Выбор рациональной схемы армирования лопатки компрессора газотурбинного двигателя

Решетневскце чтения

так и абсорбируется жидким или твердым слоем на стенках раковины.

Для ВГО отливки необходимо создать на поверхности отливки минимальное давление Н2, О2 и N2, чтобы ускорить выведение этих газов из раковин отливки. В связи с этим мы рассмотрели и отработали два способа создания атмосферы над отливкой:

- создание высокого вакуума;

- применение высокочистого аргона или гелия. Оба процесса равноценны по созданию малого парциального давления водорода и кислорода над поверхностью отливки и ускорения зарастания раковин в отливке. Однако при применении аргона, находящегося под давлением, исключается подсос воздуха (кислорода) в камеру термообработки. Величина давления аргона до 200 МПа ограничена прочностью стенок емкости для ВГО изделия. Кроме того, требуемая в данном случае толщина стенки емкости меньше, чем для создания вакуума. Поэтому применение аргона более технологично и легче контролируется по сравнению с вакуумным методом.

Сжатие отливки давлением аргона можно оценить по формуле коэффициента сжатия в:

Р =1

V { дP

где V - объем отливки; Р - давление. Для никеля в = 0,53 8-10-11 н/м2 является исключительно малой величиной [3]. Чтобы получить ощутимое сжатие отливки ДУ/У ~ 0,001 (1 %) [4], необходимо применить давление около 108 кг/см2, что невозможно достичь на имеющемся оборудовании. По-

этому мы ограничились давлением около 200 кг/см2 и получили ощутимый эффект от ВГО. В процессе экспериментов исследовано влияние высокотемпературной газостатической обработки на газо-плотностность (герметичность) и механическую прочность литых корпусных деталей турбонасосных агрегатов ракетных двигателей.

По результатам металлографического анализа, рентгенографического контроля, испытаний деталей на прочность и герметичность установлено, что устранение микронеплотностей (рыхлот, пор) в отливках из сталей ВНЛ-1 и ВНЛ-2 после ВГО составляет более 50 % , а в отливках из сплава ВЖА-14 - более 80 %, что способствует повышению механической прочности и герметичности конструкции и обеспечивает высокое качество корпусных деталей и сборочных единиц ТНА ЖРД. Разработанная технология высокотемпературной газостатической обработки отливок может найти применение также при использовании других сталей и сплавов в ракетно-космической промышленности и общем турбостроении.

Библиографические ссылки

1. Галактионова Н. А. Водород в молекулах. М. : Металлургия, 1967.

2. Стильбанс Л. С. Диффузия в полупроводниках. М. : Л. : Сов. радио, 1980.

3. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М. : Наука, 1978.

4. Мелвин-Хьюз Э. А. Физическая химия. М. : Изд-во иностр. лит., 1962.

L. A. Oborin, V. P. Nazarov Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

HIGH-TEMPERATURE GAS PROCESSING OF CAST CASE ITEMS OF TURBINE UNITS

The features of technology of high-temperature gas processing of cast case items made of heat resisting and heat proof metals and alloys are considered. Results of research and optimum processing modes are introduced.

© Оборин Л. А., Назаров В. П., 2012

УДК 539.3

В. П. Павлов, Э. М. Нусратуллин, Л. Р. Нусратуллина

Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия, Уфа

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АРМИРОВАНИЯ ЛОПАТКИ КОМПРЕССОРА

ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Рассматривается композиционная лопатка компрессора газотурбинного двигателя на основе магниевого сплава, армированная углеродными и борными волокнами. Показывается, что при рациональной схеме армирования можно существенно снизить напряжения в зонах концентрации напряжений рабочей лопатки компрессора по сравнению с лопаткой из изотропного материала.

Состояние проблемы и методы ее решения. При

проектировании рабочих лопаток компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) особое внимание следует уделять концентрации напряжений в местах перехода

от пера лопатки к хвостовику и на боковых гранях хвостовика, взаимодействующих с гранями паза диска. Традиционным способом снижения концентрации напряжений является увеличение радиуса поверхно-

Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательных аппаратов

сти перехода от пера лопатки к хвостовику, но такой способ имеет свои пределы и не всегда обеспечивает требуемую прочность лопатки.

В данной работе ставится задача изучить влияние схемы армирования композиционной лопатки на возникающие в ней напряжения и оценить возможность снижения напряжений в зонах их концентрации за счет схемы укладки армирующих волокон.

Для решения данной задачи:

- разработана методика расчета напряжений в лопатке компрессора ГТД, изготовленной из композиционного материала (КМ) на основе магниевой матрицы, армированной борными и углеродными волокнами;

- выполнены расчеты НДС модели корневой части лопатки в форме «ласточкин хвост» при различных схемах армирования и оценено влияние схем армирования на напряжения в компонентах КМ в хвостовике лопатки, включая и зоны их концентрации.

Схема армирования хвостовика лопатки из композиционного материала. Для использования всех преимуществ КМ в лопатке применяются два типа армирующих волокон: борные, имеющие больший диаметр и хорошо работающие на сжатие; углеродные, имеющие меньший диаметр, но обладающие более низкой плотностью и хорошо работающие на растяжение. Учитывая это, те зоны лопатки, которые в основном работают на растяжение, армируются углеродными волокнами, а зоны, работающие на сжатие - борными.

В итоге был выбран ряд схем армирования плоской модели хвостовика лопатки, одна из которых представлена на рис. 1.

Схема армирования корневой части лопатки - вариант 5

Рис. 1. Схема армирования хвостовика лопатки

При этом углеродные волокна направлены вдоль оси У, совпадающей с осью пера лопатки, а борные волокна уложены перпендикулярно к боковым опорным поверхностям хвостовика лопатки (рис. 1). В хвостовике наряду с зонами, армированными углеродными и борными волокнами, имеются зоны, где находится только матричный материал. При этом ос-

новные зоны концентрации напряжений (окрестности точек С1, С3, С4, В1, В3, В4) заполнены неармирован-ным матричным материалом, имеющим существенно более низкую жесткость и прочность по сравнению с армирующими компонентами КМ.

На первый взгляд, для повышения прочности лопатки необходимо максимально повышать прочность материала в зоне концентрации напряжений. Но в случае КМ для повышения прочности лопатки может оказаться более эффективным снижение напряжений в зонах концентрации за счет их заполнения материалом с более низким модулем упругости.

На основе метода конечного элемента были рассчитаны напряженные состояния в модели хвостовика лопатки для семи схем армирования при укладке волокон согласно рис. 1 и различных коэффициентах армирования по борным и углеродным волокнам.

Выяснилось, что наиболее рациональным с точки зрения прочности является вариант при коэффициенте армирования по углероду уС = 0,3 и по бору у в = 0,3. Эпюра напряжений по контуру хвостовика

для этого случая представлена на рис. 2.

Для оценки эффекта армирования на рис. 3 представлена эпюра напряжений по контуру неармированно-го хвостовика. Как видно на рис. 2, 3, в зоне перехода от пера к хвостовику армирование снизило максимальное напряжение в 224/166 = 1,35 раза. Этот результат получен при переходном радиусе г = 0,5 мм. На боковых поверхностях (рис. 2, 3) максимальные напряжения уменьшились в 486 /183 = 2,66 раза.

Таким образом, армирование само по себе позволяет снизить концентрацию напряжений в наиболее опасных точках. Но кроме этого следует учитывать реальную структуру композиционного материала, из которого изготовлена лопатка, и в частности, модули упругости его компонентов. В рассматриваемом КМ модули упругости следующие: магниевой матрицы - Ем% = 44 ГПа, борных волокон - Ев = 400 ГПа,

углеродных волокон - Ес = 300 ГПа. Существенное различие модулей упругости приводит к тому, что в композите основная нагрузка передается армирующими волокнами, обладающими высокой прочностью стпч » 2 000 МПа.

При этом, как показывают результаты расчетов, в зонах концентрации существенно снижается уровень напряжений в матричном материале, который, как выяснилось, во многом отвечает за прочность композиционной лопатки.

Таким образом, 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 иссле-

Решетневские чтения

дований 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,

Рис. 2. Напряжения для армированного хвостовика

целесообразно, наряду с углеродными волокнами, направленными вдоль пера лопатки, укладывать борные волокна, направляя их перпендикулярно к боковым граням хвостовика типа «ласточкин хвост».

Рис. 3. Напряжения для неармированного хвостовика

V. P. Pavlov, E. M. Nusratullin, L. R. Nusratullina Ufa State Aviation Technical University, Russia, Ufa

THE CHOICE OF A RATIONAL SCHEME OF GTD COMPRESSOR BLADES REINFORCEMENT

The composite turbine compressor blade on the basis of magnesium-alloy reinforced with carbon and boric fibers is considered. It is shown that in a rational scheme reinforcement can undermine or reduce the tension in the areas of stress concentration of the working compressor blades compared with the blade of an isotropic material.

© Павлов В. П., Нусратуллин Э. М., Нусратуллина Л. Р., 2012

УДК 532.522

И. С. Протевень, М. В. Краев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

К РАСЧЕТУ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ ПОВЕРХНОСТИ КРЫЛА ВРАЩЕНИЯ

Изложена модель расчета подъемной силы крыла вращения.

В работе рассмотрена затопленная турбулентная струя, вытекающая из плоского сопла, шириной 2Ь0, с начальной скоростью и0 в жидкость той же плотности. Принципиальная схема струи в системе декартовых координат с выделением начального и основного

участков приведена на рисунке. Струя распространяется в направлении оси Х; У01 - полуширина потенциального ядра струи; Ь01 - толщина слоя смещения на начальном участке струи; Ь - полуширина струи на основном участке. Вследствие наличия в рассмат-