1350 1003 265 1080 3698

Результаты расчета приведены на рис. 9. Вес, г

Рис. 9

Наличие вставок увеличивает вес гофрированной панели на 7%. По весовым параметрам целесообразно применять панель из Д16Т. Однако, учитывая термостойкость данного материала, эти панели рекомендованы к применению в холодной части двигателя и канале воздухозаборника. Гофровые панели из 12Х18Н10Т и ОТ4-1 целесообразно применять в горячей части двигателя с учетом их термостойкости.

Выводы

1. Разработан новый тип конструкции гофровой панели со вставкой.

2. Проведены механические испытания образцов листовых материалов.

3. Разработан технологический процесс изготовления гофровой конструкции со вставкой.

4. Отражена оценка весовых параметров гофровой конструкции со вставкой.

5. Методом конечных элементов определены наиболее нагруженные участки испытываемого образца при приложении сжимающей нагрузки, позволяющие учитывать ее при разработке процесса формообразования гофровой панели на заданный радиус кривизны.

Литература

1. Молод, М.В. Получение металлических гофрированных конструкций для панелей летательных аппаратов/ М.В. Молод, Д.В. Аралов, В.И. Максименков// Авиакосмические технологии «АКТ-2008»: тез. IX Всерос. науч.-техн. конф. и школы молодых ученых, аспирантов и студентов. - Воронеж: ВГТУ, 2008. - С.8-10.

2. В.И. Максименков, В.А. Тарасов, В.П. Дорошков «Звукопоглощающая панель» Патент 2249258 27.03.2003 ФГУП НИИ АСПК.

3. Молод М.В. Определение параметров перфорированных обшивок при изготовлении сотовых панелей звукопоглощающих конструкций/ М.В. Молод //Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева.- 2014.-4.4.-№5(47)- С. 5662.

4. Панин, В.Ф. Конструкции с сотовым заполнителем. Справочник / В.Ф. Панин, Ю.А. Гладков. М.: Машиностроение, 1991. 272 с.

Воронежский государственный технический университет Филиал ПАО «Корпорация «Иркут», т. Воронеж

ACOUSTIC CORRUGATED HONEYCOMB SANDWICH FEATURES FOR TURBOJET

ENGINE HOT SECTION

М.^ Molod1, V.I. Maksimenkov2, V.I. Fedoseev3

'PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: molodmv@yandex.ru 2Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: maksimenkov. v. i@mail.ru 3Design Engineer, Public company "Corporation "Irkut" e-mail: vladislav.f@inbox.ru

The article considers a new type of acoustic corrugated honeycomb structures (ACHS). The peculiarity of such structure is that a corrugated insert is placed in the space between the corrugations, which provides an increase in acoustic efficiency, which is confirmed by testing the samples of a corrugated panel at the "channel with flow" stand at Central Aerohydrodynamic Institute.

The main materials used for manufacturing corrugated panels are considered, mechanical testing of sheet materials is carried out. The article presents the technological process of manufacturing a corrugated structure, also the stage of perforation of blanks, which is performed on a CNC press, is considered. The design of the stamp, allowing to carry out shaping of corrugations without thinning the material of a workpiece, is developed. A scheme of the welding process for coverings with corrugated aggregate is given. Parameters of the corrugated aggregate and insert are given.

The density of corrugated aggregate is calculated, the weight parameters of the corrugated panel with an insert for various materials are determined. The limiting values of compressive stresses for the materials under study are determined.

The finite element method was used to study the samples of the corrugated panel, the character of the loss of stability of the corrugations and the most loaded structural elements were determined as a result. The obtained data are presented in the form of a pattern of stress distribution over the surface of corrugated aggregate

Key words: corrugated honeycomb, insert, seam resistance welding

References

1. Molod М.^, Aralov D.V., Maksimenkov V.I. "Metal corrugated honeycomb sandwich realization for aircraft panels", Proc. of IX All-Russian scientific and technical conference and school of young scientists, graduates and students "Aerospace Technology-2008", (Aviakosmicheskie tehnologii "AKT-2008": Tezisy IX Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii i shkoly mo-lodykh uchyenykh, aspirant i studentov), Voronezh, 2008, pp. 8-10

2. Maksimenkov V.I., Tarasov V.A., Doroshkov V.P. "Acoustic honeycomb sandwich" ("Zvukopogloshchaushchaya panel'"), Patent no. 2249258, 2003

3. Molod М^. "Determination of the parameters of perforated casings in the manufacture of honeycomb panels of sound-absorbing structures" ("Opredelenie parametrov perforirovannykh obshivok pri izgotovlenii sotovykh paneley zvukopo-gloshchayushchikh konstrukstiy"), VESTNIK of Samara University,2014, vol. 4.4., no. 5(47), pp. 56-62

4. Panin V.F., Gladkov Yu.A. "Construction with honeycomb sandwich" ("Konstrukstii s sotovym zapolnitelem") Technical directory, Мoscow, Mashinostroenie, 1991, 272 p.