Актуальні проблеми динаміки та міцності в сучасному авіаційному двигунобудуванні (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 15 березня 2017 р.)

Доповідь присвячено актуальним і практично значущим, з огляду на пріоритетні напрями розвитку економіки України, результатам наукових досліджень з розроблення методів та засобів підвищення надійності газотурбінних двигунів, насамперед авіаційних, а також підвищення ресурсу конструктивних елементів...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2017
Main Author:	Зіньковський, А.П.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2017
Series:	Вісник НАН України
Subjects:	З кафедри Президії НАН України
Online Access:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122470
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Актуальні проблеми динаміки та міцності в сучасному авіаційному двигунобудуванні (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 15 березня 2017 р.) / А.П. Зіньковський // Вісник Національної академії наук України. — 2017. — № 6. — С. 23-30. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-122470
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1224702017-07-07T03:02:52Z Актуальні проблеми динаміки та міцності в сучасному авіаційному двигунобудуванні (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 15 березня 2017 р.) Зіньковський, А.П. З кафедри Президії НАН України Доповідь присвячено актуальним і практично значущим, з огляду на пріоритетні напрями розвитку економіки України, результатам наукових досліджень з розроблення методів та засобів підвищення надійності газотурбінних двигунів, насамперед авіаційних, а також підвищення ресурсу конструктивних елементів і вузлів авіаційної техніки. 2017 Article Актуальні проблеми динаміки та міцності в сучасному авіаційному двигунобудуванні (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 15 березня 2017 р.) / А.П. Зіньковський // Вісник Національної академії наук України. — 2017. — № 6. — С. 23-30. — укр. 0372-6436 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122470 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України
spellingShingle	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України Зіньковський, А.П. Актуальні проблеми динаміки та міцності в сучасному авіаційному двигунобудуванні (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 15 березня 2017 р.) Вісник НАН України
description	Доповідь присвячено актуальним і практично значущим, з огляду на пріоритетні напрями розвитку економіки України, результатам наукових досліджень з розроблення методів та засобів підвищення надійності газотурбінних двигунів, насамперед авіаційних, а також підвищення ресурсу конструктивних елементів і вузлів авіаційної техніки.
format	Article
author	Зіньковський, А.П.
author_facet	Зіньковський, А.П.
author_sort	Зіньковський, А.П.
title	Актуальні проблеми динаміки та міцності в сучасному авіаційному двигунобудуванні (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 15 березня 2017 р.)
title_short	Актуальні проблеми динаміки та міцності в сучасному авіаційному двигунобудуванні (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 15 березня 2017 р.)
title_full	Актуальні проблеми динаміки та міцності в сучасному авіаційному двигунобудуванні (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 15 березня 2017 р.)
title_fullStr	Актуальні проблеми динаміки та міцності в сучасному авіаційному двигунобудуванні (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 15 березня 2017 р.)
title_full_unstemmed	Актуальні проблеми динаміки та міцності в сучасному авіаційному двигунобудуванні (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 15 березня 2017 р.)
title_sort	актуальні проблеми динаміки та міцності в сучасному авіаційному двигунобудуванні (стенограма наукової доповіді на засіданні президії нан україни 15 березня 2017 р.)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2017
topic_facet	З кафедри Президії НАН України
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122470
citation_txt	Актуальні проблеми динаміки та міцності в сучасному авіаційному двигунобудуванні (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 15 березня 2017 р.) / А.П. Зіньковський // Вісник Національної академії наук України. — 2017. — № 6. — С. 23-30. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT zínʹkovsʹkijap aktualʹníproblemidinamíkitamícnostívsučasnomuavíacíjnomudvigunobuduvannístenogramanaukovoídopovídínazasídanníprezidíínanukraíni15bereznâ2017r
first_indexed	2025-07-08T21:45:46Z
last_indexed	2025-07-08T21:45:46Z
_version_	1837116841720283136
fulltext	ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2017, № 6 23 АКТУАЛЬНІ ПРОБЛЕМИ ДИНАМІКИ ТА МІЦНОСТІ В СУЧАСНОМУ АВІАЦІЙНОМУ ДВИГУНОБУДУВАННІ Стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 15 березня 2017 року Доповідь присвячено актуальним і практично значущим, з огляду на пріо- ритетні напрями розвитку економіки України, результатам наукових до- сліджень з розроблення методів та засобів підвищення надійності газо- турбінних двигунів, насамперед авіаційних, а також підвищення ресурсу конструктивних елементів і вузлів авіаційної техніки. Шановний Борисе Євгеновичу! Шановні члени Президії! Шановні запрошені! Актуальність і практична значущість розвитку наукових до- сліджень з обговорюваної сьогодні проблеми визначаються трьома основними факторами. По-перше, це сучасні тенденції в проектуванні авіаційних двигунів, які полягають у зростан- ні їх питомої потужності та відповідної інтенсивності робочих процесів і водночас у прагненні до зниження матеріаломіст- кості, що зумовлює високий рівень і широкий спектр діючих термосилових навантажень. По-друге, Україна є однією з не- багатьох держав світу, які мають замкнутий цикл проектування та виробництва авіаційної техніки. Забезпечення конкуренто- спроможності вітчизняної продукції, насамперед авіаційних газотурбінних двигунів (АГТД), на світовому ринку потребує наукового супроводу на всіх етапах створення і життєвого ци- клу цих високотехнологічних об’єктів: від розроблення, про- ектування і доведення до виробництва і подальшої їх експлу- атації. І по-третє, це вимоги українських державних органів та рекомендації Єврокомісії щодо посилення ролі академічної науки в напрямі наукового забезпечення реалізації пріоритетів економічного розвитку держави. Слід зазначити, що ще на першому етапі організації Інсти- туту проблем міцності його засновник академік НАН України Георгій Степанович Писаренко одним із пріоритетних напря- З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИНАН УКРАЇНИ ЗІНЬКОВСЬКИЙ Анатолій Павлович — доктор технічних наук, професор, заступник директора Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України 24 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2017. (6) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ мів наукових досліджень у галузі міцності ма- теріалів та конструкцій визначив розроблен- ня методів та засобів підвищення надійності і довговічності елементів та вузлів конструкцій авіаційної техніки, передусім АГТД, в екстре- мальних умовах експлуатації. Для вирішення цієї важливої науково-технічної проблеми в Інституті було започатковано такі напрями на- укових досліджень: • розроблення методів та експерименталь- них засобів визначення дисипативних власти- востей матеріалів і конструкцій, у тому числі в полі відцентрових сил, аеродемпфірування лопаток та методів підвищення вібраційної на- дійності лопаткового апарата; • створення методів і проведення експери- ментальних досліджень прогнозування повзу- чості, довготривалої міцності та залишкової довговічності авіаційних матеріалів різних класів; • розроблення методів та засобів випробу- вань на довговічність елементів конструкцій двигунів, зокрема з покриттями, в газових по- токах і полі відцентрових сил та їх несівної здатності в екстремальних умовах екс плуа- тації; • створення теорії накопичення втомних пошкоджень металів на основі врахування їх циклічної непружності і розроблення мето- дів втомного граничного стану матеріалів різ- них класів при мало- та багатоцикловому на- вантаженні; • визначення механічних характеристик матеріалів у широкому діапазоні умов наван- таження і температур з дотриманням вітчизня- них та міжнародних стандартів. Нові фундаментальні результати, отримані на основі проведених науково-дослідних ро- біт з комплексного вивчення проблем міцності матеріалів і елементів та вузлів конструкцій АГТД в умовах екстремального термосилового навантаження, було узагальнено в багатьох мо- нографічних виданнях. Ці результати знайшли безпосереднє використання при створенні но- вих зразків двигунів, їх було відзначено Дер- жавними преміями та іншими високими наго- родами. Враховуючи вимоги сьогодення щодо фор- мування планів наукових досліджень та відпо- відно до положень Концепції розвитку НАН України на 2014–2023 роки, а також рекомен- дацій міжнародної комісії щодо підвищення ефективності діяльності НАН України, важ- лива роль відводиться координації науково- технічного співробітництва академічних уста- нов з промисловими підприємствами. Слід за- значити, що Інститут проблем міцності разом з іншими академічними установами, зокрема Інститутом електрозварювання ім. Є.О. Па- тона, Інститутом проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича, Інститутом проблем ма- шинобудування ім. А.М. Підгорного, Фізико- механічним інститутом ім. Г.В. Карпенка, ба- гато уваги приділяв вирішенню цих питань у галузі двигунобудування. Як приклад мож- на згадати виконання комплексної науково- технічної програми «Підвищення надійності та довговічності газотурбінних двигунів», затвер- дженої наказом Міністра авіаційної промисло- вості СРСР від 17 липня 1986 р. за підтримки президента АН УРСР академіка Б.Є. Патона, керівником якої від Академії було призначе- но академіка В.Т. Трощенка. В 1992–1996 рр. вже в незалежній Україні діяла Державна науково-технічна програма «Підвищення на- дійності, ресурсу та виключення катастрофіч- них руйнувань транспортних газотурбінних двигунів», керівником якої був академік НАН України В.Т. Трощенко. В останнє десятиліт- тя на замовлення ПАТ «Мотор Січ» та ДП «Івченко–Прогрес» у рамках двостороннього співробітництва виконано майже 20 господар- ських договорів. З метою подальшого зміцнення творчих зв’яз ків та розвитку науково-технічної спів- праці у вирішенні актуальних проблем ди- наміки та міцності в авіаційному газотурбо- будуванні, підвищення надійності і ресурсу двигунів, а також надання науково-експертної допомоги та підготовки висококваліфікованих інженерних і наукових кадрів укладено дого- вори про науково-технічне співробітництво з такими підприємствами та організаціями, як ДП «Івченко–Прогрес», ПАТ «Мотор Січ», ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2017, № 6 25 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ ДП НВКГ «Зоря»–«Машпроект», що є під- твердженням значущості науково-технічного співробітництва у вирішенні актуальних при- кладних завдань у галузі авіаційного двигуно- будування. За підтримки провідних підприємств та ін- ших проектно-конструкторських організацій і наукових установ, а також за сприяння Науко- вої ради з проблеми «Механіка деформівного твердого тіла» Інститут проблем міцності регу- лярно проводить міжнародні науково-технічні конференції «Проблеми динаміки і міцності в турбомашинобудуванні», що допомагає уза- гальнити результати фундаментальних і при- кладних наукових досліджень, обговорити їх і сприяє формуванню актуальних напрямів подальшого розвитку, координації співробіт- ництва із зацікавленими підприємствами. На жаль, через тяжке фінансове становище та з інших об’єктивних причин заплановану на цей рік конференцію довелося перенести. У своєму виступі я зупинюся на найваго- міших результатах прикладних досліджень лише за двома напрямами, а саме: визначення механічних властивостей сучасних авіаційних матеріалів з урахуванням конкретних техноло- гій їх одержання та обробки, а також темпера- тури і видів експлуатаційного навантаження; вивчення динамічної напруженості елементів та вузлів конструкцій і розроблення методів діагностики їх пошкоджень, що виникають під час експлуатації. Приклади використання цих результатів у галузі вітчизняного авіадвигуно- будування наочно спростовують деякі хибні думки про недостатню ефективність академіч- ної науки. Розроблення методологій та проведен- ня кваліфікаційних досліджень сучасних авіаційних матеріалів з визначення їхніх механічних властивостей з урахуванням конкретних технологій одержання таких матеріалів та умов експлуатації. Актуаль- ність цього напряму полягає в тому, що вирі- шення завдання з істотного підвищення на- дійності і ресурсу АГТД, враховуючи нагальну вимогу щодо забезпечення їх конкурентоспро- можності на світовому ринку, неможливе без застосування нових турболопаткових матеріа- лів з поліпшеними експлуатаційними власти- востями, до яких належать жароміцні сплави з напрямленою кристалізацією та гранульовані композиційні матеріали. Достовірне знання їхніх механічних властивостей — ключова про- блема визначення ресурсу двигуна. Відповідно до чинних нормативних доку- ментів сертифікації авіаційних газотурбінних двигунів, обов’язковою умовою є проведення спеціальної кваліфікації матеріалів, які вико- ристовуються при їх створенні, за результата- ми випробувань зразків із заготовок відповід- них деталей двигуна, отриманих за серійною технологією, на розтяг, повзучість і довготри- валу міцність, мало- та багатоциклову втому, а також визначення швидкості росту тріщини втоми згідно з чинними міжнародними стан- дартами та у сертифікованих лабораторіях. Інститут має значний досвід вирішення за- вдань за цим науковим напрямом, а також унікальний комплекс випробувальних стен- дів та сучасного обладнання. Важливу роль у сучасному оснащенні лабораторій Інституту відіграло рішення Президії НАН України про створення при Інституті Центру колективного користування науковим обладнанням, а також придбання власним коштом окремих видів ви- пробувальних машин. Це насамперед сервогі- дравлічні машини Instron 8802 (Велика Бри- танія) та Biss-10 (Індія), резонансна машина Rumul Testronic 50kN (Швейцарія). У співпраці з провідними підприємствами України в галузі авіаційного двигунобудуван- ня ДП «Івченко–Прогрес» та ПАТ «Мотор Січ» в Інституті на основі результатів викона- них експериментальних досліджень створено банк даних механічних характеристик широ- кого класу нових авіаційних матеріалів з ура- хуванням конкретних технологій їх одержання та обробки, а також температур і видів експлу- атаційного навантаження. Наповнення цієї бази даних триває. Зазначену роботу включе- но до затверджених Президією НАН України оперативних заходів НАН України з науково- го забезпечення реалізації пріоритетів еконо- мічного розвитку держави. 26 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2017. (6) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ напрям був започаткований Г.С. Писаренком, засновником української наукової школи в галузі теорії коливань неконсервативних ме- ханічних систем, а зараз його розвиток про- довжується за активної участі академіка НАН України В.В. Матвєєва. Актуальність і прак- тична значущість цього напряму пояснюєть- ся тим, що при експлуатації сучасних АГТД трапляються втомні руйнування робочих ло- паток, причинами яких є їх резонансні коли- вання внаслідок колової стаціонарної нерівно- мірності потоку, зумовленої газодинамічними слідами від лопаток статора, стояками тощо; нерезонансні коливання, спричинені обер- товим зривом і турбулентними пульсаціями потоку; флатер — самозбуджувані коливання лопаток під впливом потоку рідини або газу. Витрати на забезпечення вібраційної надій- ності лопаткового апарата становлять значну частку в загальному балансі часу та коштів, які витрачаються на доводку та впровадження у виробництво АГТД. Так, відомо, що під час до- водки виявляють і ліквідовують близько 90 % причин можливих поломок і тільки решту — в процесі експлуатації. Враховуючи отримані в попередні роки ре- зультати фундаментальних і прикладних до- сліджень з вивчення динамічного напружено- деформованого стану найбільш напружених конструктивних елементів та їх систем газо- турбінних двигунів, а також конструктивно- технологічні й експлуатаційні чинники та сучасні тенденції в проектуванні АГТД, мож- на визначити такі напрями подальших дослі- джень: 1. Продовження робіт з розроблення методик для дослідження дисипативних властивостей матеріалів та демпфірування коливань елемен- тів конструкцій при різних видах деформації і температурах, у тому числі в полі відцентро- вих сил. Для вирішення цього завдання в Інсти- туті є унікальне експериментальне обладнан- ня, з використанням якого було створено банк даних дисипативних характеристик широкого класу матеріалів, що узагальнено в довідни- ку, який широко використовується дотепер та перевиданий за кордоном. Слід зазначити, Результати проведених в Інституті випробу- вань показали, що довідкові дані про механічні властивості матеріалу потребують постійного уточнення, оскільки змінюються технології та способи виробництва досліджуваних матеріа- лів. Так, при проведенні ресурсних розрахун- ків у процесі створення нового двигуна було використано довідкові дані про модуль пруж- ності одного з титанових сплавів. За нашими ж даними, він виявився на 20 % нижчим від до- відкового, що й спричинило необхідність вне- сення коректив у розрахунок ресурсу. Підсумовуючи викладене, слід відзначити сильні та слабкі сторони Інституту в цьому на- прямі. Сильні сторони: • значний досвід у вивченні механічних властивостей конструкційних матеріалів з урахуванням конкретних технологій їх одер- жання та обробки, а також температури і видів експлуатаційного навантаження; • наявність сучасного випробувального об- ладнання та акредитація лабораторії механіч- них випробувань у Національному акредита- ційному агентстві. Слабкі сторони: • необхідність дооснащення лабораторій Ін- ституту сучасними засобами випробувань та модернізації наявного обладнання, що усклад- нюється недостатніми обсягами фінансування наукових досліджень; • необхідність акредитації випробувальних лабораторій Інституту в міжнародних центрах. Що стосується вирішення цих питань, то, по-перше, вже проведено велику роботу з акре- дитації лабораторії в Міждержавному авіацій- ному комітеті, але відомі події призупинили цей процес, а по-друге, передбачається реорга- нізація лабораторії механічних випробувань у напрямі створення цілісної структури для про- ведення кваліфікаційних випробувань матері- алів, як це зроблено в провідних європейських інституціях, а також в Інституті дослідження металів Академії наук КНР. Розроблення методів зниження динаміч- ної напруженості елементів та вузлів кон- струкцій авіаційних газотурбінних двигунів і діагностики їх пошкоджень. Цей науковий ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2017, № 6 27 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ що тільки минулого року стало відомо, що цей довідник було видано науково-технологічним центром Міністерства оборони США без відо- ма авторів. Розроблення нових конструкційних матері- алів зумовлює необхідність подальшого про- ведення досліджень з визначення їх дисипа- тивних властивостей. Однак проведення цих досліджень гальмується внаслідок застарілос- ті наявного випробувального обладнання, осо- бливо в частині автоматизації експерименту. Отримані в Інституті фундаментальні ре- зультати досліджень із забезпечення опти- мальної демпфірувальної здатності робочих лопаток стали класикою при проектуванні бандажованих робочих лопаток. Одним із можливих способів підвищення демпфірувальної здатності лопаткового апара- та АГТД є нанесення покриттів на перо лопаток. У співпраці з Інститутом електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України було проведено комплексні експериментальні дослідження з визначення можливостей наноструктурованих покриттів, нанесених електронно-променевим способом, впливати на підвищення демпфі- рувальної здатності та зниження вібронапру- женості стрижневих моделей конструктив- них елементів і робочих лопаток компресорів АГТД, виготовлених з титанових сплавів. Встановлено, що демпфірувальна здатність таких об’єктів техніки суттєво залежить від структури покриття і параметрів його отри- мання, насамперед від температури осадження покриття, а також від частоти коливань. Слід зазначити, що вказані роботи виконува- лися в рамках цільової комплексної програми наукових досліджень НАН України «Пробле- ми ресурсу та безпеки експлуатації конструк- цій, споруд і машин (РЕСУРС)» і були свого часу підтримані генеральним конструктором авіаційних двигунів членом-кореспондентом НАН України Ф.М. Муравченком. 2. Розроблення методів прогнозування та дослідження стійкості до дозвукового фла- тера лопаткових вінців компресорів. Стрім- ке зростання амплітуд лопаток при флатері може призвести якщо не до миттєвої відмови двигуна, то до значної втрати його ресурсу. У зв’яз ку з цим визначення режимів роботи, за яких можлива поява флатера, є важливою і необхідною складовою забезпечення вібрацій- ної надійності лопаткового апарата. Тому при розробленні конкурентоспроможних двигунів та освоєнні їх серійного виробництва, зокрема при проведенні сертифікаційних випробувань, обо в’яз ковою умовою є визначення критичних умов виникнення флатера або границі дина- мічної стійкості лопаткових вінців з ураху- ванням характерних для них конструктивно- технологічних і експлуатаційних факторів. Натурні випробування двигуна на стійкість лопаток до флатера є надто дорогими. Скороти- ти їх обсяг дозволяють лабораторні досліджен- ня. В Інституті розроблено експериментально- розрахунковий комплекс з прогнозування стійкості до дозвукового флатера лопаткових вінців компресорів, який дає змогу достовірно визначити аеродинамічні навантаження (сили та моменти), які діють у потоці на робочі ло- патки, і на основі їх використання здійснити прогнозування стійкості до дозвукового фла- тера вінців у широкому діапазоні зміни їх ме- ханічних параметрів та характеристик потоку. При цьому створений комплекс є повністю автоматизованим з використанням сучасної вимірювальної та обчислювальної техніки. Це стало можливим завдяки виконанню в 2011 р. науково-технічного проекту, який фінансував- ся НАН України, а також співробітництву з ПАТ «Мотор Січ». Слід зазначити, що розроблений екс пе ри- ментально-розрахунковий комплекс можна та- кож пристосувати для прогнозування динаміч- ної стійкості трубних пучків пароконденсаторів і теплообмінників атомних електростанцій. З використанням цього комплексу було проведено дослідження з прогнозування дина- мічної стійкості до флатера лопаткових вінців практично всіх авіаційних двигунів, створених в Україні. У рамках виконання робіт інвестиційного проекту «Розробка та серійне виробництво тур- бореактивного двоконтурного двигуна АІ-28 для перспективних модифікацій літаків» на за- 28 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2017. (6) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ позитивного рішення про визнання результа- тів випробувань. Це дозволило зберегти значні матеріальні ресурси, оскільки відпала необхід- ність у проведенні повторних ресурсних ви- пробувань. 4. Визначення закономірностей впливу кри- сталографічної орієнтації монокристалічних матеріалів на напружений стан робочих ло- паток турбін з урахуванням експлуатаційних режимів навантаження. Широке використан- ня в турбінах АГТД робочих лопаток з моно- кристалічних жароміцних нікелевих сплавів, які характеризуються суттєвою анізотропією як фізичних, так і механічних властивостей, зумовлює необхідність підвищення достовір- ності визначення характеристик їх напружено- деформованого стану і створення ефективних методів оцінки міцності. У співдружності з ДП «Івченко–Прогрес» проводяться комплексні дослідження з удо- сконалення розрахунково-експеримен тальних методів аналізу статичного і динамічного ста- нів монокристалічних робочих лопаток турбін і визначення закономірностей впливу криста- лографічної орієнтації монокристалічних ма- теріалів на напружений стан таких лопаток з урахуванням експлуатаційних режимів наван- таження. На підставі встановлених закономірностей впливу конструктивно-технологічних і екс- плуатаційних факторів на напружено-де фор- мо ва ний стан лопаток розроблено рекоменда- ції з раціонального вибору кристалографічної орієнтації матеріалу, які дозволяють обґрун- товано призначати гранично допустимі її від- хилення з точки зору забезпечення міцності лопаток. Використання розробленого роз ра- хун ково-експеримен тального методу з визна- чення границі витривалості лопаток дозволяє істотно скоротити матеріальні витрати і час випробувань. 5. Розроблення методик раціонального вибо- ру параметрів поличного бандажування і ви- значення їх впливу на статичний і вібраційний стани робочих лопаток турбін. Поличне бан- дажування робочих лопаток турбін у практиці проектування турбін АГТД, поряд з його осно- мовлення ДП «Івченко–Прогрес» проводяться дослідження з розроблення методики експрес- оцінки аеродинамічної стійкості консольних лопаток осьового компресора до дозвукового флатера на різних режимах роботи ГТД. 3. Розроблення теорії коливань регулярних систем та її застосування для аналізу коливань лопаткового апарата робочих коліс. Робочі ло- патки проектуються як однотипні конструк- тивні елементи, які мають однакові геометрич- ні, пружні та інерційні характеристики. Через причини технологічного та експлуатаційного характеру на практиці спостерігається певна відмінність зазначених характеристик лопа- ток, що зумовлює порушення регулярності їх пакетів і поворотної або циклічної симетрії вінців. Як встановлено в результаті численних досліджень, у цьому випадку для систем з по- воротною симетрією можливі такі явища, як розщеплення частот та спотворення синусої- дальності взаємноортогональних форм коли- вань, виникнення розкиду амплітуд резонанс- них напружень. Використовуючи фундаментальні власти- вості систем з конструктивною поворотною си- метрією, розроблено наукові засади вивчення напружено-деформованого стану лопаткового апарата робочих коліс турбомашин як пружно- дисипативної системи з порушеною поворот- ною симетрією з урахуванням конструктивно- технологічних і експлуатаційних чинників. Прикладом практичного використання за- пропонованих теоретичних підходів до аналізу коливань лопаткового вінця як системи з по- рушеною поворотною симетрією є результати проведеної експертної оцінки причин обриву лопатки при ресурсних випробуваннях мар- шового вертолітного двигуна. На основі аналі- зу спектра власних частот коливань комплекту лопаток робочого колеса та отриманих з вико- ристанням розроблених їх скінченноелемент- них моделей частотних діаграм було встанов- лено, що причиною обриву лопатки було пору- шення її геометрії в процесі виробництва. Саме підготовлена Інститутом експертна оцінка була прийнята авіарегістром Міждержавного авіаційного комітету за основу при ухваленні ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2017, № 6 29 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ вним призначенням, а саме, зменшенням пере- тікання газу через радіальний зазор і кінцевих втрат, використовується як засіб зниження на- пруженості вінців при небезпечних режимах їх експлуатації. При цьому застосовуються як різні типи бандажних полиць — беззигові та Z-подібні, так і різні способи бандажування — кільцеве, пакетне, попарне. Обґрунтування вибору того чи іншого типу полиць і способу бандажування лопаток неможливе без вико- ристання сучасних способів комп’ютерного моделювання досліджуваних об’єктів, які до- зволяють більш адекватно описати умови вза- ємодії контактних поверхонь полиць з ураху- ванням діючих навантажень на характерних режимах експлуатації двигуна. Для розглянутих лопаток, незалежно від типу бандажних полиць, характерний висо- кий рівень діючих навантажень і температур, що спричинює активацію процесів повзучості матеріалу. З використанням запропонованої моделі повзучості матеріалу досліджуваних лопаток визначено закономірності її впливу на динаміку зміни напружено-деформованого стану і геометрії лопаток, рівень максимальної їх напруженості, втрату натягу по контактних поверхнях бандажних полиць у процесі ви- роблення ресурсу, величину залишкових на- пружень, які дають можливість прогнозувати процес розвитку залишкового розвороту пера розглянутих лопаток. Це дозволяє уникнути небезпечних ситуацій в експлуатації завдя- ки своєчасному ремонту лопаток. При цьому встановлено, що використання беззигових бандажних полиць дає змогу значно зменши- ти напруженість робочих лопаток та досягти необхідного їх ресурсу. За результатами проведених розрахунків та їх порівняння з даними експлуатації робочих лопаток турбіни середнього тиску та першого ступеня турбіни вентилятора встановлено, що виробіток контактних поверхонь бандажних полиць спричинений зменшенням нормальної сили, що діє на ці поверхні, внаслідок повзу- чості матеріалу лопаток. Підвищити довговіч- ність полиць можна завдяки зменшенню кута пружної закрутки пера як способу зниження його напруженості, що сповільнює процес по- взучості, а необхідна нормальна сила на кон- тактних поверхнях забезпечується підвищен- ням кута їх нахилу. Отримані результати досліджень викорис- товуються на провідних двигунобудівних під- приємствах України — ДП «Івченко–Прогрес» і ПАТ «Мотор Січ» для встановлення і подо- вження ресурсу робочих лопаток серійних двигунів Д-18Т, Д-436, ТВ3-117ВМА-СБМ1, а також створюваних перспективних двигунів Д-27, АІ-222-25, АІ-450, АІ-22. За результата- ми цих досліджень захищено кілька дисерта- ційних робіт. 6. Дослідження впливу поверхневих експлу- атаційних пошкоджень лопаток на характе- ристики їх напружено-деформованого стану. У процесі експлуатації двигунів у лопатках під впливом обтікаючого потоку та різного роду сторонніх предметів, таких як лід, птахи та ін., виникають раковини, забоїни та інші пошко- дження. При циклічному деформуванні лопа- ток можливе виникнення тріщин втоми, що може призвести до їх обриву. Наявність пошкоджень у конструкції насам- перед впливає на пружні властивості системи і, як наслідок, на її вібраційні характеристики, змінення яких широко використовується для виявлення таких пошкоджень. Питанням пошуку надійних діагностичних параметрів наявності пошкоджень у робочих лопатках приділяється значна увага. Викона- но великий обсяг обчислювальних досліджень впливу параметрів поверхневих пошкоджень на характеристики коливань стрижневих кон- структивних елементів з використанням спро- щених та скінченноелементних моделей, роз- роблених в Інституті. Розроблено наукові основи вібродіагнос- тики наявності локальних поверхневих недо- сконалостей за зміною спектра власних частот коливань і дихаючих тріщин втоми за характе- ристиками супер- і субгармонічного резонан- сів досліджуваних пружних тіл як необхідної умови забезпечення функціональної робото- здатності високонавантажених вузлів сучас- них газотурбінних двигунів. 30 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2017. (6) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Підтвердженням наукової значущості до- сліджень з цього наукового напряму є відзна- чення їх окремих результатів преміями НАН України. Так, у 2015 р. за цикл праць «Міцність і надійність лопаткового апарата робочих ко- ліс сучасних авіаційних газотурбінних двигу- нів та забезпечення його ресурсу» присуджено премію імені С.П. Тимошенка НАН України (у співавторстві зі співробітниками ДП «Івчен- ко–Прогрес» В.М. Меркуловим та О.В. Шере- метьєвим). Премією НАН України для молодих учених і студентів вищих навчальних закладів за кращі наукові роботи у 2016 р. відзначено цикл праць «Закономірності впливу орієнтації контактних поверхонь полиць бандажованих лопаток на напружено-деформований стан їх вінців» (автори — Я.Д. Круглій, К.В. Сав- ченко). Окремо слід зупинитися на питанні між- народного співробітництва в галузі авіаційної техніки. Незважаючи на обмежені фінансові можливості, Інституту вдалося налагодити творчу і виробничу співпрацю із зарубіжними науковими установами, університетами та ін- шими організаціями. У рамках безвалютного обміну проводилися роботи за двома спіль- ними проектами з Інститутом термомехані- ки АН Чеської Республіки. Уже багато років Інститут співпрацює з Інститутом проточних машин ім. Р. Шевальського Польської АН. Зараз готуються матеріали для участі в кон- курсі українсько-польських проектів та для стажування молодого вченого у польських колег. Інститут набув статусу колективного члена Міжнародного товариства з діагнос- тичного контролю (International Society for Condition Monitoring, Велика Британія). Три- ває інтенсивна робота з визначення напрямів наукового співробітництва. Укладено дого- вір про науково-технічне співробітництво з Міжнародним інститутом акустики і вібрації (США). Минулого року ця інституція видала гранти двом молодим ученим нашого Інститу- ту для участі в 23-му Міжнародному конгре- сі в Греції. Продовжується співробітництво з фірмою-виробником випробувального облад- нання BISS (Індія). Важливою для подальшої інтеграції в європейський науковий простір є участь Інституту в проекті AERO-UA програ- ми «Горизонт-2020». Інститут вибрано вико- навцем проекту 3.3а Manufacturing Joints, де координатором є Fraunhofer Institute for Fac- tory Operation and Automation (Німеччина). ДП «Івченко–Прогрес» як виконавець про- екту 3.2а Engine Health Management System вважає доцільним залучити Інститут до його виконання за такими напрямами співробітни- цтва з партнерами проекту: • методи розрахункового та експеримен- тального вивчення коливань елементів кон- струкцій типу лопаток турбомашин та їх сис- тем (вінців і пакетів) з урахуванням можливих експлуатаційних пошкоджень та впливу від- центрових сил і температури; • методи діагностування наявності тріщин втоми та інших пошкоджень елементів кон- струкцій при їх вимушених коливаннях; • експериментально-розрахункові методи зниження вібронапруженості лопаток турбо- машин при резонансних режимах експлуатації за рахунок підвищення демпфірувальної здат- ності та визначення границі їх динамічної стій- кості до флатера. Протягом 2017–2018 рр. разом із ДП «Ів- ченко–Прогрес» за результатами комплексних експериментально-розрахункових досліджень планується підготовка до друку монографії «Підвищення ресурсу бандажованих робочих лопаток турбін авіаційних газотурбінних дви- гунів». На завершення хотів би запевнити Прези- дію НАН України, що Інститут буде і надалі на високому рівні проводити наукові досліджен- ня з розроблення методів і засобів підвищення міцності і надійності авіаційних газотурбінних двигунів з урахуванням пріоритетних напря- мів розвитку економіки України та з метою більш широкого залучення до європейського дослідницького простору. Дякую за увагу! За матеріалами засідання підготувала О.О. МЕЛЕЖИК

Актуальні проблеми динаміки та міцності в сучасному авіаційному двигунобудуванні (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 15 березня 2017 р.)

Institution

Similar Items